На зорі електрифікації генератор постійного струму залишався безальтернативним джерелом електричної енергії. Досить швидко ці альтернатори були витіснені більш досконалими і надійними трифазними генераторами змінного струму. У деяких галузях постійний струм продовжував бути затребуваним, тому пристрої для його генерації удосконалювалися і розвивалися.

Навіть в наш час, коли винайдені потужні випрямні пристрої, актуальність генераторів постійного електроструму не загубилася. Наприклад, вони використовуються для харчування силових ліній на міському електротранспорті, використовуваних трамваями і тролейбусами. Такі генератори як і раніше використовують в техніці електрозв'язку в якості джерел постійного електроструму в низьковольтних ланцюгах.

Пристрій і принцип роботи

В основі дії генератора лежить принцип, що випливає із закону електромагнітної індукції. Якщо між полюсами постійного магніту помістити замкнутий контур, то при обертанні він буде перетинати магнітний потік (див. Рис. 1). Згідно із законом електромагнітної індукції в момент перетину індукується ЕРС. Електрорушійна сила зростає у міру наближення провідника до полюса магніту. Якщо до колектора (два жовтих півкільця на малюнку) під'єднати навантаження R, то через утворену електричний ланцюг потече струм.

Мал. 1. Принцип дії генератора постійного струму

У міру виходу витків рамки із зони дії магнітного потоку ЕРС слабшає і набуває нульове значення в той момент, коли рамка розташується горизонтально. Продовжуючи обертання контуру, його протилежні сторони змінюють магнітну полярність: частина рамки, яка перебувала під північним полюсом, займає положення над південним магнітним полюсом.

Величини ЕРС в кожної активної обмотці контуру визначаються за формулою: e 1 = B lvsinwt; e 2 = -B lvsinwt;, Де B - магнітна індукція, l - довжина сторони рамки, v - лінійна швидкість обертання контуру, t - час, wt - кут, під яким рамка перетинає магнітний потік.

При зміні полюсів змінюється напрямок струму. Але завдяки тому, що колектор повертається синхронно з рамкою, ток на навантаженні завжди направлений в одну сторону. Тобто розглянута модель забезпечує вироблення постійного електрики. Результуюча ЕРС має вигляд: e = 2B lvsinwt, а це значить, що зміна вона підпорядковується синусоїдальним законом.

Строго кажучи, дана конструкція забезпечує тільки полярність нерухомих щіток, але не усуває пульсації ЕРС. Тому графік згенерованого струму має вигляд, як показано на рис.2.

Малюнок 2. Графік струму, виробленого примітивним генератором

Такий струм, за винятком рідкісних випадків, не придатний для використання. Доводиться згладжувати пульсації до прийнятного рівня. Для цього збільшують кількість полюсів постійних магнітів, а замість простої рамки використовують складнішу конструкцію - якір, з великим числом обмоток і відповідною кількістю колекторних пластин (див. Рис. 3). Крім того, обмотки з'єднуються різними способами, про що мова піде нижче.

Мал. 3. Ротор генератора

Якір виготовляється з листової сталі. На сердечниках якоря є пази, в які вкладаються кілька витків дроту, що утворює робочу обмотку ротора. Провідники в пазах з'єднані послідовно й утворюють котушки (секції), які в свою чергу через пластини колектора створюють замкнутий ланцюг.

З точки зору фізики процесу генерації не має значення, які деталі обертаються - обмотки контуру або сам магніт. Тому на практиці якоря для малопотужних генераторів роблять з постійних магнітів, а отриманий змінний струм випрямляють діодними мостами і іншими схемами.

І наостанок: якщо на колектор подати постійну напругу, то генератори постійного струму можуть працювати в режимі синхронних двигунів.

Конструкція двигуна (він же генератор) зрозуміла з рисунка 4. Нерухомий статор складається з двох сердечників полюсів, що складаються з феррімагнітних пластин, і обмоток збудження, з'єднаних послідовно. Щітки розташовані по одній лінії один проти одного. Для охолодження обмоток використовується вентилятор.

Мал. 4. Двигун постійного струму

Класифікація

Розрізняють два види генераторів постійного струму:

  • з незалежним збудженням обмоток;
  • з самозбудженням.

Для самозбудження генераторів використовують електрику, що виробляється самим пристроєм. За принципом з'єднання обмоток якоря самозбудні альтернатори з діляться на типи:

  • пристрою з паралельним збудженням;
  • альтернатори з послідовним збудженням;
  • пристрою змішаного типу (компудние генератори).

Розглянемо більш докладно особливості кожного типу з'єднання якірних обмоток.

З паралельним збудженням

Для забезпечення нормальної роботи електроприладів, потрібна наявність стабільного напруги на затискачах генераторів, що не залежить від зміни загального навантаження. Завдання вирішується шляхом регулювання параметрів збудження. У альтернатори з паралельним збудженням висновки котушки підключені через регулювальний реостат паралельно якірної обмотці.

Реостати порушення можуть замикати обмотку «на себе». Якщо цього не зробити, то при розриві ланцюга збудження, в обмотці різко збільшиться ЕРС самоіндукції, яка може пробити ізоляцію. У стані, відповідному короткого замикання, енергія розсіюється у вигляді тепла, запобігаючи руйнуванню генератора.

Електричні машини з паралельним збудженням не потребують в зовнішньому джерелі живлення. Завдяки наявності залишкового магнетизму завжди присутнього в осерді електромагніту відбувається самозбудження паралельних обмоток. Для збільшення залишкового магнетизму в котушках збудження сердечники електромагнітів роблять з литої сталі.

Процес самозбудження триває до моменту, поки сила струму не досягне своєї граничної величини, а ЕРС не вийде на номінальні показники при оптимальних оборотах обертання якоря.

Гідність: на генератори з паралельним збудженням слабо впливають струми при КЗ.

З незалежним збудженням

В якості джерела живлення для обмоток збудження часто використовують акумулятори або інші зовнішні пристрої. У моделях малопотужних машин використовують постійні магніти, які забезпечують наявність основного магнітного потоку.

На валу потужних генераторів розташований генератор-збудник, що виробляє постійний струм для збудження основних обмоток якоря. Для збудження досить 1 - 3% номінального струму якоря і не залежить від нього. Зміна ЕРС здійснюється регулювальним реостатом.

Перевага незалежного збудження полягає в тому, що на збудливий ток ніяк не впливає напруга на затискачах. А це забезпечує гарні зовнішні характеристики альтернатора.

З послідовним збудженням

Послідовні обмотки виробляють струм, дорівнює току генератора. Оскільки на холостому ході навантаження дорівнює нулю, то і збудження нульове. Це означає, що характеристику холостого ходу неможливо зняти, тобто регулювальні характеристики відсутні.

У генераторах з послідовним збудженням практично відсутній струм, при обертанні ротора на холостих обертах. Для запуску процесу збудження необхідно до затискачів генератора підключити зовнішню навантаження. Така виражена залежність напруги від навантаження є недоліком послідовних обмоток. Такі пристрої можна використовувати тільки для живлення електроприладів з постійним навантаженням.

Зі змішаним збудженням

Корисні властивості поєднують в собі конструкції генераторів із змішаним збудженням. Їх особливості: пристрої мають дві котушки - основну, підключену паралельно обмоток якоря і допоміжну, яка підключена послідовно. У ланцюг паралельної обмотки включений реостат, який використовується для регулювання струму збудження.

Процес самозбудження альтернатора зі змішаним збудженням аналогічний тому, який має генератор з паралельними обмотками (через відсутність початкового струму послідовна обмотка в самозбудженні не бере). Характеристика холостого ходу така ж, як у альтернатора з паралельної обмоткою. Це дозволяє регулювати напруги на затискачах генератора.

Змішане збудження згладжує пульсацію напруги при номінальному навантаженні. У цьому полягає головна перевага таких альтернують перед іншими типами генераторів. Недоліком є ​​складність конструкції, що веде до подорожчання цих пристроїв. Не терплять такі генератори і коротких замикань.

Технічні характеристики генератора постійного струму

Роботу генератора характеризують залежності між основними величинами, які називаються його характеристиками. До основних характеристик можна віднести:

  • залежності між величинами при роботі на холостому ході;
  • характеристики зовнішніх параметрів;
  • регулювальні величини.

Деякі регулювальні характеристики і залежності холостого ходу ми розкрили частково в розділі «Класифікація». Зупинимося коротко на зовнішніх характеристиках, які відповідають роботі генератора в номінальному режимі. Зовнішня характеристика дуже важлива, так як вона показує залежність напруги від навантаження, і знімається при стабільній швидкості обертів якоря.

Зовнішня характеристика генератора постійного струму з незалежним збудженням виглядає наступним чином: це крива, залежно напруги від навантаження (див. Рис. 5). Як видно на графіку падіння напруги спостерігається, але воно не сильно залежить від струму навантаження (при збереженні швидкості обертів двигуна, що обертає якір).

Мал. 5. Зовнішня характеристика ГПТ

У генераторах з паралельним збудженням залежність напруги від навантаження сильніше виражена (див. Рис. 6). Це пов'язано з падінням струму збудження в обмотках. Чим вище навантаження струм, тим стрімкіше буде падати напруга на затискачах генератора. Зокрема, при поступовому падінні опору до рівня КЗ, напруга впаде до нуля. Але різке замикання в ланцюзі викликає зворотну реакцію генератора і може бути згубним для електричної машини цього типу.

Мал. 6. Характеристика ГПТ з паралельним збудженням

Збільшення струму навантаження при послідовному збудженні веде до зростання ЕРС. (Див. Верхню криву на рис. 7). Однак напруга (нижня крива) відстає від ЕРС, оскільки частина енергії витрачається на електричні втрати від присутніх вихрових струмів.

Мал. 7. Зовнішня характеристика генератора з послідовним збудженням

Зверніть увагу на те, що при досягненні свого максимуму напругу, зі збільшенням навантаження, починає різко падати, хоча крива ЕРС продовжує прагнути вгору. Така поведінка є недоліком, що обмежує застосування альтернатора цього типу.

В генераторах із змішаним збудженням передбачені зустрічні включення обох котушок - послідовної і паралельної. Результуюча сила, що намагнічує при згодному включенні дорівнює векторній сумі сил, що намагнічують цих обмоток, а при зустрічному - різниці цих сил.

В процесі плавного збільшення навантаження від моменту холостого ходу до номінального рівня, напруга на затискачах буде практично постійним (крива 2 на рис. 8). Збільшення напруги спостерігається в тому випадку, якщо кількість провідників послідовної обмотки буде перевищувати кількість витків відповідне номінальному порушення якоря (крива 1).

Зміна напруги для випадку з меншим числом витків в послідовній обмотці, зображує крива 3. Зустрічна включення обмоток ілюструє крива 4.

Мал. 8. Зовнішня характеристика ГПТ зі змішаним збудженням

Генератори із зустрічним включенням використовують тоді, коли необхідно обмежити струми КЗ, наприклад, при підключенні зварювальних апаратів.

У нормально збуджених пристроях змішаного типу струм збудження постійний і від навантаження майже не залежить.

реакція якоря

Коли до генератора підключена зовнішня навантаження, то струми в його обмотці утворюють власне магнітне поле. Виникає магнітне опір полів статора і ротора. Результуюче поле сильніше в тих точках, де якір набігає на полюси магніту, і слабкіше там, де він з них збігає. Іншими словами якір реагує на магнітне насичення стали в сердечниках котушок. Інтенсивність реакції якоря залежить від насичення в магнитопроводах. Результатом такої реакції є іскріння щіток на колекторних пластинах.

Знизити реакцію якоря можна шляхом застосування компенсуючих додаткових магнітних полюсів або зрушенням щіток з осьової лінії геометричної нейтрали.

ЕРС

Середнє значення електрорушійної сили пропорційно магнітному потоку, кількості активних провідників в обмотках і частоті обертання якоря. Збільшуючи або зменшуючи вказані параметри можна керувати величиною ЕРС, а значить і напругою. Найпростіше, бажаного результату можна досягти шляхом регулювання частоти обертання якоря.

потужність

Розрізняють повну і корисну потужність генератора. При постійній ЕРС повна потужність пропорційна току: P = EI a. Віддається в ланцюг корисна потужність P 1 = UI.

ККД

Важливою характеристикою альтернатора є його ККД - відношення корисної потужності до повної. Позначимо цю величину символом η e. Тоді: η e = P 1 / P.

На холостому ході η e = 0. максимальне значення ККД - при номінальних навантаженнях. Коефіцієнт корисної дії в потужних генераторах наближається до 90%.

застосування

До недавнього часу використання тягових генераторів постійного струму на ж / д транспорті було безальтернативним. Однак уже почався процес витіснення цих генераторів синхронними трифазними пристроями. Змінний струм, синхронного альтернатора випрямляють за допомогою випрямних напівпровідникових установок.

На деяких російських локомотивах нового покоління вже застосовують асинхронні двигуни, що працюють на змінному струмі.

Схожа ситуація спостерігається з автомобільними генераторами. Альтернатори постійного струму замінюють асинхронними генераторами, з подальшим випрямленням.

Мабуть, тільки пересувні зварювальні апарати з автономним живленням незмінно залишаються в парі з альтернаторамі постійного струму. Чи не відмовилися від застосування потужних генераторів постійного струму також деякі галузі промисловості.

Відео по темі

Категорія: