Реферат на тему генераторы постоянного тока

Обновлено: 08.07.2024

Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.

В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.

Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена заводом-изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Они указываются в каталогах и выбиваются на табличке, прикрепленной к станине машины.

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 5.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолированным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору скользят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором образует вращающуюся часть машины постоянного тока — якорь.

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:

гдеВ — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость перемещения пазовых сторон витка.

Рис. 5.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнитной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверхностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет максимальные значения (рис. 5.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходящей через середину межполисного пространства, магнитная индукция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рассматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=B_maxsin£. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 3.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрицательное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 3.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в нагрузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положительными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Рис. 5.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а — различные положения витка обмотки; б — преобразование переменного тока якоря в постоянный ток внешней цепи; 1 — ток в обмотке якоря; 2 — ток во внешней цепи

Действительно, приa = 90° щетка А соприкасается с коллекторной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В — отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неизменной свою полярность, так как полукольца коллектора также поменялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом N₉ а щетка В — с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внешней цепи не изменяет своего направления (рис. 5.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишь по па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.

Рис. 5.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря:a — схема генератора; б — пульсация тока; 1,2 — ток в обмотках якоря; 3 — ток во внешней цепи

Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря выполнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сердечника витков и увеличить соответственно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердечнике якоря (четырех пазовых сторонах), оси которых смещены относительно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 5.4, а). В этом случае ток во внешней цепи генератора пульсирует с удвоенной частотой, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 5.4, б). Если витков в обмотке якоря от 12 до 16, то ток на выходе генератора практически постоянен.

На рис. 5.5 представлена конструкция генератора постоянного тока.

Рис. 5.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 — крышки; 2 и 12 — шариковые подшипники; 3 и 10 —масленки; 4 — корпус; 5 — соединительный провод; 6 — защитная лента; 7 и 11 — стяжные болты; 8 — щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25— уплотнительные манжеты; 13 — защитный колпачок; 14— отражательная шайба; 15— отрицательная щетка; 17 — щеткодержатель отрицательной щетки; 18— коллектор; 19 — обмотка якоря; 20— конец обмотки возбуждения; 21 — сердечник якоря; 22 — вал якоря; 23 — полюсный сердечник; 24 — катушка обмотки возбуждения; 26— крыльчатка шкива; 27— шкив.

Первый генератор был построен в 1832 г. парижскими техниками братьями Пиксии. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикально оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851 г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851-1867 гг.) создавались генераторы у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами.

При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В.1866-1867 гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.

В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г. А. Пачинотти.

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. Который при езде вырабатовал ток.

Первая динамо-машина была изобретена А. Йедликом в 1827 году. Он сформулировал концепцию динамо на шесть лет раньше, чем она была озвучена Сименсом, но не запатентовал ее.

Динамо-машина или динамо — это устаревшее название генератора, служащего для выработки постоянного электрического тока из механической работы. Динамо-машина была первым электрическим генератором, который стал применяться в промышленности. В дальнейшем ее вытеснили генераторы переменного тока, так как переменный ток легче поддается трансформированию.

Динамо-машина состоит из катушки с проводом, вращающейся в магнитном поле, создаваемом статором. Энергия вращения, согласно закону Фарадея преобразуется в переменный ток, но поскольку первые изобретатели динамо не умели работать с переменным током, то они использовали коммутатор для того, чтобы инвертировать полярность. В результате получался пульсирующий ток постоянной полярности.

Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.

Коммутатор п редназначен для коммутирования тока в первичной обмотке катушки зажигания в соответствии с управляющими импульсами датчика Холла Д-Р.

Магнитоэлектрический датчик Холла получил свое название по имени Э.Холла, американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление. Достоинства этого переключателя - высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки - постоянное потребление энергии

Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны - постоянный магнит. В щель датчика входит стальной цилиндрический экран с прорезями. При вращении экрана, когда его прорези оказываются в щели датчика, магнитный поток воздействует на полупроводник с протекающим по нему током и управляющие импульсы датчика Холла подаются в коммутатор, в котором они преобразуются в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания.

а - нет магнитного поля, по полупроводнику протекает ток питания - АВ;

б - под действием магнитного поля - Н появляется ЭДС Холла - ЕF;

в - датчик Холла

Проверку датчика Холла проще всего производить заменой на заведомо исправный, но можно воспользоваться и обыкновенным вольтметром (тестером). У исправного датчика Холла вольтметр, включенный на измерения постоянного напряжения и подключенный к выходу датчика, по мере вращения вала датчика-распределителя должен резко менять показания от примерно 0,4 В до величины, не более чем на 3 В отличающейся от напряжения питания.

Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы или другой подобной проводящей среды (например, жидкого электролита) без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на его выходе получаются высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом, повысить общий КПД МГТ генератор является обратимым устройством, то есть может быть использован и как двигатель.

Генератор переменного тока является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году.

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции.

В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой — подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение. Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) – ротор, его важнейшую вращающуюся часть. Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении. При этом остаточный магнитный поток в генераторе, т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки. Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения после включения выключателя зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы — обычно 2. 3 Вт.

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы.

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.

1. Генератор независимого возбуждения . В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения, не зависит от тока якоря, который равен току нагрузки . Обычно ток возбуждения невелик .

2. Генератор с самовозбуждением. Генератор с самовозбуждением представляет собой резонансный усилитель с цепью обратной связи, по которой часть напряжения выходных колебаний подается обратно ко входу — на управляющую сетку. Принцип самовозбуждения состоит в следующем. Если к лампе усилителя приложить управляющее напряжение, то в анодном контуре возникнут усиленные колебания.

3. Генераторы последовательного возбуждения . У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря .

4. Генераторы смешанного возбуждения. В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки.

5. Генератор параллельного возбуждения. У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения oт постороннего источника. Так как обмотка воз¬буждения подключена к якорю, то ЭДС создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения.

Автомобильный генератор — устройство, обеспечивающее преобразование механической энергии вращения, двигателя автомобиля в электрическую. Автомобильный генератор используется для зарядки аккумуляторной батареи автомобиля, а также для питания штатных электропотребителей таких как бортовой компьютер, габаритные огни и другие. К автомобильным генераторам предъявляют высокие требования по надежности, так как генератор обеспечивает бесперебойную работу большинства компонентов современного автомобиля.

В современных автомобилях применяются вентильные генераторы. Это синхронные трехфазные электрические машины переменного тока, которые — как отечественные, так и зарубежные — имеют очень похожие конструкции и отличаются, если оставить в стороне качество изготовления, только габаритами, расположением присоединительных мест и отдельных узлов.

Статор автомобильного генератора представляет собой кольцо с 18 обмотками: по 6 на каждую фазу. Каждая обмотка имеет 5 витков.

На валу ротора установлены контактные кольца, на которые с помощью щёток подается напряжение с АКБ. В результате, через обмотку возбуждения ротора начинает протекать ток, который создаёт магнитное поле.

После запуска двигателя ротор приводится во вращение, и вращающееся магнитное поле ротора начинает пересекать обмотки статора, в результате чего в каждой обмотке возникает электродвижущая сила и переменный ток.

С помощью выпрямительного блока переменный ток обмоток статора преобразуется в постоянный. Выпрямительный блок состоит из двух алюминиевых пластин, в которые запрессовано по три диода.

Напряжение, вырабатываемое генератором, в наибольшей степени зависит от частоты вращения ротора и силы тока в обмотках возбуждения.

Для нормальной работы потребителей напряжение, вырабатываемое генератором, должно быть в пределах 13,7 – 14,5 В.

При большой частоте вращения коленчатого вала напряжение, вырабатываемое генератором, растёт. Для того чтобы выдаваемое генератором напряжение удерживалось в пределах 13,7 – 14,5 В, используются реле-регуляторы напряжения. Если напряжение превышает допустимые 14,5 В, реле-регулятор прерывает цепь обмотки возбуждения ротора и ток через обмотку возбуждения не идёт. В результате, напряжение, выдаваемое генератором начинает падать, и когда оно вновь попадает в интервал 13,7 – 14,5 В, подача тока в обмотку возбуждения ротора возобновляется.

Корпус (5) и передняя крышка генератора (2) служат опорами для подшипников (9 и 10), в которых вращается якорь (4). На обмотку возбуждения якоря напряжение от аккумулятора подается через щетки (7) и контактные кольца (11). Якорь приводится в движение посредством клинового ремня через шкив (1). При запуске двигателя, как только якорь начинает вращаться, создаваемое им электромагнитное поле индуцирует переменный электрический ток в обмотке статора (3). В выпрямительном блоке (6) этот ток становится постоянным. Далее ток через совмещенный с выпрямительным блоком регулятор напряжения поступает в электросеть автомобиля для питания системы зажигания, освещения и сигнализации, контрольно-измерительных приборов и др. Аккумуляторная батарея подключится к числу этих приборов и начнет подзаряжаться чуть позднее, как только электроэнергии, вырабатываемой генераторной установкой, станет достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование всех потребителей.

Содержание работы

Содержимое работы - 1 файл

Генератор постоянного тока.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Студент группы СТЭ – 07 – 2: Кормин А.Н.

Проверил: Тишинский И.В.

Общие сведения…….…….…….………………………..…… …………4
Принцип работы генераторов постоянного тока………………………6
Заряд аккомулятора……………………………………………… ………8
Реле обратного тока………………………………………………………10
регуляторы напряжения…………………………………………………. 12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…….…….…….…….…….…….…… .….…….………..15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…….…….…….…….…….…….…… …. ….17

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.

Общие сведения

Генератор тока — идеализированный источник питания, который создаёт ток I = Ik, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён, а его ЭДС E и внутреннее сопротивление RB равны бесконечности. Отношение двух бесконечно больших величин E / RB равно конечной величине — Ik.

На рисунке 1 представлена схема источника тока с током Ik = E / RB и параллельно с ним включенным сопротивлением RB (стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника тока).

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий.

Хотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока широко используются в различных промышленных, транспортных и других установках (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и т. д.). В этих случаях генераторы постоянного тока обычно приводятся во вращение электродвигателями переменного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения.

(Различаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением, в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. Генераторы последнего типа изготовляются только на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы с электромагнитным возбуждением.

В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.

Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3—5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая — к машинам мощностью около 1 кет.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на:

1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые;

2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные;

3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные.

Принцип работы генераторов постоянного тока

Машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами.

Простейший генератор постоянного тока (рис. 3) представляет собой помещенную между полюсами магнита рамку из проводника, концы которого присоединены к изолированным полукольцам, называемым пластинами коллектора. К полукольцам (коллектору) прижимаются положительная и отрицательная щетки, которые замыкаются внешней цепью через электрическую лампочку. Для работы генератора рамку проводника с коллектором необходимо вращать. В соответствии с правилом правой руки при вращении рамки проводника с коллектором в ней будет индуктироваться электрический ток, изменяющий свое направление через каждые пол-оборота, так как магнитные силовые линии каждой стороной рамки будут пересекаться то о одном, то в другом направлении. Вместе с этим через каждые пол-оборота изменяется контакт концов проводника рамки и полуколец коллектора со щетками генератора. Во внешнюю цепь ток будет идти в одном направлении,

изменяясь только по величине от 0 до максимума. Таким образом, коллектор в генераторе служит для выпрямления переменного тока, вырабатываемого рамкой. Для того чтобы электрический ток был постоянным не только по направлению, но и по величине, (по величине — приблизительно постоянным), коллектор делают из многих (36 и более) пластин, а проводник представляет собой много рамок или секций, выполненных в виде обмотки якоря.

Рис. 3. Схема простейшего генератора постоянного тока: 1 — полукольцо или коллекторная пластина; I — рама проводника; 3 — щетка генератора.

Заряд аккомулятора

В современных системах автономного электроснабжения применяются в основном кислотные необслуживаемые аккумуляторы с длительным сроком службы, собранные по технологии AGM. Также применяются гелевые аккумуляторы, но они немного более дороги. Применение аккумуляторов автомобильного типа неоправдано из-за короткого срока службы, сульфатации при недостаточном заряде и расслоении электролита при хроническом недозаряде. Возможно применение автомобильного типа аккумуляторов только совместно с контроллером, который обеспечивает "эквализацию", при избытке солнечных батарей (чтобы обеспечить максимум заряда), при этом надо обратить внимание, на конструкцию аккумуляторов: сплав свинца, олова и кальция должен быть и на положительном и на отрицательном электроде, кроме этого аккумулятор должен быть необслуживаемым и, желательно, герметичным.

При подключении генератора к аккумулятору следует строго соблюдать полярность. Для повышения зарядного тока напряжение генератора должно быть немного выше напряжения аккумулятора. Такая задача была бы достаточно простой для инженера-электрика, если бы напряжение аккумуляторе оставалось постоянным. В действительности оно может меняться от 12 В при разряженном аккумуляторе до 16 В при полностью заряженном.

Если поддерживать на выходе генератора постоянное напряжение, тогда при заряде полностью разряженного аккумулятора с выхода генератора пойдет слишком большой ток, который сожжет обмотки якоря. Поэтому регулятор напряжения, работающий совместно с генератором, должен включать в себя механизм компенсации, чувствительный к нагрузке, потребляемой аккумулятором и электрооборудованием автомобиля.

Если во время работы генератора его напряжение упадет ниже напряжения аккумулятора, то ток из аккумулятора пойдет в генератор и последний превратится в электродвигатель. Для того, чтобы этого не происходило, в цепь заряда должно быть включено устройство, прерывающее цепь по мере необходимости. Обычно таким устройством является реле обратного тока.

Реле обратного тока.

Назначение реле — включать цепь заряда, когда напряжение генератора выше напряжения аккумулятора, т.е. превышает 13 В, и отключать эту цепь в противном случае. Катушка реле подключена одним концом к выходной клемме генератора, а вторым — к массе. Катушка рассчитана таким образом, что при достижении определенного уровня напряжения на выходе генератора она образует магнитное поле, достаточное для притяжения стальной пластинки (якоря) с контактами. Заметьте, что при не работающем двигателе и включенном зажигании сигнальная лампочка будет гореть. При разгоне двигателя до оборотов, при которых напряжение не выходе генератора достигает напряжения аккумулятора, сигнальная лампочка гаснет. Катушка реле обратного тока притягивает якорь и его контакты включают цепь, соединяющую генератор с аккумулятором, и закорачивают сигнальную лампочку.

При опускании якоря реле замыкаются контакты, соединяющие выход генератора с аккумулятором. При уменьшении оборотов двигателя напряжение на выходе генератора снижается до уровня, когда магнитное поле катушки реле не в состоянии, противостоять усилию возвратной пружины якоря, тогда якорь поднимается и разрывает контакты.

Реле обратного тока, катушка которого имеет две обмотки. Основная, параллельная обмотка катушки выполнена из нескольких сотен витком эмалированного медного провода. Эта обмотка создает основное магнитное поле катушки. вторая обмотка содержит несколько витков толстого медного провода и включена последовательно в цепь заряда аккумулятора. Она пропускает через себя весь зарядный ток. При замкнутых контактах большой зарядный ток, протекающий через последовательную обмотку, создает в катушке дополнительное магнитное поле, которое помогает полю, образованному последовательной обмоткой, надежно прижать контакты, пропускающие зарядный ток. Если напряжение генератора опускается ниже напряжения аккумулятора, например, на холостом ходу, ток в последовательной катушке меняет направление, т.е. начинает течь от аккумуляторе к генератору. В этом случае последовательная обмотка создает магнитное поле, противоположное основной катушке, и тем самым помогает возвратной пружине быстро и надежно разомкнуть контакты реле.

Обратите внимание на пластинчатую пружину с винтом регулировки напряжения включения реле. Обычно эта пружина состоит из двух склепанных между собой полосок металла, имеющих различный коэффициент теплового расширения. При нагревании такая пружина будет изгибаться. По мере роста температуры в моторном отделении сопротивление параллельной обмотки растет и для притяжения якоря потребуется большее напряжение на выходе генератора. Биметаллическая пружина в этом случае играет роль компенсатора: она изгибается и уменьшает свое противодействие притяжению якоря реле. Таким обрезом, замыкание и размыкание контактов происходит практически при неизменном напряжении.

Регулятор напряжения

Если напряжение генератора возрастает до слишком высоко уровня, регулятор включает между выходом генератора и обмоткой возбуждения дополнительное сопротивление. При этом магнитное поле генератора уменьшается и соответственно снижается напряжение не выходе.

Вращение витка провода в магнитном поле вызывает появление тока. При соединении витка с двумя полукольцами, действующими как коммутатор, ток выпрямляется. Коммутатор или коллектор выполняется в виде пластин, с которыми соприкасаются неподвижные щетки. Для увеличения силы тока на выходе генератора увеличивают число витков провода в обмотке и применяют добавочное магнитное поле. При работе генератора между токосъемными щетками и коллектором появляется искрение, которое можно устранить, расположив щетки таким образом, чтобы они замыкали только соседние пластины коллектора. Широко распространен другой способ улучшения условий коммутации с помощью дополнительных полюсов: полярность дополнительного полюса должна быть такой же, как главного полюса, в сторону которого следовало бы смещать щетки для улучшения условий коммутации. Магнитное поле между полюсами создается обмоткой возбуждения. Сердечник катушки, изготавливаемый из электротехнической стали, сохраняет некоторый остаточный магнетизм, из-за которого может создаться напряжение на нагрузке. Характеристики генераторов постоянного тока зависят от числа и способа подключения обмоток возбуждения.

В зависимости от способа возбуждения различают: генераторы параллельного возбуждения; генераторы последовательного возбуждения; генераторы смешанного возбуждения.

Наибольшее применение нашли генераторы смешанного возбуждения, так как их работа обеспечивает лучшие энергетические характеристики. Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения (рис. 14.1, а). Обмотка параллельного возбуждения изготовляется из провода относительно малого диаметра, имеет сравнительно большое число витков и большое сопротивление. В отличие от нее обмотка последовательного возбуждения изготавливается из провода относительно большего диаметра, имеет небольшое число витков и небольшое сопротивление. Применение обмотки параллельного возбуждения позволяет получить в режиме холостого хода на выходе полное напряжение, которое непрерывно снижается при- увеличении нагрузки потребителя. Применение последовательной обмотки позволяет увеличивать выходное напряжение с ростом нагрузки. Поэтому на выходе генератора можно получить небольшое изменение напряжения на всем диапазоне нагрузок (рис. 14.1, б).

Распределительная система постоянного тока. Выходное напряжение генератора для питания электрооборудования поступает на шины, расположенные позади главных распределительных щитов. Далее электроэнергия поступает через автоматический выключатель к вспомогательным механизмам или к распределительному щиту. Главный распределительный щит — это распределительное устройство, осуществляющее подачу питания к потребителям электроэнергии. Через распределительные щиты осуществляется питание маломощных потребителей, например таких, как освещение. Схема распределительной системы электроэнергии показана на рис. 14.2.

Двухпроводная система питания обеспечивает подачу электроэнергии к каждому отдельному потребителю. Заземляющий провод является единственным электрическим соединением с корпусом судна. В генераторах со смешанным возбуждением третья шина является уравнительным соединением между электрическими машинами.

Рис. 14.1. Генератор смешанного возбуждения:

а — схема соединения обмоток возбуждения; 1 — якорь; 2 — реостат; 3 — обмотка последовательного возбуждения; 4 — автоматический выключатель; 5 — обмотка параллельного возбуждения; б — вольт-амперные характеристики: 1 — напряжение от смешанного возбуждения; 2 — номинальное напряжение; 3— напряжение от обмотки параллельного возбуждения; 4 — напряжение от обмотки последовательного возбуждения; 5 — номинальный ток нагрузки

Рис. 14.2. Схема распределительной системы электроэнергии постоянного тока:

1 — цепи питания неответственных потребителей; 2 — распределительный щит; 3 — групповой распределительный щит; 4 — цепи питания вспомогательных механизмов; 5 — цепи питания грузового оборудования; 6 — шины питания; 7 — автоматический выключатель; 8 — цепи питания навигационного оборудования

Для предотвращения выхода из строя электрооборудования в случае появления больших токов применяются предохранители. После определения причины, вызвавшей перегрузку, для восстановления цепи необходимо заменить предохранитель или возвратить его в исходное состояние. На судах нашли применение предохранители трех типов. Предохранитель первого типа — это полузакрытый, или восстанавливаемый, предохранитель, который имеет набор запасных элементов на случай его выхода из строя. Правильный выбор плавкой вставки определяет нормальную работу электрической цепи. Предохранитель второго типа — это патронный предохранитель, представляющий собой керамический изолятор, внутри которого расположена плавкая вставка. Этот предохранитель не является взаимозаменяемым, и в случае выхода из строя его необходимо заменить новым. Использование таких предохранителей предпочтительнее, так как они имеют более точный диапазон срабатывания. Предохранитель третьего типа — это контакторный прерыватель, представляющий собой изолированный переключатель, который работает как предохранитель. Он имеет две рабочие характеристики: нормальный рабочий режим; перегрузочный рабочий режим.

Прерыватель срабатывает с выдержкой времени для того, чтобы не происходило отключение цепи питания при кратковременных перегрузках по току. Время срабатывания при перегрузке определяет уставка. Прерыватель срабатывает, если его характеристика выходит за пределы допустимых значений. Устройство имеет переключатель режимов автоматическое — ручное управление. Контакторный прерыватель обычно подсоединяется к источнику питания по двухпроводной схеме. Там, где может быть сильное магнитное поле, для уменьшения искажений входного сигнала используют трехпроводную схему с компенсационным проводом. Для поддержания заданной нагрузки в выходной цепи генератора используется приоритетная система, отключающая неответственные потребители при перегрузке. Цель этой системы — уменьшить нагрузку на генератор, чтобы обеспечить безаварийную работу ответственных потребителей, таких как рулевое устройство, навигационные огни и т. п.

Рис. 14.3. Схема соединения ламп с заземленной средней точкой:

1 — лампа; 2 — шины питания; 3 — земля

О состоянии изоляции шин можно судить по индикаторным лампам. Это две лампы, соединенные последовательно с заземленной средней точкой. Яркость свечения каждой из ламп характеризует напряжение на шине питания (рис. 14.3). Если система имеет хорошую изоляцию, то обе лампы горят в полнакала. Для удобства лампы располагают ря

Электрические системы постоянного тока. Питание распределительных систем осуществляется от двух и более параллельно работающих генераторов. Каждый генератор должен иметь устройство защиты от обратных токов, минимального напряжения и перегрузок. Система двух параллельно работающих генераторов показана на рис. 14.4.

Питание цепей нагрузки от шин осуществляется через автоматические выключатели. В случае протекания больших токов должно быть предусмотрено отключение каждой шины. Реле обратного тока предотвращает переход генератора в двигательный режим, например, при остановке первичного двигателя. Контроль за параллельно работающими генераторами обеспечивается с помощью приборов — амперметров и вольтметров.

Рис. 14.4. Схема параллельной работы двух генераторов постоянного тока:

1 — реостат; 2 — обмотка параллельного возбуждения; 3 — обмотка последовательного возбуждения; 4 — размыкающее реле обратного тока; 5 — максимальный расщепитель; 6 — автоматический выключатель; 7 — амперметр; 8 — реле минимального напряжения; 9 — шины питания; 10 — уравнительная шина; 11 — вольтметры; 12 — якоря

Если при работе одного генератора в цепи появляется перегрузка, то необходимо подключить к параллельно работающему генератору еще один генератор. С этой целью после запуска второго генератора возбуждают его до достижения равенства напряжений на обоих генераторах. Затем подключают второй генератор к шинам и, изменяя ток возбуждения, производят перераспределение нагрузки. Уравнительное соединение генераторов обеспечивает стабильную работу при изменении нагрузки сети.

Используемая литература: "Основы судовой техники" Автор: Д.А. Тейлор

Содержание работы

Общие сведения
Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. типы обмоток якоря
ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока
Реакция якоря
Коммутация
Способы возбуждения генераторов постоянного тока
Обратимость машин постоянного тока
Двигатель параллельного и независимого возбуждения
Двигатели последовательного возбуждения
Двигатель смешанного возбуждения
Коллекторные двигатели переменного тока

Файлы: 1 файл

реферат.docx

Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. типы обмоток якоря

ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Обратимость машин постоянного тока

Двигатель параллельного и независимого возбуждения

Двигатели последовательного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения

Коллекторные двигатели переменного тока

В современной электроэнергетике используется преимущественно переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный. Это объясняется теми достоинствами постоянного тока, которые сделали его незаменимым при решении многих практических задач. Так, среди электрических машин двигатели постоянного тока занимают особое положение. Двигатели постоянного тока позволяют осуществить плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного тока делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз). Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов. Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.

Машины постоянного тока входят также в электрооборудование автомобилей, судов, самолетов и ракет.

Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря.

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (Рис.6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют коллектор - два полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки. Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению предыдущим, соединенное с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, Рис.6-1, б).

Устройство промышленного генератора постоянного тока изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности станины I, изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены главные полюсы 2 с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря.

В большинстве случаев электромагниты питаются от самого генератора. Внутри станины помещается якорь 3, представляющий собой металлический цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической стали. В продольных пазах на поверхности якоря размещается обмотка якоря, состоящая из соединенных между собой секций. Для сглаживания пульсаций ЭДС и тока обмотка якоря равномерно размещена по всей поверхности, магнитное сопротивление между полюсами уменьшается благодаря стальному сердечнику якоря. Выводы обмоток припаивают к изолированным друг от друга и от корпуса машины медным пластинам коллектора 4, причем конец одной секции и начало следующей припаивают к одной и той же пластине. Коллектор жестко укреплен на валу якоря, на этом же валу крепят и вентилятор. Вал якоря помещается в подшипники подшипниковых щитов 5, укрепляемых на боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные щетки, вставленные в щеткодержатели 6. Для уменьшения сопротивления щетки часто прессуются из смеси угольного и медного порошка.

Машины постоянного тока часто делают многополюсными (Рис.6-3), при этом в каждой секции обмотки за один оборот значение и знак ЭДС изменяются столько раз, сколько полюсов. Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяют вместе.

Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим более подробно.

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку - спиральной. При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС (Рис.6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины - противоположный.

Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и Ь) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться низменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмотки установится постоянный ток.

Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая через две такие точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении щеток обмотка оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные между собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной ветви ЭДС будет иметь противоположную полярность, а под щетками может начаться искрение, так как в заворачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.

Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (Рис.6-4, б). Если у такой машины сделать четыре полюса, то обмотка разделится на четыре части (Рис.6-5, а). Если далее вместо двух щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой (Рис.6-5, б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть, что с увеличением числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть соответственно увеличен. Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его барабанным. Обмотки барабанного якоря (Рис.6-6) укладывают в специальные пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция - это часть обмотки между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; секции изготовляют по шаблону.

ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.

ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле (1). Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции. Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:

где d - диаметр сердечника якоря, l - образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при = 90° равна

где l - длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v - линейная (окружная) скорость движения проводника.

Подставим в формулу (3) значение средней индукции Вср и линейной скорости и после преобразования получим:

где n - скорость вращения якоря.

Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каждой параллельной ветви будет активных проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать:

где - ЭДС генератора.

Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения получим:

В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения. Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р = ), причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без потерь). Тогда эту формулу можно записать так:

где F - сила, действующая на якорь. При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила , а на N проводников обмотки

Учитывая соотношение (2), последнее уравнение можно записать следующим образом:

Подставив уравнение (10) в уравнение (8), получим выражение для мощности:

Так как Ф, то окончательно имеем:

Для общего момента машины М можно записать:

где постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции. Таким образом, электромагнитный момент машины выражается формулой М = сФ1. (13)

В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток - поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т.е. имеет место явление, называемое реакцией якоря

Если отдельно изобразить картины полей полюсов (Рис.6-7, а) и якоря (Рис.6-7, б) и сравнить их, то можно видеть, что поле якоря является поперечным по отношению к полю полюсов. Очевидно, что в результате их взаимодействия (наложения), как и в синхронном генераторе с активной нагрузкой, под набегающими краями полюсов при ненасыщенной магнитной системе машины индукция будет уменьшаться, а под сбегающими увеличиваться, при этом общий поток не изменится. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной цепи. Тогда в результате реакции якоря не только исказится картина поля (Рис.6-7, в), но уменьшится общий магнитный поток и связанная с ним ЭДС, при этом как бы возрастет магнитное сопротивление полюсного наконечника и зубцов якоря, расположенных под этим полюсом. В результате поток возбуждения, проходящий через них, уменьшится. Реакция якоря приведет к тому, что в секциях, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно, при закорачивании секций щетками могут появиться токи, порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток. От этого нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток по коллектору в направлении его вращения на некоторый угол (с геометрической нейтрали nn’ на физическую нейтраль mm’), где ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании нагрузки угол Р возрастает), то полностью ликвидировать искрение таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать щетки одновременно с изменениями нагрузки). На практике щетки устанавливают по наименьшему искрению при номинальной нагрузке. В случае работы машины в режиме двигателя физическая нейтраль смещается против направления вращения.

Читайте также: