Как устроен генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinwt; e₂ = -Blvsinwt; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, wt – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2B lvsinwt, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

с независимым возбуждением обмоток;
с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

устройства с параллельным возбуждением;
альтернаторы с последовательным возбуждением;

устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
характеристики внешних параметров;
регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EI_a. Отдаваемая в цепь полезная мощность P₁ = UI.

КПД

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η_e. Тогда: η_e=P₁/P.

На холостом ходе η_e = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Список использованной литературы

Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы» 2008
О.А.Косарева «Шпаргалка по общей электротехники и электроники»
Китаев В. Е., Корхов Ю. М., Свирин В. К. «Электрические машины» Часть 1. Машины постоянного тока. 1978
Данилов И.А., Лотоцкий К.В. «Электрические машины» 1972

Генератор постоянного тока – принцип действия, устройство, как работает

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Важным условием является то, что проводник должен пересекать поле, а не двигаться вдоль него.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

На величину электродвижущей силы влияют следующие факторы:

длина проволоки;
величина индукции магнитного поля;
частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д. с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

По источнику тока возбуждения генераторы бывают:

с независимым возбуждением;
с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

По схеме подключения обмотки якоря к обмотке возбуждения генераторы с самовозбуждением делятся на три типа:

с параллельным возбуждением;
с последовательным возбуждением;
со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор состоит из двух частей:

подвижная вращающаяся часть якорь;
неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

Генераторы постоянного тока обладают следующими достоинствами:

простота конструкции, компактность;
надежность;
экономичность;
обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
практически линейная внешняя характеристика.

Недостатки:

высокая стоимость;
ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.

* * *

Базовая конструкция и работа генератора постоянного тока.

Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую механическую энергию в электричество постоянного тока . Это преобразование энергии основано на принципе создания динамически индуцированной ЭДС. В этой статье описывается базовая конструкция и работа генератора постоянного тока .

Конструкция машины постоянного тока:

Примечание: Теоретически генератор постоянного тока можно использовать в качестве двигателя постоянного тока без каких-либо конструктивных изменений, и наоборот. Следовательно, генератор постоянного тока или двигатель постоянного тока можно в широком смысле назвать Машина постоянного тока . Эти основные детали конструкции также действительны как для генератора постоянного тока , так и для двигателя постоянного тока . Следовательно, давайте назовем этот пункт построением машины постоянного тока , а не просто «конструированием генератора постоянного тока».

На приведенном выше рисунке показаны детали конструкции простой 4-полюсной машины постоянного тока . Машина постоянного тока состоит из двух основных частей; статор и ротор. Основные конструктивные части машины постоянного тока описаны ниже.

Хомут: Внешняя рама машины постоянного тока называется ярмом. Изготавливается из чугуна или стали. Он не только обеспечивает механическую прочность всей сборки, но и пропускает магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения.
Стойки и башмаки: Стойки присоединяются к хомуту с помощью болтов или сварки. Они несут обмотку возбуждения и к ним крепятся полюсные башмаки. Обувь с шестом служит двум целям; (i) они поддерживают катушки возбуждения и (ii) равномерно распределяют поток в воздушном зазоре.
Обмотка возбуждения: Обычно изготавливаются из меди. Катушки возбуждения предварительно намотаны и размещены на каждом полюсе и соединены последовательно. Они намотаны таким образом, что при подаче напряжения они образуют чередующиеся северный и южный полюса.

Сердечник якоря (ротора)

Сердечник якоря: Сердечник якоря — это ротор машины постоянного тока. Он имеет цилиндрическую форму с прорезями для обмотки якоря. Якорь состоит из тонких многослойных круглых стальных дисков для уменьшения потерь на вихревые токи. Он может быть снабжен воздуховодами для осевого потока воздуха в целях охлаждения. Якорь приварен (закреплен) к валу.
Обмотка якоря: Обычно это бывшая намотанная медная катушка, которая располагается в пазах якоря. Проводники якоря изолированы друг от друга, а также от сердечника якоря. Обмотка якоря может быть намотана одним из двух способов; обмотка внахлест или волновая обмотка. Обычно используются двухслойные обмотки внахлестку или волновые обмотки. Двухслойная обмотка означает, что в каждый слот якоря помещаются две разные катушки.
Коллектор и щетки: Физическое соединение с обмоткой якоря осуществляется через коллекторно-щеточное устройство. Функция коммутатора в генераторе постоянного тока состоит в том, чтобы собирать ток, генерируемый в проводниках якоря. Принимая во внимание, что в случае двигателя постоянного тока коммутатор помогает подавать ток на проводники якоря. Коммутатор состоит из набора медных сегментов, изолированных друг от друга. Количество сегментов равно количеству витков якоря. Каждый сегмент соединен с катушкой якоря, а коммутатор закреплен шпонкой (или закреплен) на валу. Щетки обычно изготавливаются из углерода или графита. Они опираются на сегменты коммутатора и скользят по сегментам, когда коммутатор вращается, сохраняя физический контакт для сбора или подачи тока.

Коллектор

Принцип работы генератора постоянного тока:

В соответствии с законами электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник помещается в переменное магнитное поле (ИЛИ проводник перемещается в магнитном поле), в проводнике индуцируется ЭДС (электродвижущая сила). . Величину ЭДС индукции можно рассчитать из уравнения ЭДС генератора постоянного тока. Если проводник имеет замкнутый путь, индуцированный ток будет циркулировать внутри пути. В генераторе постоянного тока катушки возбуждения создают электромагнитное поле, а проводники якоря вращаются в поле. Таким образом, в проводниках якоря возникает ЭДС электромагнитного поля. Направление индукционного тока определяется правилом правой руки Флеминга.

Необходимость коммутатора с разъемным кольцом:

В соответствии с правилом правой руки Флеминга направление индуцированного тока изменяется всякий раз, когда изменяется направление движения проводника. Пусть якорь вращается по часовой стрелке, а проводник слева движется вверх. Когда якорь совершит половину оборота, направление движения этого конкретного проводника изменится на нисходящее. Следовательно, направление тока в каждом проводнике якоря будет переменным. Если вы посмотрите на приведенный выше рисунок, вы узнаете, как меняется направление индуцированного тока в проводнике якоря. Но с коммутатором с разъемным кольцом соединения проводников якоря также меняются местами, когда происходит изменение направления тока. И поэтому мы получаем однонаправленный ток на клеммах.

Типы генератора постоянного тока:

Генераторы постоянного тока можно разделить на две основные категории, а именно; (i) Отдельно возбужденный и (ii) Самовозбуждающийся.
(i) С независимым возбуждением : В этом типе катушки возбуждения питаются от независимого внешнего источника постоянного тока.
(ii) С самовозбуждением : В этом типе катушки возбуждения питаются от тока, вырабатываемого самим генератором. Начальная генерация ЭДС обусловлена остаточным магнетизмом в полюсах поля. Генерируемая ЭДС вызывает протекание части тока в катушках возбуждения, тем самым усиливая поток поля и тем самым увеличивая генерацию ЭДС. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением можно разделить на три типа -
(a) Последовательная обмотка - обмотка возбуждения последовательно с обмоткой якоря
(b) Шунтирующая обмотка - обмотка возбуждения параллельно обмотке якоря
(c) Комбинированная обмотка - комбинация последовательной и параллельной обмотки

Вы можете узнать больше о типах генератор/машина постоянного тока здесь.

электрогенератор | инструмент | Британика

электрогенератор

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:: Чарльз Протеус Стейнмец Рукс Эвелин Белл Кромптон Джон Хопкинсон Сильванус Филлипс Томпсон Эдвард Уэстон

Похожие темы:: магнитогидродинамический генератор энергии термоэмиссионный преобразователь энергии генератор переменного тока возбудитель гетерополярная машина

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электрический генератор , также называемый динамо-машиной , любая машина, которая преобразует механическую энергию в электричество для передачи и распределения по линиям электропередач бытовым, коммерческим и промышленным потребителям. Генераторы также производят электроэнергию, необходимую для автомобилей, самолетов, кораблей и поездов.

Механическая мощность для электрического генератора обычно получается от вращающегося вала и равна крутящему моменту вала, умноженному на вращательную или угловую скорость. Механическая энергия может поступать из ряда источников: гидравлические турбины на плотинах или водопадах; Ветряные турбины; паровые турбины, использующие пар, полученный с использованием тепла от сжигания ископаемого топлива или ядерного деления; газовые турбины, сжигающие газ непосредственно в турбине; или бензиновые и дизельные двигатели. Конструкция и скорость генератора могут значительно различаться в зависимости от характеристик механического первичного двигателя.

Почти все генераторы, используемые для питания электрических сетей, генерируют переменный ток, который меняет полярность с фиксированной частотой (обычно 50 или 60 циклов или двойное изменение направления в секунду). Поскольку несколько генераторов подключены к электрической сети, они должны работать на одной частоте для одновременной генерации. Поэтому они известны как синхронные генераторы или, в некоторых случаях, генераторы переменного тока.

Генераторы синхронные

Основной причиной выбора переменного тока для силовых сетей является то, что его постоянное изменение во времени позволяет использовать трансформаторы. Эти устройства преобразуют электроэнергию любого напряжения и силы тока в высокое напряжение и малый ток для передачи на большие расстояния, а затем преобразуют ее в низкое напряжение, подходящее для каждого отдельного потребителя (обычно 120 или 240 вольт для бытовых нужд). Конкретной используемой формой переменного тока является синусоида, которая имеет форму, показанную на рисунке 1. Она была выбрана потому, что это единственная повторяющаяся форма, для которой две волны, смещенные друг от друга во времени, могут быть сложены или вычтены и имеют такая же форма возникает в результате. В идеале тогда все напряжения и токи имеют синусоидальную форму. Синхронный генератор предназначен для воспроизведения этой формы настолько точно, насколько это практически возможно. Это станет очевидным, когда основные компоненты и характеристики такого генератора будут описаны ниже.

Ротор

Простейший синхронный генератор показан в разрезе на рис. 2. Центральный вал ротора соединен с механическим первичным двигателем. Магнитное поле создается проводниками или катушками, намотанными в пазах, прорезанных на поверхности цилиндрического железного ротора. Этот набор катушек, соединенных последовательно, известен как обмотка возбуждения. Положение катушек возбуждения таково, что направленная наружу или радиальная составляющая магнитного поля, создаваемая в воздушном зазоре к статору, примерно синусоидально распределяется по периферии ротора. На рис. 2 плотность поля в воздушном зазоре максимальна снаружи вверху, максимальна внутрь внизу и равна нулю с двух сторон, что приблизительно соответствует синусоидальному распределению.

Статор простейшего генератора на рис. 2 состоит из цилиндрического кольца из железа, обеспечивающего свободный путь для магнитного потока. В этом случае статор содержит только одну катушку, две стороны которой размещены в пазах в железе, а концы соединены вместе изогнутыми проводниками по периферии статора. Катушка обычно состоит из нескольких витков.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

При вращении ротора в обмотке статора индуцируется напряжение. В любой момент величина напряжения пропорциональна скорости, с которой магнитное поле, окружаемое катушкой, меняется со временем, т. е. скорости, с которой магнитное поле проходит две стороны катушки. Следовательно, напряжение будет максимальным в одном направлении, когда ротор повернется на 90° от положения, показанного на рисунке 2, и будет максимальным в противоположном направлении через 180° позже. Форма сигнала напряжения будет приблизительно синусоидальной, показанной на рисунке 1.9.0007

Конструкция ротора генератора на рис. 2 имеет два полюса, один для магнитного потока, направленного наружу, и соответствующий, для потока, направленного внутрь. В катушке статора индуцируется одна полная синусоида за каждый оборот ротора. Таким образом, частота электрической мощности, измеряемая в герцах (циклах в секунду), равна скорости вращения ротора в оборотах в секунду. Например, чтобы обеспечить подачу электроэнергии с частотой 60 герц, частота вращения первичного двигателя и ротора должна составлять 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту.