Generatory to maszyny elektryczne, które przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną. Zasada działania generatora elektrycznego opiera się na wykorzystaniu zjawiska indukcja elektromagnetyczna, co przedstawia się następująco. Jeśli w polu magnetycznym magnes trwały przesuń przewodnik tak, aby przekroczył strumień magnetyczny, wówczas w przewodniku pojawi się siła elektromotoryczna (emf), zwana indukcją emf (indukcja od łacińskiego słowa inductio - przewodnictwo, motywacja) lub indukowana emf . Siła elektromotoryczna występuje również wtedy, gdy przewodnik pozostaje nieruchomy, a magnes się porusza. Zjawisko występowania indukowanego emf. w przewodniku nazywa się indukcją elektromagnetyczną. Jeśli przewodnik, w którym indukowany jest emf, jest podłączony do zamkniętego obwód elektryczny, następnie pod wpływem emf. Przez obwód będzie przepływał prąd zwany prądem indukowanym.
Ustalono eksperymentalnie, że wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego występującego w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym wzrasta wraz ze wzrostem indukcji pole magnetyczne, długość przewodnika i prędkość jego ruchu. Indukowane pole elektromagnetyczne występuje tylko wtedy, gdy przewodnik przecina pole magnetyczne. Kiedy przewodnik porusza się wzdłuż pola magnetycznego linie energetyczne e.m.f. nie jest w nim indukowany. Kierunek indukowanego emf a prąd najłatwiej określić na podstawie reguły prawa ręka(ryc. 1): jeśli dłoń prawej ręki jest trzymana w taki sposób, że wchodzą do niej linie pola magnetycznego, jest ona zgięta kciuk wskaże kierunek ruchu przewodnika, wówczas pozostałe wyciągnięte palce wskażą kierunek działania indukowanego emf. oraz kierunek prądu w przewodniku. Linie pola magnetycznego skierowane są od bieguna północnego magnesu na południe.
Ryż. 1. Wyznaczanie kierunku indukowanego emf. zgodnie z regułą prawej dłoni
Mający ogólny pomysł o indukcji elektromagnetycznej rozważ zasadę działania najprostszego generatora (ryc. 2). Przewodnik w postaci ramki wykonanej z drut miedziany zamontowany na osi i umieszczony w polu magnetycznym. Końce ramy mocowane są do dwóch odizolowanych od siebie połówek (semiringów) jednego pierścienia. Płytki stykowe (szczotki) przesuwają się wzdłuż tego pierścienia. Taki pierścień, składający się z izolowanych półpierścieni, nazywany jest komutatorem, a każdy półpierścień nazywany jest płytką komutatora. Szczotki na komutatorze muszą być tak rozmieszczone, aby przy obrocie ramy przesuwały się jednocześnie z jednego półpierścienia na drugi właśnie w tych momentach, gdy siła elektromotoryczna indukowana po obu stronach ramy wynosi zero, czyli gdy rama mija twoje pozycja pozioma.
Ryż. 2. Najprostszy generator DC
Za pomocą kolektora zmienny emf indukowany w ramie jest prostowany, a w obwodzie zewnętrznym wytwarzany jest prąd o stałym kierunku.
Podłączając do płytek stykowych obwód zewnętrzny z elektrycznym przyrządem pomiarowym rejestrującym wartość indukowanego prądu, upewnimy się, że dane urządzenie rzeczywiście jest generatorem prądu stałego.
W dowolnym momencie t emf. E (rys. 3), który występuje po roboczej stronie L ramy, jest przeciwny do kierunku emf występującego po stronie roboczej B. Kierunek emf. po obu stronach ramy można łatwo określić, korzystając z reguły prawej ręki. Siła emf indukowana przez całą ramę jest równa sumie emf powstającej po każdej jej stronie roboczej. Wielkość emf w kadrze stale się zmienia. W momencie, gdy rama pasuje do swojego pozycja pionowa, liczba linii energetycznych przecinanych przez przewodniki w ciągu 1 s będzie największa, a w ramce indukowany będzie maksymalny emf. Kiedy rama przechodzi przez położenie poziome, jej boki robocze przesuwają się wzdłuż linii sił, nie przecinając ich, a siła elektromotoryczna jest równa. nie wywołane. W okresie ruchu strony B ramy do południowego bieguna magnesu (ryc. 3, a, b) prąd w niej jest skierowany w naszą stronę. Prąd ten przepływa przez półpierścień, szczotkę 2, metr do pędzla / i strony A oprawy. Po tej stronie ramy prąd indukowany jest w kierunku od nas. Twój najwyższa wartość e.m.f. w ramie sięga, gdy jej boki znajdują się bezpośrednio pod słupami (ryc. 3, b).
Ryż. 3. Schemat działania generatora prądu stałego
Przy dalszym obrocie ramy emf. maleje w nim i po ćwierć obrotu staje się równy zero (ryc. 3, c). W tym momencie szczotki przesuwają się z jednego półpierścienia na drugi. Tym samym w pierwszej połowie obrotu ramy każdy półpierścień komutatora stykał się tylko z jedną szczotką. Prąd przepływał przez obwód zewnętrzny w jednym kierunku od szczotki 2 do szczotki 1. Będziemy nadal obracać ramę. Siła elektromotoryczna w ramie zaczyna ponownie rosnąć, ponieważ jej strony robocze przetną linie magnetyczne siły. Jednak kierunek emf. jest odwrócony, ponieważ przewodniki przecinają strumień magnetyczny w przeciwnym kierunku. Prąd indukowany w stronie A ramy jest teraz skierowany w naszą stronę. Ale ze względu na to, że rama obraca się wraz z komutatorem, półpierścień podłączony do strony A ramy styka się teraz nie ze szczotką 1, ale ze szczotką 2 (ryc. 3, d) i prądem w tym samym kierunek przechodzi przez obwód zewnętrzny, jak w pierwszej połowie rewolucji. W rezultacie kolektor prostuje prąd, to znaczy zapewnia przepływ prądu indukowanego w obwodzie zewnętrznym w jednym kierunku. Pod koniec ostatniej ćwiartki obrotu (ryc. 3, e) rama powraca do swojego pierwotnego położenia (patrz ryc. 3, a), po czym powtarza się cały proces zmiany prądu w obwodzie.
Zatem między szczotkami 2 i 1 występuje stały emf w kierunku, a prąd przez obwód zewnętrzny zawsze płynie w jednym kierunku - od szczotki 2 do szczotki 1. Chociaż kierunek tego prądu pozostaje stały, zmienia się wielkość, t tj. pulsuje. Ten rodzaj prądu jest praktycznie trudny w użyciu.
Zastanówmy się, jak uzyskać prąd o małym tętnieniu, czyli prąd, którego wartość niewiele zmienia się podczas pracy generatora. Wyobraźmy sobie generator składający się z dwóch zwojów umieszczonych prostopadle do siebie (rys. 4). Początek i koniec każdego zwoju są połączone z komutatorem, składającym się obecnie z czterech płytek komutatora.
Ryc.4. Generator prądu stałego z dwoma zwojami
Kiedy te zwoje obracają się w polu magnetycznym, powstaje w nich emf. Jednak emf indukowany w każdej turze. nie osiągają jednocześnie wartości zerowej i maksymalnej, lecz później jedna po drugiej na czas odpowiadający obrotowi zwojów o ćwierć pełnego obrotu, czyli o 90°. W pozycji pokazanej na ryc. 4 w turze 1 pojawia się maksymalny emf równy Emax. W turze są 2 e. ds. nie jest indukowany, ponieważ jego strony robocze ślizgają się wzdłuż linii pola magnetycznego, nie przecinając ich. Wartości emf zwojów pokazano na ryc. 5. W miarę obracania się zwojów emf tury 1 maleje. Kiedy zwoje obracają się o 1/8 obrotu, siła emf. tura 1 stanie się równa Eminowi. W tym momencie szczotki przesuwają się do drugiej pary płytek kolektorów podłączonej do zwoju 2. Zwój 2 wykonał już 1/8 obrotu, przecina linie pola magnetycznego i indukuje się w nim emf równy tej samej wartości Em. Przy dalszym obrocie zwojów emf. tura 2 wzrasta do najwyższej wartości Emah. W ten sposób szczotki są stale połączone ze zwojami, w których indukowany jest emf o wartości od Emin do Emax.
Ryc.5. Krzywe pulsacyjne siły elektromotorycznej generatora dwuzwojowego
Prąd w obwodzie zewnętrznym generatora powstaje w wyniku działania całkowitego emf. Dlatego płynie w sposób ciągły i tylko w jednym kierunku. Prąd, jak poprzednio, będzie pulsował, ale pulsacja jest znacznie mniejsza niż przy jednym obrocie, ponieważ emf. generator nie spada do zera.
Zwiększając liczbę przewodów (zwojów) generatora i odpowiednio liczbę płytek kolektora, można sprawić, że tętnienia prądu będą bardzo małe, tj. Wartość prądu stanie się prawie stała. Na przykład już przy 20 płytach kolektorowych wahania SEM. generatora nie przekroczy 1% wartości średniej. W obwodzie zewnętrznym uzyskujemy prąd o prawie stałej wielkości.
Jednocześnie łatwo zauważyć, że generator pokazany na rys. 4 ma również bardzo istotną wadę. W dowolnym momencie obwód zewnętrzny jest podłączony za pomocą szczotek tylko do jednego zwoju generatora. Drugi zakręt w tym samym czasie w ogóle nie jest używany. Siła elektromotoryczna indukowana w jednym zwoju jest bardzo mała, co oznacza, że moc generatora będzie mała.
W celu ciągłego wykorzystania wszystkich zwojów są one połączone szeregowo. W tym samym celu liczbę płytek kolektorowych zmniejsza się do liczby zwojów uzwojenia. Do każdej płyty kolektora podłączony jest koniec jednego i początek kolejnego zwoju uzwojenia. Zwoje w tym przypadku są źródłami połączonymi szeregowo prąd elektryczny i tworzą uzwojenie twornika generatora. Teraz siła elektromotoryczna generatora jest równa sumie emf indukowanej w zwojach połączonych między szczotkami. Oprócz serii istnieją inne schematy łączenia zwojów uzwojenia. Liczba zwojów jest wystarczająco duża, aby uzyskać wymaganą kwotę e.m.f. generator Dlatego otrzymuje się kolektory elektrycznych maszyn lokomotyw spalinowych duża liczba talerze
Zatem dzięki dużej liczbie zwojów uzwojenia możliwe jest nie tylko wygładzenie tętnień napięcia i prądu, ale także zwiększenie wartości emf indukowanego przez generator.
Powyżej rozważaliśmy generator elektryczny składający się z magnesów trwałych i jednego lub więcej zwojów, w których powstaje prąd. Ze względów praktycznych takie generatory są nieodpowiednie, ponieważ nie można z nich uzyskać dużej mocy. Wyjaśnia to fakt, że strumień magnetyczny wytwarzany przez magnes trwały jest bardzo mały. Ponadto przestrzeń między biegunami stwarza znaczny opór dla strumienia magnetycznego. Strumień magnetyczny słabnie jeszcze bardziej. Dlatego w potężne generatory, do których zaliczają się lokomotywy spalinowe, wykorzystują elektromagnesy, które wytwarzają silny strumień wzbudzenia magnetycznego (ryc. 6). Aby zmniejszyć opór magnetyczny obwodu magnetycznego generatora, zwoje uzwojenia umieszczono na stalowym cylindrze, który wypełnia prawie całą przestrzeń między biegunami.
Ten cylinder z uzwojeniem i umieszczonym na nim kolektorem nazywany jest twornikiem generatora.
Ryż. 6. Obwód generatora z układ elektromagnetyczny wzbudzenie i masywna kotwa stalowa
Uzwojenie wzbudzenia generatora znajduje się na rdzeniach głównych biegunów. Kiedy przepływa przez niego prąd, powstaje pole magnetyczne, zwane polem głównych biegunów. Gdy obwód zewnętrzny generatora jest otwarty, linie siły magnetycznej znajdują się w biegunach i tworniku symetrycznie do osi pionowej (ryc. 7, a). Aby zrozumieć cechy operacyjne maszyny elektrycznej, wprowadzamy pojęcia neutralnych geometrycznych i fizycznych.
Neutralny geometryczny to linia poprowadzona przez środek twornika prostopadle do osi przeciwległych biegunów ( linia pozioma 01-01). Fizyczny neutralny to linia warunkowa oddzielająca strefy wpływu bieguna północnego i południowego na uzwojenie twornika i biegnąca prostopadle do kierunku strumienia magnetycznego maszyny elektrycznej.
W przewodzie uzwojenia, który przechodzi przez fizyczny przewód neutralny, gdy twornik się obraca, emf. nie jest indukowany, ponieważ taki przewodnik ślizga się wzdłuż linii sił magnetycznych, nie przecinając ich. W przypadku braku prądu w tworniku (patrz ryc. 7, a) fizyczny neutralny n-n pokrywa się z geometrycznym neutralnym.
Ryc.7. Reakcja kotwicy.
a jest strumieniem magnetycznym głównych biegunów; b - strumień magnetyczny wytwarzany przez uzwojenie twornika; c jest całkowitym strumieniem magnetycznym obciążonego generatora
Kiedy obwód zewnętrzny maszyny elektrycznej jest zamknięty, prąd przepływa przez uzwojenie twornika. Cała twornik w tym przypadku będzie potężnym elektromagnesem, składającym się ze stalowego rdzenia i uzwojenia, przez które przepływa prąd. W rezultacie oprócz strumienia biegunowego w obciążonym generatorze występuje drugi strumień magnetyczny, zwany strumieniem twornika (ryc. 7, b). Strumień magnetyczny twornika jest skierowany prostopadle do strumienia głównych biegunów. Oba strumienie magnetyczne nakładają się na siebie i tworzą całkowite lub wypadkowe pole pokazane na ryc. 7, c. Kierunek pola magnetycznego generatora w wyniku działania pola twornika przesuwa się w kierunku obrotu twornika. Fizyczny neutralny również przesuwa się w tym samym kierunku, który w tym przypadku zajmuje pozycję n1-n1.
Wpływ pola magnetycznego twornika na pole biegunów nazywa się reakcją twornika. Reakcja twornika negatywnie wpływa na działanie generatora. Pędzle M-M elektryczny maszyny muszą być zawsze instalowane w kierunku fizycznego punktu neutralnego. Dlatego konieczne jest przesunięcie szczotek generatora względem geometrycznego punktu neutralnego o pewien kąt P (ryc. 7, c), ponieważ w przeciwnym razie pomiędzy szczotkami a komutatorem wystąpi silne iskrzenie. Iskrzenie powoduje przypalenie powierzchni komutatora i szczotek oraz ich unieruchomienie. Im większy prąd twornika, tym silniejsza reakcja twornika, tym większy kąt należy przesunąć szczotki. Przy częstych zmianach obciążenia generatora lokomotywy spalinowej konieczna byłaby niemal ciągła zmiana położenia jego szczotek.
Reakcja twornika nie tylko przesuwa pole magnetyczne głównych biegunów, ale także częściowo je osłabia, co prowadzi do zmniejszenia emisji indukowanej przez generator. ds.
Aby osłabić reakcję twornika w generatorach, między biegunami głównymi instaluje się dodatkowe bieguny, a czasami w tym samym celu umieszcza się uzwojenie kompensacyjne w nabiegunnikach biegunów głównych. Dodatkowe bieguny wytwarzają dodatkowe pole magnetyczne, które w miejscach montażu szczotek jest kierowane w stronę pola twornika, w wyniku czego jego działanie zostaje zneutralizowane (rys. 8).
Ryż. 8. Obwód generatora z dodatkowymi biegunami
Jednak nie ogranicza się to do pozytywny wpływ dodatkowe bieguny do pracy generatora. Po przejściu przez przewód neutralny generatora kierunek prądu w każdym zwoju uzwojenia (patrz ryc. 7) bardzo szybko zmienia się na przeciwny. W położeniu neutralnym cewka jest zwierana przez szczotki. Taki zwrot nazywa się dojazdem do pracy (komutacja od łacińskiego słowa commutatio – zmiana, zmiana). W zwojach komutacyjnych (odcinkach) uzwojenia twornika z powodu bardzo szybka zmiana kierunku prądu powstaje dość duży emf. samoindukcja i wzajemna indukcja, zwana reaktywnym emf. To e.m.f. w sekcjach przełączających jest wzmacniane przez działanie strumienia magnetycznego twornika, przez który przecinają się. Działanie reaktywnego emf. powoduje silne iskrzenie szczotek. Dodatkowe bieguny są zaprojektowane tak, aby ich strumień magnetyczny był nieco większy niż strumień magnetyczny twornika. Z tego powodu w sekcjach przełączających indukowany jest dodatkowy emf. Nowy e.m.f. ma kierunek przeciwny do reaktywnego emf i gasi go, zapobiegając intensywnemu iskrzeniu.
Pole magnetyczne twornika zmienia się wraz z obciążeniem (prądem) generatora, dlatego aby je zneutralizować, konieczna jest zmiana pola urządzenia kompensacyjne. Dodatkowe uzwojenie biegunowe jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika i przez nie przepływa cały prąd twornika. Wraz ze wzrostem prądu generatora wzrasta strumień magnetyczny twornika, ale jednocześnie wzrasta również kompensacyjny strumień magnetyczny dodatkowych biegunów.
Uzwojenie kompensacyjne umożliwia dalszą poprawę rozkładu strumienia magnetycznego w maszynie elektrycznej. Zatem z rys. 7 łatwo zauważyć, że w wyniku działania reakcji twornika strumień magnetyczny biegunów głównych staje się nierównomierny - po jednej stronie bieguna nasila się, a po drugiej słabnie. Prowadzi to do nierównomiernego obciążenia uzwojenia twornika, niektóre zwoje zostaną przeciążone, a warunki pracy szczotek pogorszą się.
Dzięki uzwojeniu kompensacyjnemu umieszczonemu na biegunach głównych eliminowane jest zniekształcenie strumienia magnetycznego bezpośrednio pod biegunami głównymi. Jednak jednoczesne zastosowanie dodatkowych biegunów i uzwojenia kompensacyjnego znacznie komplikuje konstrukcję maszyn elektrycznych. Jeśli możliwe jest osiągnięcie zadowalającej pracy maszyny elektrycznej poprzez zastosowanie dodatkowych biegunów, wówczas starają się nie stosować uzwojenia kompensacyjnego. Znaleziono uzwojenia kompensacyjne praktyczne zastosowanie tylko w potężnych maszynach elektrycznych.
Poniższe rysunki przedstawiają generator G-21 przy 12 V, 0,22 kW, 1450 -7000 obr./min.
zapoznaj się z urządzeniem, zasada działania, główne tryby pracy generatora prądu stałego z niezależnym wzbudzeniem;
nabyć praktyczne umiejętności uruchamiania, obsługi i zatrzymywania generatora prądu stałego;
eksperymentalnie potwierdzić informacje teoretyczne o charakterystyce generatora prądu stałego.
Podstawowe zasady teoretyczne
Maszyny elektryczne prądu stałego mogą pracować zarówno w trybie generatora, jak i w trybie silnika, tj. mają właściwość odwracalności.
Generator prądu stałego - to jest elektryczne maszyna przeznaczona do przetwarzania energii mechanicznej na energię elektryczną prądu stałego.
Silnik prądu stałego-maszyna elektryczna przeznaczona do przetwarzania energii elektrycznej prądu stałego na energię mechaniczną.
Ogólny widok maszyny elektrycznej prądu stałego pokazano na ryc. 1.
Projekt maszyny elektrycznej prądu stałego
Jak każda inna maszyna elektryczna, maszyna prądu stałego składa się z części stacjonarnej - stojan i część obrotowa - wirnik 1 pełniący tę funkcję kotwice, ponieważ w jego uzwojeniach indukuje się pole elektromagnetyczne.
W stojanie maszyny znajduje się uzwojenie wzbudzenia, które wytwarza niezbędny strumień magnetyczny F. Stojan składa się z cylindrycznej ramy 2 (odlew stalowy, rura stalowa lub spawana blacha stalowa), do których przymocowane są główne 3 i dodatkowe 4 bieguny z uzwojeniami wzbudzonymi. Końce stojana osłonięte są tarczami łożyskowymi 5. Wciskane są w nie łożyska i wzmacniane jest poprzecznica szczotki ze szczotkami 6.
Twornik składa się z cylindrycznego pakietu (wykonanego z lakierowanych arkuszy stali elektrotechnicznej w celu tłumienia prądów wirowych). Uzwojenie podłączone do kolektor 7; wszystko to jest przymocowane do wału twornika.
Zasada działania
Najprostszy samochód elektryczny można przedstawić jako cewkę obracającą się w polu magnetycznym (ryc. 2, A,B). Końce cewki wyprowadzone są na dwie płyty kolektorowe. Szczotki stałe dociskane są do płytek komutatora, do których podłączony jest obwód zewnętrzny.
Zasada działania maszyny elektrycznej opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Rozważmy zasadę działania maszyny elektrycznej w trybie generatora. Pozwól, aby cewka została wprawiona w ruch obrotowy za pomocą zewnętrznego silnika napędowego (PD). Cewka przechodzi przez pole magnetyczne i zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej indukuje się w niej zmienny emf , którego kierunek wyznacza reguła prawej ręki. Jeśli obwód zewnętrzny zostanie zamknięty, wówczas przepłynie przez niego prąd skierowany od dolnej szczotki do odbiornika i od niego do górnej szczotki. Dolna szczotka okazuje się być zaciskiem dodatnim generatora, a górna szczotka okazuje się być zaciskiem ujemnym. Kiedy zwój zostanie obrócony o 180 0, przewody ze strefy jednego bieguna przesuwają się do strefy drugiego bieguna i kierunek pola elektromagnetycznego w nich zmienia się na przeciwny. Jednocześnie górna płytka komutatora styka się z dolną szczotką, a dolna płytka styka się z górną szczotką, kierunek prądu w obwodzie zewnętrznym nie zmienia się; W ten sposób płyty kolektorów nie tylko zapewniają połączenie pomiędzy wirującą cewką a obwodem zewnętrznym, ale także pełnią funkcję urządzenia przełączającego, tj. są najprostszym prostownikiem mechanicznym.
Aby zmniejszyć tętnienia w generatorze prądu stałego, zamiast jednej cewki na obwodzie twornika, umieszcza się kilka równomiernie rozmieszczonych uzwojeń, które tworzą uzwojenie twornika i są połączone w celu zmiany polaryzacji SEM w kolektor składający się z większej liczby segmenty. Dlatego pole elektromagnetyczne w obwodzie między zaciskami szczotkowymi nie pulsuje już tak mocno, tj. okazuje się prawie stały.
Dla tego stałego pola elektromagnetycznego obowiązuje następujące wyrażenie:
mi=Z 1 Фn,
Gdzie Z 1 - współczynnik zależny od elementów konstrukcyjnych twornika i liczby biegunów maszyny elektrycznej; F- strumień magnetyczny; N- częstotliwość obrotu twornika.
Gdy maszyna pracuje w trybie generatora, prąd przepływa przez zamknięty obwód zewnętrzny i zwój uzwojenia twornika ja = I I, którego kierunek pokrywa się z kierunkiem pola elektromagnetycznego (patrz ryc. 2, B). Zgodnie z prawem Ampera, oddziaływanie prądu I i pole magnetyczne W tworzy siłę F, który jest skierowany prostopadle W I I. Kierunek siły F określa reguła lewej ręki: siła działa na górny przewód po lewej stronie, na dolny przewód - po prawej stronie. Ta para sił wytwarza moment obrotowy M wr, skierowany w tym przypadku przeciwnie do ruchu wskazówek zegara i równy
M=Z 2 FI I.
Moment ten przeciwdziała momentowi napędowemu, tj. jest momentem hamowania.
Prąd twornika I I powoduje opór w uzwojeniu twornika R I spadek napięcia R I I I , więc pod obciążeniem napięcie U na przewodach szczotek jest mniej niż Pole elektromagnetyczne, mianowicie
U = mi – R I I I.
§ 105. URZĄDZENIE GENERATORA PRĄDU STAŁEGO
Część stacjonarna w maszynach prądu stałego ma charakter indukcyjny, tj. wytwarza pole magnetyczne, a część wirująca jest indukowana (twornik).
Stacjonarna część maszyny (ryc. 134, a) składa się z głównych biegunów 1, dodatkowych biegunów 2 i ramy 3. Główny biegun (ryc. 134, b) to elektromagnes wytwarzający strumień magnetyczny. Składa się z rdzenia 4, uzwojenia wzbudzenia 7 i nabiegunnika 8. Bieguny mocowane są do ramy 6 za pomocą śruby 5. Rdzeń bieguna jest odlany ze stali i ma przekrój owalny. Rdzeń bieguna jest oznaczony cewką wzbudzenia nawiniętą z izolowanego drutu miedzianego. Cewki wszystkich biegunów są połączone szeregowo, tworząc uzwojenie wzbudzenia. Prąd przepływający przez uzwojenie wzbudzenia wytwarza strumień magnetyczny. Nabiegunnik utrzymuje uzwojenie wzbudzenia na biegunie i zapewnia równomierne rozłożenie pola magnetycznego pod biegunem. Nabiegunnik jest ukształtowany w taki sposób, że szczelina powietrzna pomiędzy biegunami a twornikiem jest taka sama na całej długości łuku biegunowego. Dodatkowe bieguny mają również rdzeń i uzwojenie.
Dodatkowe słupy są instalowane w punktach środkowych między głównymi słupami, a ich liczba może być dowolna równa liczba główne bieguny lub o połowę mniej. W maszynach dużej mocy montowane są dodatkowe słupy, które służą zapobieganiu iskrzenia pod szczotkami. W maszynach małej mocy zwykle nie ma dodatkowych biegunów.
Rama jest odlana ze stali i stanowi szkielet maszyny. Do ramy przymocowane są słupy główne i dodatkowe, a także osłony boczne z łożyskami utrzymującymi wał maszyny po bokach końcowych. Za pomocą ramy maszyna jest montowana na fundamencie.
Obrotowa część maszyny (twornica) (ryc. 135, a) składa się z rdzenia 1, uzwojenia 2 i kolektora 3. Rdzeń twornika jest cylindrem złożonym z blach stali elektrycznej. Arkusze są izolowane od siebie lakierem lub papierem, aby zmniejszyć straty prądów wirowych. Blachy stalowe tłoczone są na maszynach według szablonu; mają rowki, w których ułożone są przewody uzwojenia twornika. W korpusie twornika wykonane są kanały powietrzne w celu chłodzenia uzwojenia i rdzenia twornika.
Uzwojenie twornika wykonane jest z miedzi izolowany przewód lub z prętów miedzianych o przekroju prostokątnym. Składa się z sekcji wykonanych na specjalnych szablonach i umieszczonych w rowkach rdzenia twornika. Sekcja jednozwojowa składa się z dwóch aktywnych przewodów połączonych ze sobą.
Sekcje mogą mieć nie jeden, ale wiele zwojów. Takie sekcje nazywane są wieloobrotowymi. Uzwojenie jest starannie odizolowane od rdzenia i zabezpieczone w rowkach drewnianymi klinami. Połączenia czołowe wzmocnione są stalowymi opaskami. Wszystkie sekcje uzwojenia umieszczone na tworniku są połączone ze sobą szeregowo, tworząc obwód zamknięty. Przewody łączące obie sekcje, ułożone jedna po drugiej według schematu uzwojeń, są podłączone do płyt kolektorowych.
Kolektor to cylinder składający się z pojedynczych płyt. Płyty kolektorów wykonane są z miedzi ciągnionej na zimno i są izolowane pomiędzy sobą oraz od korpusu uszczelkami mikanitowymi. Aby przymocować je do tulei, płytki komutatora są ukształtowane w kształcie jaskółczego ogona, który jest zaciśnięty pomiędzy występem na tulei a podkładką ukształtowaną odpowiednio do kształtu płytki. Podkładka mocowana jest do tulei za pomocą śrub.
Kolektor jest najbardziej złożoną strukturalnie i najbardziej krytyczną częścią maszyny. Powierzchnia komutatora musi być ściśle cylindryczna, aby uniknąć bicia i iskrzenia szczotek.
Aby połączyć uzwojenie twornika z obwodem zewnętrznym, na komutatorze umieszcza się stałe szczotki, które mogą być grafitowe, węglowo-grafitowe lub brązowo-grafitowe. W maszynach wysokiego napięcia stosuje się szczotki grafitowe, które charakteryzują się dużą rezystancją styku szczotki z komutatorem. niskie napięcie- pędzle brązowo-grafitowe. Pędzle umieszcza się w specjalnych uchwytach na szczotki (ryc. 135, b). Szczotka 4, umieszczona w klatce obsady szczotek, dociskana jest sprężyną 5 do komutatora. Każdy uchwyt szczotek może zawierać kilka szczotek połączonych równolegle.
Uchwyty szczotek mocowane są na śrubach szczotkowych, które z kolei mocowane są do trawersu. Uchwyt szczotki posiada otwór umożliwiający przymocowanie jej do trzpienia szczotki.
Palce szczotki odizolowane są od trawersu za pomocą podkładek izolacyjnych i tulejek. Liczba uchwytów szczotek jest zwykle równa liczbie biegunów.
Trawers jest montowany na tarczy łożyska w małych i średnia moc lub przymocowane do ramy w maszynach dużej mocy. Trawers można obracać i tym samym zmieniać położenie szczotek względem biegunów.
Zazwyczaj trawers jest montowany w pozycji, w której położenie szczotek w przestrzeni pokrywa się z położeniem środków głównych słupów.
Spójrzmy zasada działania generatora prądu stałego, poznajmy go cechy konstrukcyjne i zasada działania.
Działa w oparciu o prawo indukcji elektromagnetycznej. Zgodnie z tym prawem w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym i przekraczającym strumień magnetyczny indukuje się siła emf.
Obwód magnetyczny, przez który strumień magnetyczny jest zamknięty, jest jednym z głównych części generatora DC.
Magnetyczny Obwód generatora prądu stałego(pokazany na rysunku 1) składa się z części nieruchomej – stojana (1) i części obrotowej – wirnika (4).
Stojan to stalowy korpus, do którego przymocowane są inne części maszyny, w tym bieguny magnetyczne(2). Na biegunach magnetycznych zamontowane jest uzwojenie wzbudzenia (3), które zasilane jest prądem stałym i wytwarza główny strumień magnetyczny Ф0.
Obwód magnetyczny czterobiegunowego generatora prądu stałego.
Arkusze, z których montowany jest obwód magnetyczny wirnika: a - z otwartymi rowkami, b - z półzamkniętymi rowkami
Wirnik maszyny jest montowany z tłoczonego blachy stalowe z rowkami na obwodzie oraz z otworami na cholewkę i wentylacją. Uzwojenie robocze generatora prądu stałego włożyć w rowki wirnika (5 na zdjęciu 1). Uzwojenie to jest indukowane przez siłę emf głównego strumienia magnetycznego. Uzwojenie nazywane jest także uzwojeniem twornika, tzw Wirnik generatora prądu stałego zwykle nazywana kotwicą.
Oznaczający generator emf DC może się zmienić, ale jego polaryzacja pozostaje stała. Zasada działania generatora prądu stałego pokazana jest na rysunku 3.
Strumień magnetyczny wytwarzany jest przez bieguny magnesu trwałego. Załóżmy, że uzwojenie twornika składa się z jednego zwoju, którego końce są połączone z różnymi izolowanymi od siebie półpierścieniami. Z tych półpierścieni powstaje kolektor, który obraca się wraz ze zwojem uzwojenia twornika. Jednocześnie szczotki stacjonarne poruszają się wzdłuż komutatora.
Kiedy cewka obraca się w polu magnetycznym, indukuje się w niej emf: e = B*l*v
- gdzie B to indukcja magnetyczna, l to długość przewodnika, v to jego prędkość liniowa.
Kiedy płaszczyzna cewki pokrywa się z płaszczyzną linii środkowej biegunów (cewka jest umieszczona pionowo), przewodniki przekraczają maksymalny strumień magnetyczny. W tym momencie indukuje się w nich maksymalne pole elektromagnetyczne. W przypadku, gdy cewka przyjmuje położenie poziome, siła emf w przewodnikach wynosi zero.
W przewodniku kierunek pola elektromagnetycznego określa reguła prawej ręki (na rysunku 3 pokazano to strzałkami). Kiedy podczas obrotu cewki przewodnik przechodzi pod drugim biegunem, kierunek pola elektromagnetycznego w nim zmienia się na przeciwny. Ale ponieważ komutator obraca się wraz z cewką, a szczotki są nieruchome, przewodnik jest zawsze podłączony do górnej szczotki, która znajduje się pod biegunem północnym, którego emf jest skierowany ze szczotki. W rezultacie polaryzacja szczotek pozostaje niezmieniona, a zatem pozostaje niezmieniona w kierunku pola elektromagnetycznego na szczotkach - e (rysunek 4).
Najprostszy generator prądu stałego A.
Zmiana czasu pola elektromagnetycznego najprostszego generatora prądu stałego.
Pomimo tego, że EMF najprostszy generator prądu stałego ma stały kierunek, ale zmienia się pod względem wartości. Ponieważ dla jednego obrotu kolei EMF przyjmuje 2-krotność wartości równej zero i 2-krotność wartości maksymalnej. W przypadku większości odbiorników prądu stałego pole elektromagnetyczne o tak dużym tętnieniu jest nieodpowiednie i, ściśle rzecz biorąc, nie można go nazwać stałym.
Aby zmniejszyć tętnienia, zbudowane jest uzwojenie twornika generatora prądu stałego duża liczba zwojów (cewek), a kolektor zbudowany jest z dużej liczby odizolowanych od siebie płyt kolektorowych.
Aby bardziej szczegółowo rozważyć proces wygładzania pulsacji, weźmy jako przykład uzwojenie twornika pierścieniowego (rysunek 5). Składa się z czterech cewek (1, 2, 3, 4), każda z dwoma zwojami. Twornik porusza się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara z częstotliwością n oraz w przewodach uzwojenia twornika, które znajdują się na poza twornika indukowane jest pole elektromagnetyczne (kierunek ruchu jest oznaczony strzałkami).
Uzwojenie twornika jest obwodem zamkniętym składającym się z zwojów połączonych szeregowo. W tym przypadku uzwojenie twornika względem szczotek reprezentuje dwie równoległe gałęzie. Na rysunku 5a jedno równoległe odgałęzienie składa się z cewki 2, drugie z cewki 4 (w cewkach 1 i 3 nie jest indukowane żadne pole elektromagnetyczne i są one połączone na obu końcach z jedną szczotką). Na rysunku 5b kotwica pokazana jest w pozycji, jaką zajmuje po 1/8 obrotu. W tym położeniu jedna równoległa gałąź uzwojenia twornika składa się z połączonych szeregowo cewek 1 i 2, a druga z połączonych szeregowo cewek 3 i 4.
Schemat najprostszego generatora prądu stałego ze zworą pierścieniową.
Kiedy twornik obraca się względem szczotek, każda cewka ma stałą polaryzację.
Rysunek 6a pokazuje, jak pole elektromagnetyczne cewek zmienia się w czasie, gdy zwora się obraca. Pole elektromagnetyczne na szczotkach jest równe polu elektromagnetycznemu każdej z równoległych gałęzi uzwojenia twornika.
Z rysunku 5 widać, że emf równoległej gałęzi jest równy albo sumie emf dwóch sąsiednich cewek, albo emf jednej cewki:
W rezultacie pulsacje pola elektromagnetycznego uzwojenia twornika są zauważalnie zmniejszone (rysunek 6b). Oznacza to, że zwiększając liczbę zwojów i płytek kolektorowych, można uzyskać prawie stałą siłę elektromotoryczną uzwojenia twornika.
Zmiana czasu pola elektromagnetycznego cewek i uzwojenia twornika pierścieniowego.