Реферат на тему принцип действия генератора постоянного тока

Обновлено: 04.07.2024

Одним из наиболее распространенных электрических устройств является генератор постоянного тока, принцип действия которого основан на таких понятиях, как электромагнитная сила и индукция. Согласно принципу обратимости электрических машин, данное устройство, в конкретных условиях, может выполнять функцию и генератора и электродвигателя.

Составные части генератора

Генератор постоянного тока состоит из двух основных частей – якоря и станины, где расположены электромагниты. На внутренней стороне станины устанавливаются сердечники полюсов, концы которых имеют полюсные наконечники. С помощью наконечников, магнитная индукция более равномерно распределяется по окружности якоря.

На сердечники надеваются катушки, входящие в состав обмотки возбуждения. Сама станина играет роль замыкающей части. Здесь расположены еще и дополнительные полюса, которые находятся между главными полюсами. Их катушки имеют последовательное соединение с якорем. Дополнительные полюса позволяют избежать появления искр на щетках коллектора, что значительно улучшает коммутацию.

Вращающаяся часть генератора называется ротором или якорем, имеющим цилиндрическую форму. Материалом для него служит листовая электротехническая сталь, толщиной до 1 мм. В пазах якоря размещена обмотка, которая соединяется в цепь с коллектором, установленным на якорном валу. Коллектор представляет собой ряд медных пластин, изолированных между собой. Коллектор взаимодействует с угольными или медными щетками, неподвижно установленными в специальных щеткодержателях.

Принцип действия

Генератор постоянного тока содержит две электрические цепи –якоря и возбуждения. С помощью постоянного тока, проходящего через цепь возбуждения и обмотку возбуждения, происходит создание основного магнитного поля.

В том случае, когда у генератора не два полюса, а четыре, то для обмотки якоря необходимо четыре щетки, попарно соединенные между собой. С помощью этих щеток обмотка разделяется на параллельные ветви, в количестве двух пар.

Когда к первичному двигателю прикладывается посторонняя механическая сила, происходит возбуждение магнитного поля и в якоре появляется электродвижущая сила. После этого, с помощью коллектора и щеток, постоянный ток уходит к внешней цепи. В этом случае устройство работает в качестве генератора. Когда к якорю и обмотке возбуждения подключается постоянное напряжение, то проходящий через обмотку электрический ток, взаимодействует с полем, создавая вращающий момент, который приводит якорь в движение. В таком варианте, генератор функционирует как электродвигатель.

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия электрического генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (э.д.с), называемая э.д.с индукции(Индукция от латинского слова inductio — наведение, побуждение) , или индуктированной э.д.с. Электродвижущая

Прикрепленные файлы: 1 файл

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА.doc

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

Величина э.д.с, индуктируемой генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения якоря п:

где С — постоянный коэффициент, учитывающий число витков обмотки якоря, число пар полюсов и другие постоянные величины, характеризующие данный генератор. Напряжение на выводах генератора меньше его э.д.с. на величину падения напряжения в цепи якоря. Падение напряжения в цепи якоря определяется по закону Ома и равно произведению тока якоря Iя на сопротивление цепи якоря Rя. Следовательно, напряжение на выводах генератора

Общее сопротивление цепи якоря состоит из сопротивлений обмотки якоря, последовательной обмотки возбуждения, обмотки добавочных полюсов, щеток и переходов между коллектором и щетками.
Падение напряжения в цепи якоря очень небольшое, так как сопротивление обмотки якоря мало. Поэтому напряжение генератора бывает лишь незначительно меньше его э.д.с. Из этих двух формул также следует, что величину э.д.с. генератора и напряжения на его зажимах можно изменять двумя способами: изменением магнитного потока полюсов или частоты вращения якоря.
Отдаваемая во внешнюю цепь мощность генератора в киловаттах:

Мощность, отдаваемая генератором, всегда меньше мощности, затрачиваемой на вращение якоря и возбуждение, потому что внутри генератора происходят потери энергии. К этим потерям относятся механические потери (трение в подшипниках, трение коллектора о щетки), потери на нагрев проводов обмотки якоря и обмотки возбуждения, магнитные потери и т. д.
Отношение полезной мощности генератора, т. е. той, которую он отдает во внешнюю цепь, к мощности, затрачиваемой для привода генератора и его возбуждения, называют коэффициентом полезного действия генератора. Если тяговый генератор тепловоза работает с полной нагрузкой, его к.п.д. достигает 94—95%, т. е. потери в нем весьма малы.
Для возбуждения (cсоздания рабочего магнитного потока в электрических машинах) генератора по обмотке его главных полюсов пропускают ток, называемый током возбуждения. По способу возбуждения генераторы разделяются на два типа: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.
В генераторах с независимым возбуждением обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника электрической энергии, обычно от другого генератора постоянного тока или реже от аккумуляторной батареи (рис. 139, а).

Рис. 139. Схемы возбуждения генератора:
а -независимое возбуждение; б - параллельное возбуждение; в - последовательное возбуждение; г - смешанное возбуждение

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора, т. е. током, вырабатываемым в его якоре. При этом используется явление остаточного магнетизма, которым обладает, например, мягкая сталь. Полюсные сердечники из мягкой стали являются постоянными магнитами, хотя и очень слабыми.
В обмотке вращающегося якоря генератора за счет остаточного магнетизма индуктируется небольшая э.д.с. Под действием этой э.д.с. в обмотке возбуждения возникает незначительный ток. Магнитный поток, создаваемый током возбуждения, усилит остаточный магнитный поток полюсов, и э. д. с. якоря возрастет, что в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению тока возбуждения. Так последовательно магнитный поток полюсов достигает расчетной величины. Генератор индуктирует необходимую э. д. с. и сам питает током свою обмотку возбуждения.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения с якорем разделяются на три основных типа (рис. 139, б, в, г). В генераторе параллельного возбуждения обмотка главных полюсов включается параллельно силовой цепи.
Ток, вырабатываемый в обмотке якоря, разветвляется: основной ток проходит в силовую цепь, а небольшая часть тока — по обмотке возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения обмотка главных полюсов включается последовательно с якорем и по ней проходит весь ток, вырабатываемый генератором. В генераторе со смешанным возбуждением имеются параллельная и последовательная обмотки возбуждения. Сила тока в параллельных обмотках возбуждения обычно ограничивается с помощью резисторов R (см. рис. 139, б, г).
Характеристики генератора, а значит, области его применения зависят от схемы возбуждения. О свойствах генератора прежде всего позволяет судить его внешняя характеристика. Внешней характеристикой генератора называют зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при неизменной частоте вращения якоря и заданных условиях возбуждения.
Рассмотрим более подробно условия работы генератора на тепловозе, свойства, которыми он должен обладать, и необходимую его внешнюю характеристику.

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Тяговый генератор тепловоза обеспечивает использование номинальной мощности дизеля тепловоза. Дизель развивает такую мощность вплоть до номинальной, какую требует от него генератор. Если генератор по каким-то причинам будет развивать небольшую мощность, то регулятор двигателя, поддерживая постоянной частоту вращения коленчатого вала, с помощью реек топливных насосов уменьшит подачу топлива в цилиндры. Дизель будет недогружен. Тепловоз совсем не сможет вести поезд, либо поведет его с пониженной скоростью. Следовательно, характеристика тягового генератора в значительной мере определяет тяговые качества локомотива. Какой же она должна быть, чтобы обеспечить реализацию номинальной мощности дизеля и, значит, тепловоза?
Мощность, вырабатываемая генератором, как указывалось выше, равна произведению тока нагрузки на напряжение на его выводах. Тепловоз с поездом движется по различному профилю пути. В процессе движения на подъеме скорость поезда обычно уменьшается, на уклоне или площадке после подъема — увеличивается. При этом скорость может изменяться в несколько раз. Изменение скорости движения приводит к изменению в широких пределах режима работы и тока, потребляемого тяговыми электродвигателями от генератора. Следовательно, ток /г генератора при работе дизеля на номинальной мощности будет значительно изменяться в зависимости от скорости движения локомотива. Легко догадаться, что для поддержания постоянства мощности тягового генератора в случае изменения тока необходимо обратно пропорционально изменять напряжение Ur генератора. Например, если скорость тепловоза уменьшилась и ток в тяговых двигателях и генераторе увеличился в два раза, то напряжение генератора должно снизиться также в два раза. Произведение тока генератора на его напряжение останется прежним, следовательно, мощность, вырабатываемая тяговым генератором, также останется постоянной.
Однако ток и напряжение тягового генератора могут меняться лишь в определенных пределах. Максимальное напряжение генератора не может быть превышено по условиям магнитного насыщения системы возбуждения, прочности изоляции электрической машины, допускаемому напряжению между коллекторными пластинами. Ток генератора также ограничен определенным предельным значением. В случае дальнейшего увеличения тока произойдет перегрев обмотки якоря, коллектора, начнется искрение под щетками, генератор может выйти из строя.
Изобразим требуемую внешнюю характеристику тягового генератора, т. е. зависимость его напряжения от тока, графически в системе прямоугольных координат (рис. 140). На горизонтальной прямой (оси абсцисс) будем откладывать ток генератора Iг на вертикальной прямой (ось ординат) — напряжение генератора Ur.

Рис. 140. Внешняя характеристика тягового генератора тепловоза

Например, генератор вырабатывает ток величиной I'г, а его напряжение в этот момент времени равно U'г. Точка Д1 определит графически данный режим работы генератора. Отложив на осях координат целый ряд значений тока генератора и соответствующие им напряжения генератора, аналогичным способом найдем ряд точек Д2, Дз и т. д. Соединив эти точки линией, мы получим графическое изображение внешней характеристики тягового генератора.
Требуемая внешняя характеристика тягового генератора может быть представлена кривой АБВГ. Основной рабочей частью характеристики является участок БВ, на котором напряжение тягового генератора изменяется обратно пропорционально току генератора и его мощность сохраняется постоянной. Эта кривая носит название гиперболы. После того как ток уменьшился до величины Iг1 (точка Б характеристики), а напряжение возросло до предельно допустимого значения Uг1, дальнейшего возрастания напряжения с уменьшением тока не происходит. Участок кривой АБ характеризует ограничение мощности генератора по напряжению. В случае когда ток достигает предельно допустимой величины, напряжение генератора начинает резко уменьшаться, предупреждая дальнейшее увеличение тока. Участок характеристики ВТ является ограничением по величине максимального тока генератора.
Рассмотренная внешняя характеристика тягового генератора является теоретической. В реальных условиях с целью упрощения систем регулирования генераторов допускают некоторые отклонения фактических характеристик от теоретической. Однако сближение реальной и теоретической характеристик является необходимым и служит критерием оценки систем регулирования.
Внешняя характеристика тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 141) приближается к гиперболе при токе генератора 2600—5800 А.

Рис. 141. Внешняя характеристика и изменение мощности тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л при номинальном режиме работы в зависимости от тока

В гиперболической части внешней характеристики мощность генератора практически поддерживается постоянной. При меньших токах наступает ограничение мощности по возбуждению: напряжение почти не повышается и мощность с уменьшением тока снижается. Величина максимального тока также строго ограничивается.
Посмотрим, можно ли получить такую внешнюю характеристику у генератора с самовозбуждением. Напряжение генератора параллельного возбуждения (кривая 2, рис. 142) несколько падает с увеличением тока нагрузки.

Рис. 142. Внешние характеристики генератопров с возбуждением:
1 - независимым; 2- параллельным; 3 - последовательным; 4 - смешанным согласованным; 5 - смешанным встречным

Это происходит за счет возрастания внутреннего падения напряжения (в цепи якоря) и усиления реакции якоря. Кроме того, вызванное этими причинами падение напряжения приводит к уменьшению тока возбуждения и дополнительному понижению напряжения генератора. У генератора последовательного возбуждения (кривая 3, рис. 142) в аналогичных условиях напряжение растет, так как весь ток якоря проходит по обмоткам его главных полюсов.
Генератор со смешанным возбуждением (кривая 4, рис. 142) в случае, если магнитные потоки обеих обмоток его возбуждения имеют одинаковые направления, может поддерживать на своих выводах напряжение близкое к постоянному. При встречном направлении магнитных потоков обмоток возбуждения напряжение генератора с увеличением тока нагрузки резко снижается за счет размагничивания последовательной обмоткой. Но его внешняя характеристика представляет собой выпуклую кривую (кривая 5, рис. 142), отличающуюся от гиперболы.
Если напряжение на выводах обмотки возбуждения генератора независимого возбуждения сохраняется постоянным, то его внешняя характеристика изображается почти горизонтальной линией (кривая 1, рис. 142).
Следовательно, генераторы с самовозбуждением и рассмотренный генератор независимого возбуждения не удовлетворяют по своим характеристикам требованиям, предъявляемым к тяговому генератору тепловоза. Поэтому генераторы мощных тепловозов выполняются с независимым возбуждением и специальной системой регулирования тока возбуждения, обеспечивающей реализацию необходимой внешней характеристики. Как уже отмечалось, тяговые генераторы тепловозов обычно используются для пуска дизеля. Поэтому на главных полюсах генератора, кроме обмотки независимого возбуждения, располагается еще пусковая обмотка. Пусковая обмотка обеспечивает возбуждение генератора лишь при его работе в режиме электродвигателя. На генераторном режиме она отключена. Принцип действия генератора в двигательном режиме не отличается от принципа действия других электродвигателей постоянного тока.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

История появления

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 для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе 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 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.

Другие электрические генераторы, использующие вращение

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.

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.

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

Датчик Холла

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.

МГД генератор

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

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

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.

Виды генераторов

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

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.

Составные части генератора

Принцип действия

Приветствует тебя, наш любимый и любознательный читатель. Сегодня мы погрузимся в мир теоретики, подтвержденной, естественно, практикой, и будем вспоминать, а кто-то может и узнавать, как устроен генератор постоянного тока.

Вводная часть

Работа над этими устройствами была начата еще в далеком 1827 году.

Немного истории

Первым экспериментировать с электромагнитными вращающимися машинами начал венгерский физик А.И. Йедлик, которые он назвал самовращающимися роторами. Его прототип был завершен к 1856 году, в котором обе части (статическая и вращающаяся) были электромагнитными.

Однако Йедлик был далеко не единственным ученым, работавшим в этом направлении. В 1831 году был открыт принцип работы электромагнитного генератора. Сделал это Майкл Фарадей. Принцип, открытый ученым, был назван в честь его имени и заключается он в том, что при перемещении проводника перпендикулярно магнитному полю, на его концах образовывалась разность потенциалов.
Изобретатель построил первый генератор, который был назван диском Фарадея. Устройство было униполярным генератором, использовавшим медный диск, который вращался между полюсами магнита (подковообразного). Конструкция устройства была крайне несовершенна, и ему еще предстояло обрести окончательный облик, но в будущем.

Интересно знать! Конструктивные изменения в эти приборы вносятся до сих пор, с появлением новых магнитов.

Динамо-машина

Первый генератор постоянного тока, который стало возможно использовать для промышленных целей – это динамо-машина. Работа этого устройства основана на электромагнетизме – оно преобразует механическую энергию в постоянный, пульсирующий ток. Первый такой агрегат был построен И. Пикси в 1832 году.

Именно этот агрегат, естественно после совершения многих открытий, стал прообразом современных двигателей постоянного тока, синхронных двигателей, генераторов переменного тока и прочего.
Состояла она из статора (создающего электромагнитное поле) и обмоток, которые вращаются внутри.
Сегодня динамо-машины – это скорее раритет, чем действующие устройства. Дело в том, что в современном мире подавляющее большинство приборов рассчитано на работу от переменного тока, тогда как на заре электротехники ученые считали его просто опасным, пока свои наработки не открыл миру великий русский ученый Павел Яблочков, но это уже другая история.

Интересный факт обратимости электромашин

В 1833 году русский ученый Э.Х. Ленц указал на то, что электрические машины обратимы. Другими словами: одна машина способна работать как электродвигатель, если ее запитывать, и быть одновременно генератором тока, при условии что ротор устройства будет приведен в движение другой движущей силой (в то время для этого подходили паровые агрегаты).

В 1838 году Ленц доказал свои предположения опытным путем, испытывая электромотор Якоби.

В 1832 году появился на свет первый генератор, работающий по принципу электромагнитной индукции. Сделали его французы, братья Пиксин. Однако их устройством было очень сложно пользоваться, так как при вращении массивного постоянного магнита, в двух катушках возникал переменный ток.

На первых этапах разработок использовались, как вино, постоянные магниты. Начиная с 1851 года их стали заменять электромагнитами, что дало новый толчок к развитию. В это же время был открыт принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока. Первые патенты на генераторы с самовозбуждением были выданы 1866 году.

Основы работы устройства

Давайте же, наконец, разберем принцип действия и устройство генератора постоянного тока.

Inductio

Итак, как вы уже поняли, генераторы – это электрические машины, способные преобразовывать механическую энергию в электрическую. В основу работы этих устройств положен принцип электромагнитной индукции.

Сам принцип заключается в том, что если в магнитном поле перемещается проводник (при этом его движения должно быть перпендикулярным магнитному потоку, то есть пересекать его), либо же сам постоянный магнит смещается относительно проводника, то внутри проводника возникает ЭДС (электродвижущая сила) индукции.

Если при этом проводник включить в замкнутую цепь, то по ней потечет ток, называемый индуктивным. Опты установили, что величина этой силы изменяется в прямой зависимости от длины проводника, скорости его движения и величины индукции магнитного поля. При этом важно понимать, что ЭДС возникает только в случае пересечения магнитного поля, а не движения вдоль него.

Вспоминайте курс физики, а именно, правило правой руки, когда большой палец указывает направление движения проводника, если в ладонь входят силовые линии магнитного поля. При этом остальные вытянутые четыре пальца укажут вам направление действия ЭДС – именно в этом направлении потечет ток в перемещаемом проводнике.

Совет! Если кто позабыл, то силовые линии магнитного поля движутся от северного полюса к южному.

Простейший генератор

Получив основные знания об электромагнитной индукции, мы можем представить себе простейший генератор постоянного тока и принцип действия этого прибора.

Итак, на картинке выше показано следующее:

Проводник изогнут в виде прямоугольной рамки и установлен на вращающуюся ось;
Он помещен в магнитное поле постоянного магнита (полюса обозначены соответствующими буквами и цветами);
Концы проводника соединяются с разбитым на два полукольца полым цилиндром – обе части изолированы друг от друга;
В контакте с полукольцами находятся щетки (контактные пластины) и при движении они скользят по цилиндру;
Кольцо из полуколец называется коллектором, а отдельные его части (полукольца) – пластинами (ламелями) коллектора;
Расположение щеток устроено таким образом, чтобы они менялись полукольцами при вращении рамки как раз в тот момент, когда ЭДС на обеих сторонах рамки будет равна нулю – этот момент будет соответствовать горизонтальному положению рамки.
Коллектор выпрямляет переменную ЭДС и во внешней цепи создается движение постоянного тока.

В этом можно убедиться, присоединив к контактным пластинам измерительный прибор (амперметр).

Углубленный анализ

Все вроде бы понятно, но не совсем! Давайте разберем принцип действия и характеристики генераторов постоянного тока более подробно.

Для лучшей ориентации введем некоторые условные обозначения важных переменных и постоянных: t – время; Е – ЭДС; А и Б – стороны рамки.

Итак, нужно сразу понять, что ЭДС, возникающий в стороне рамки А, всегда будет направлена в противоположном направлении второму ЭДС, которое индуцируется в половине рамки Б. Данное утверждение очень легко проверить, воспользовавшись описанным выше правилом правой руки.
Общая Е будет равна двум сложенным ЭДС, возникающим в половинках рамки, и что самое интересное, эта величина будет постоянно изменяться в зависимости от положения лопастей.
Наибольшая величина ЭДС будет тогда, когда рамка будет находиться в вертикальном положении (на рисунке это положения б и г). Именно в этот момент проводник пересекает большее число силовых линий.
В горизонтальном же положении лопасти рамки будут фактически скользить вдоль этих самых линий и ЭДС индуцироваться не будет (положения а, в и д).
Во время движения стороны рамки Б к южному полюсу (момент старта — от северного полюса) магнита, ток в ней будет двигаться в нашем направлении, применительно к картинке выше. Данный ток будет проходить от полукольца и щетки 2, через измерительный прибор, в сторону другой щетки и части рамки А. В ней же, тоже индуцируется ток, но уже в противоположном направлении, то есть от нас.
Наивысшего значения ЭДС достигает тогда, когда стороны рамки находятся точно напротив полюсов магнита. Продолжая движение, ЭДС начинает убывать, пока не станет равной нулю, спустя четверть оборота. Именно в этот момент и происходит смена местами щеток.

Из-за постоянно смены щеток получается так, что за время одного полуоборота рамки, каждая контактная пластина коллектора соприкасается только с одной из щеток, и ток проходил только в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Давайте посмотрим, что произойдет дальше, если продолжить вращение.
ЭДС начинает снова расти от нуля к пику, так как снова начинается пересечение силовых линий магнитного поля, но при этом направление Е будет противоположным, то есть на части А, оно будет таким же, что ранее на Б, и наоборот. Фактически происходит зеркальная ситуация. И, казалось бы, ток должен начать двигаться в обратном направлении и стать переменным, но не забываем, что у нас в момент падения ЭДС до нуля, щетки стали касаться других полуколец коллектора, ведь он вращается вместе с рамкой.
То есть полукольцо, которое соединено с частью рамки А теперь касается щетки 2, а это означает только одно, ток во внешней цепи будет течь в том же направлении, что и ранее.

В этом и заключается выпрямляющая функция коллектора. Именно благодаря ему ток в цепи протекает только в одном направлении.
Через полуоборот щетки снова меняют полукольца, и весь процесс повторяется снова, и так по бесконечному циклу, пока агрегат запущен и функционален. Главное при этом – обеспечить вращение рамки за счет какой-то силы.

Более сложные схемы генераторов

Несмотря на то, что ток протекает только в одном направлении, и поэтому называется громко постоянным, постоянно изменяется его величина, из-за чего подобные схемы практически неприменимы на практике. Давайте теперь рассмотрим строение более сложных генераторов, которые позволяют получить ток с меньшей пульсацией.

Во внешней цепи при этом ничего не меняется, из-за разбитого на четыре части коллектора. Ток продолжает течь все в том же направлении от щетки 2 к щетке 1. Он, как и прежде, будет пульсировать, и пульсации станут происходить в два раза чаще, однако разница максимальных и минимальных величин ЭДС будет значительно меньше, чем в предыдущем случае.

Идя дальше по этому принципу, и увеличивая количество вращающихся витков и коллекторных пластин можно добиться минимальной пульсации постоянного тока, то есть он действительно станет практически постоянным.

Интересно знать! Например, при количестве коллекторных пластин в 20 штук, колебание ЭДС не превысит 1%, что считается отличным показателем.

Продолжаем усложнять схему

Рассматривая предложенные схемы генераторов, не сложно догадаться, что хоть увеличенное количество витков и уменьшает пульсации, сам генератор становится все менее эффективным. Так как фактически щетки одномоментно контактируют только с одной рамкой, когда другие остаются неиспользуемыми. ЭДС одного витка невелика, поэтому и мощность генератора будет невысокой.

Чтобы использовать весь потенциал генератора, витки соединяют друг с другом последовательно по определенной схеме, а количество коллекторных пластин уменьшают до числа витков обмотки.

К каждой коллекторной пластине будет подходить начало одного витка и конец другого. При этом витки представляют собой источники тока, соединенные последовательно, и все вместе это называется обмотка якоря или ротора генератора. При таком соединении сумма ЭДС будет равна индуктируемым значениям в витках, включенных между щетками.

При этом количество витков делается достаточно большим, чтобы можно было получить требуемую мощность генератора. Именно по этой причине, особо мощные генераторы, например, от тепловозов, имеют очень большое количество пластин.

Использование электромагнитов

Все, что мы рассматривали до этого, было генераторами постоянного тока на постоянных магнитах. Их схема и инструкция по сборке достаточно проста, однако на практике они практически не применяются в виду того, что сделать мощный прибор таким способом не получится, ведь постоянные магниты не могут выдать достаточно мощный поток силовых линий. А из-за того, что пространство между полюсами фактически создает зону сопротивления магнитному потоку, его мощность еще больше ослабляется.

В самых мощных генераторах устанавливаются электрические магниты, способные выдавать нужную мощность, а для уменьшения эффекта сопротивления витки обмотки размещают так, чтобы они заполняли все пространство между полюсами. Установлены они на стальном цилиндре, который и называется якорем.

Итак, место постоянного магнита занимает обмотка возбуждения, расположенная на сердечниках главных полюсов. Когда по обмотке проходит электрический ток создается достаточно сильное магнитное поле, называемое полем главных полюсов.

Если внешняя цепь разомкнута, положение этих полюсов будет соответствовать оси, проходящей вертикально. На картинке выше вы четко можете увидеть данные сердечники и представить нахождение полюсов.

Прежде чем описать принцип действия такого магнита, давайте разберемся, что такое физическая и геометрическая нейтрали.

Цена перегрева ламелей коллектора – их отслоение, что фактически означает полную неремонтопригодность детали

Чем больше будет ток на якоре, тем сильнее будет проявляться его реакция и большим будет смещение физической нейтрали. Также стоит понимать, что сильная реакция якоря приводит к уменьшению индуцируемой ЭДС.
Чтобы нейтрализовать влияние на работу генератора этого фактора, между основными полюсами обмотки возбуждения устанавливаются дополнительные, а в наконечники главных полюсов закладывается дополнительная, компенсационная обмотка.

Дополнительные полюса размещаются таким образом, чтобы магнитное поле от них было направлено навстречу полю якоря, чтобы его нейтрализовать. Однако данное влияние на работу генератора в целом – не единственное.
Мы помним, что при прохождении через нейтраль направление тока в витке обмотки очень быстро сменяется на противоположное. При этом на нейтрали данный виток замкнут щеткой накоротко.

Нужно знать! Такой виток называется коммутирующим, то есть переменным.

Следует также добавить, что сила магнитного поля ротора напрямую зависит от тока генератора, то есть нагрузки на него. Отсюда можно понять, что должно пропорционально изменяться поле и добавочных полюсов, для чего обмотку этих деталей с обмоткой якоря включат последовательно.

Компенсационная обмотка главных полюсов, о которой мы говорили выше, призвана также улучшить распределение магнитного потока, однако из-за возрастающей сложности схемы электрического генератора применяется редко. Поэтому при возможности добиться от машины нормальной работы без компенсационной обмотки, ее не применяют, оставляя сей элемент для самых мощных агрегатов.

На этом, пожалуй, закончим наш ликбез. Конечно, полученной информации будет недостаточно, чтобы пытаться своими руками ремонтировать и конструировать электродвигатели, но все с чего то начинают. Зато вы теперь можете с уверенностью говорить, что назначение и устройство автомобильных генераторов постоянного тока, к примеру, вам известно. В дополнение советует обратить внимание на приложенное к статье видео, где можно почерпнуть много полезной информации. Всего наилучшего!

Читайте также: