Когда в проводниках возникает направленное электрическое поле, это приводит к появлению электрического тока. Если электродвижущая сила (ЭДС) не изменяет направление с течением времени, заряды, а точнее энергия электромагнитной волны, движутся от электрода с положительным зарядом к отрицательному. Такой ток называется постоянным (DC).
Что такое генератор постоянного тока и для чего он нужен
Давайте разберёмся, что представляет собой генератор постоянного тока, каковы его основные функции, а также чем он отличается от других систем генерации электрической энергии. Несмотря на появление более современных и мощных устройств для выработки электрического тока, данный тип генератора остаётся популярным и широко используемым. Начнём с определения этого устройства.
Что такое генератор постоянного тока?
Генератор постоянного тока — это устройство, предназначенное для выработки электрической энергии с постоянным напряжением. Он был изобретён в конце 19 века и до сих пор сохраняет свою первоначальную концепцию без значительных изменений.
Основой функционирования этого генератора является закон электромагнитной индукции. В результате взаимодействия проводника и постоянного магнита в системе возникает электродвижущая сила. Эта сила распределяется по специальным проводникам в электрической сети, обеспечивая её питание. Учитывая сложность конструкции, иногда может понадобиться специализированный сервис для ремонта генератора, используемого в автомобиле.
Несмотря на сложную природу устройства и возможность его поломки, значение генератора постоянного тока в работе различных электросистем невозможно переоценить. Рассмотрим подробнее, для каких целей применяются генераторы постоянного тока в автомобильной технике.
Принцип действия
Генератор постоянного тока функционирует на основе закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур, помещённый между полюсами магнита, начинает вращаться, он пересекает магнитные линии, что и дает рождение электродвижущей силы. Эта сила усиливается, когда проводник приближается к полюсам магнита. При подключении нагрузки к коллектору в образованной электрической цепи возникает ток.
В промышленности и бытовом использовании применяются генераторы двух основных типов:
- Самовозбуждающиеся;
- С независимым возбуждением.
Разделение первого типа генераторов зависит от схемы соединения якорных обмоток:
- Параллельное соединение. Бесперебойная работа таких генераторов обеспечивается стабильной подачей напряжения на выводах устройства независимо от изменений в общей нагрузке. Для этого используют реостат, который регулирует уровень напряжения. Основное назначение реостата — замкнуть обмотку на себя. При отсутствии такой возможности, в случае разрыва цепи возникает резкий скачок электродвижущей силы самоиндукции, что может повредить изоляцию. Входящее устройство рассеивает избыточную энергию, преобразуя её в тепло, тем самым предотвращая поломку генератора.
- Последовательное соединение. Напряжение, генерируемое обмоткой, пропорционально току, который вырабатывается самим генератором. Если генератор находится в режиме холостого хода, возбуждение отсутствует, из-за чего невозможно получить характеристики. Для начала генерации электроэнергии необходимо подключить устройство к внешнему источнику питания. Это зависимость считается недостатком, поэтому подобные генераторы применяются только в тех условиях, где требуется питание устройств с постоянной нагрузкой.
- Смешанное соединение. Это сложные конструкции, которые объединяют все положительные качества предыдущих типов. Специфика заключена в присутствии двух обмоток: первая подключается параллельно обмотке якоря, вторая — последовательно. Параллельная обмотка регулируется реостатом, осуществляя контроль колебаний тока. Контроль холостого хода выполняется также параллельной обмоткой, что позволяет корректировать напряжение на выходе устройства.
Класс генератора постоянного тока определяется условиями его эксплуатации и количеством подключённых к нему устройств. Для предотвращения технических ошибок в расчётах рекомендуется доверять эту задачу профессионалам на стадии планирования.
Характеристики
Производительность генераторов определяется зависимостью основных технических параметров. К ним относятся:
- Характеристики холостого хода;
- Внешние параметры;
- Регулировочные значения.
Наибольшее значение имеют именно внешние характеристики, которые определяют зависимость напряжения от нагрузки. Как только якорь достигает стабильной частоты вращения, данные параметры могут быть сняты.
Генераторы постоянного тока
В большинстве промышленных установок используется переменный ток, однако существует множество устройств, питающихся от постоянного электричества. Этот ток получается путем выпрямления переменного тока или путем использования индукционного генератора, оборудованного коллектором для преобразования электрической энергии. При этом величина напряжения определяется скоростью вращения ротора устройства.
Также можно использовать диодный мост для выпрямления тока.
Устройство и принцип действия
Схема устройства и принцип работы генератора постоянного тока описаны ниже.
В самой простой конструкции электрического генератора можно выделить следующие элементы:
- Пара разнополюсных магнитов (это могут быть как постоянные, так и электромагниты);
- Вращающаяся медная рамка;
- Цилиндрический коллектор;
- Угольные щётки для съёма тока.
Вращающаяся часть генератора называется ротором и устанавливается на якоре, тогда как неподвижный элемент – это статор.
В отличие от моделей, производящих переменный ток, в электрогенераторе обмотки соединяются с полуколцами вместо обычных кольцевых соединений. Полуколца отделены изолирующим материалом и помещены на общий вращающийся цилиндр, который связан с металлической рамкой. Щётки, которые подводят электрическую энергию к внешней цепи, прижимаются к движущимся полуколцам с помощью пружин.
При каждом полуповороте рамки полукольца, прикреплённые к её концам, последовательно меняют своё положение между двумя щётками. Направление тока изменяется дважды за один полный оборот. Коллектор обеспечивает переключения в те моменты, когда происходит смена направления движения зарядов в рамке, благодаря чему одна щётка становится положительной, а другая – отрицательной. Это приводит к образованию электрического тока, который движется в одном направлении.
Таким образом, принцип работы генератора постоянного тока, в котором используется индукция якоря, заключается в его внутреннем выпрямлении с помощью коллектора. Струя тока будет прямой — она не меняет своего направления, хотя по величине изменяется от нуля до пикового значения. Следовательно, частота тока в таком случае составляет половину от частоты оборотов ротора. Такой ток называется пульсирующим.
Чтобы сгладить изменения напряжения от нуля до максимального значения и превратить его в постоянное, якорь генератора делают из большого количества катушек, которые расположены в разных плоскостях. Ротор состоит из анодных пластин, равного количеству катушек, находящихся в цилиндрической форме вокруг валов с коллектором. Это и есть якорь барабанного типа.
На следующем изображении показан электрический генератор с четырёхполюсным якорем в поперечном разрезе.
Классификация
Существует несколько способов классификации электростанций.
По типу возбуждения генерируют устройства с самовозбуждением и с независимым возбуждением обмоток.
Электромагниты, обмотки которых работают на постоянном токе, создают магнитное поле. Устройства, которые получают питание от отдельного источника для создания этого поля, называются генераторами с независимым возбуждением, и их принцип работы будет рассмотрен ниже.
Генераторы переменного тока
Практически все электрогенераторы вырабатывают переменный электрический ток, используя внешние источники энергии: ветер, атомный распад, движение поршня, вызванное сжатием топлива, или поток воды, падающего на лопасти турбины.
Устройство и принцип действия
Основные компоненты генератора переменного тока представлены на схеме ниже. К ним относятся:
- Индуктор, вырабатывающий магнитное поле — электрический магнит с противоположными полюсами;
- Вращающаяся рамка;
- Обмотка, в которой генерируется индукционная электродвижущая сила (ЭДС) за счёт изменения магнитного потока;
- Контактные кольца и токосъёмные щётки, иногда представляющие собой пластины.
В мощных установках якорь выступает в роли статора, а индуктор — ротора.
Якорь генератора выполнен в форме цилиндра с выступами, на которые устанавливаются катушки. Так их соединяют, чтобы на выступах чередовались полюса магнита, количество которых может превышать 12. Чем больше полюсов, тем меньше скорость вращения ротора.
При шести пар полюсов ротору достаточно вращаться со скоростью 500 об./мин, чтобы вырабатывать ток частотой 50 Гц.
Для создания мощных магнитных потоков в якорь монтируется цельнометаллический сердечник, оставляя минимальный зазор между ним и магнитом, который необходим для вращения ротора.
Ротор представляет собой гладкий цилиндр, в наружных паза которого помещена обмотка. Геометрия окончания такова, чтобы индуцированная ЭДС изменялась синусоидально при вращении ротора, в результате чего устройство будет генерировать синусоидальный ток.
Статор — это неподвижный компонент генератора, он выглядит как пустотелый цилиндр с пазами, в которые вписаны обмотки. Для минимизации образования токов Фуко статор изготавливается из стальных листов, между которыми предусмотрены слои диэлектрика.
Внешняя механическая сила вращает ротор. В момент пересечения магнитных линий обмоткой якоря электрический ток индукционируется в обмотке статора. Направление этого тока меняется с каждым оборотом ротора, в результате чего на выходе генератора образуется переменный ток.
Виды: синхронный и асинхронный
Генераторы подразделяются на синхронные и асинхронные.
У синхронного генератора предусмотрены обмотки, которые стабилизируют напряжение между движущимися и статичными узлами. Один из узлов вращается с той же частотой, что и магнитное поле, пересекающее обмотку статора. При запуске ротор создаёт слабое электромагнитное поле, а с увеличением оборотов состояние возбуждения в обмотках усиливается. Полученное напряжение регулирируется автоматически, что позволяет изменять характеристики магнитного поля.
Недостатком асинхронных генераторов является потребность в обслуживании щёточного узла.
Асинхронные генераторы работают в режиме торможения с вращающимся узлом. Ротор в них вращается с некоторым опережением, однако у него сохраняется ориентация, совпадающая с полем статора.
Статор генерирует силовое поле на вспомогательной обмотке, передавая его на ротор, что формирует электродвижущую силу (ЭДС) на обмотке, а полученное напряжение передаётся на блок управления.
Расчет
Актуальные характеристики генераторов постоянного тока производители обычно указывают в паспорте изделия. К основным характеристикам относятся:
- Параметры холостого хода;
- Значения последовательного возбуждения;
- Значения параллельного возбуждения.
Описание этих параметров часто может варьироваться, и нормы погрешности обычно указываются в процентах в сопроводительной документации.
Что касается самодельных генераторов, то приблизительные характеристики можно получать из справочной литературы, а для проверки понадобится измерение некоторых текущих значений.
Источники:
- Л. Д. Рожкова, Л. К. Карнеева, Т. В. Чиркова. Электрооборудование электрических станций и подстанций. Москва: Издательский центр «Академия», 2013.
- Г.Ф. Быстрицкий. Основы энергетики. Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2005.
- Ю.Н. Балаков, М.Ш. Мисриханов, А.В. Шунтов. Проектирование схем электроустановок. Москва: Издательский дом МЭИ, 2009.
Методические разработки к Вашему уроку:
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. Тема 7.1. Генераторы постоянного тока
2 слайд Электрические машины подразделяются по назначению на два основных вида:
1. электрические генераторы
2. электрические двигатели.
Электрические машины постоянного тока предназначены для выработки электрической энергии и преобразуют механическую энергию в электрическую. Для этого необходимо вращать вал генератора с помощью какого-либо двигателя. Например, на тепловозе генератор приводится в движение дизельным двигателем, а на тепловой станции — паровой турбиной.
3 слайд Электродвигатели предназначены для приведения в действие колёсных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и аналогичных механизмов. Они преобразуют электрическую энергию в механическую.
Чтобы электрический двигатель заработал, его необходимо подключить к источнику электрической энергии, то есть включить в электрическую цепь.
Электрические машины постоянного тока
4 слайд Принцип действия любой электрической машины приводит в движение электромагнитные явления и индукцию, возникающую при взаимодействии токоведущих проводников с магнитным полем. Формула: e = B ∙ L ∙ V ∙ sin α.
Эти электротехнические явления актуальны как для генераторов, так и для электродвигателей, поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.
Электрические машины постоянного тока
5 слайд Принцип работы генератора постоянного тока требует, чтобы для получения постоянного направления тока во внешней цепи необходимо был переключить концы рамки к проводам внешней цепи. Роль автоматического переключателя в этом случае выполняет коллектор.
Стальной цилиндр вместе с намотанными витками называется якорем.
6 слайд Если генератор состоит из одной катушки, тогда напряжение на зажимах и, следовательно, ток в цепи будут оставаться постоянными по направлению, однако их величина будет изменяться, что означает, что они могут пульсировать в широких пределах — от нуля до определённого максимального значения и обратно к нулю. Для уменьшения пульсаций токов в цепи на стальной цилиндр навивают несколько катушек, которые смещены одна относительно другой на определённый угол.
