Что такое генератор постоянного тока

Что такое генератор постоянного тока и для чего он нужен

Поговорим о том, что такое генератор постоянного тока и для чего он нужен, а также чем отличается от аналогичных систем. Несмотря на то, что инженеры создали более совершенные и мощные системы выработки тока, главный герой обсуждения до сих пор широко используется. Начнём с определения этой детали.

Что такое генератор постоянного тока?

В первую очередь стоит узнать, что такое генератор постоянного тока и что он собой представляет. Этим термином называют устройство для производства напряжения постоянной величины. Его изобрели в конце 19 века, однако до сих пор устройство не претерпело значительных изменений.

В основе работы генератора лежит закон электромагнитной индукции. За счёт взаимодействия проводника и постоянного магнита начнёт вырабатываться электродвигательная сила. По специальным проводникам она распределяется по всей системе электроснабжения и питает её. Из-за довольно сложного устройства иногда может потребоваться ремонт генератора авто в специализированном сервисе.

Несмотря на сложность конструкции и возможность поломки, роль генератора постоянного тока в работе электросистем нельзя недооценить. Рассмотрим подробнее вопрос о том, для чего нужен генератор постоянного тока в автомобиле.

Для чего нужен генератор постоянного тока?

Итак, для чего нужен генератор постоянного тока и почему без него не обойтись? Сложно представить работу автомобиля без электричества. За его выработку отвечает генератор. Они используются в устройствах малой мощности. У него есть как преимущества, так и недостатки.

К преимуществам можно отнести выработку постоянного тока, который со временем не изменяется по величине или направлению. Ток не меняет вектор движения в сети, поэтому не требуется использование выпрямителя. На полюсах расположена обмотка возбуждения.

К недостаткам относят потерю мощности между щетками и коллектором. Удельная мощность генератора постоянного тока ниже, чем у аналогов. Из-за сложной конструкции может потребоваться ремонт втягивающего реле стартера или других деталей. Разберём подробнее устройство этой детали.

Из чего состоит генератор постоянного тока?

Стоит узнать из чего состоит генератор постоянного тока и на что следует обратить особое внимание. В конструкцию включаются якорь и статор. Наличие двух этих деталей характерно для всех электрических машин. В корпус якоря укладываются обмотки. Для этого предназначены специальные углубления.

Концы обмоток присоединяются к медным пластинам, разъединённым диэлектриком, которые называются коллектором. Для размещения обмотки катушки возбуждения используют статор, в сердечнике которого образуется магнитное поле. Ещё одно важное понятие – это что такое редуктор и для чего его используют.

Магниты крепятся к корпусу генератора вместе с обмоткой. Наличие коммутационного узла позволяет использовать графитовые щётки. Они создают контакт и преобразовывают электрическую энергию в механическую.

В электросистеме генератора постоянного тока есть достаточное количество деталей, помогающих передавать энергию. При недостаточном напряжении элементов, стоит проверить работу каждого из них. Для этого стоит познакомиться с тем, что собой представляет и что такое обгонная муфта генератора и другие детали. От работы каждого элемента будет зависеть качество снабжения автомобиля постоянным током.

Чем отличается генератор постоянного и переменного тока?

В заключении стоит рассмотреть, чем отличается генератор постоянного и переменного тока и почему каждый из них необходим. У каждого из них своё устройство и своё предназначение. О том, как устроен и как работает генератор переменного тока мы подробно поговорили выше.

Генератор переменного тока отличается не только своим устройством, но и сферой применения. Он имеет более простое строение, высокую мощность, однако ток, выработанный в нём не имеет постоянного направления. Они оба преобразуют электрическую энергию в механическую, но делают это разными путями. При поломке любого из них стоит доверить ремонт стартера генератора в СПБ и других городах специалистам, которые имеют опыт работы в данной сфере.

Генератор постоянного тока – важная деталь в работе автомобиля. Для увеличения продолжительности его работы следует своевременно проходить диагностику и заменять детали. Благодаря этому электросистема автомобиля будет бесперебойно снабжаться постоянным током.

Генератор постоянного тока: принцип работы, популярные модели

Все генераторы постоянного тока (DC generator) представляют собой электротехнические агрегаты, способные продуцировать на выходе напряжение без частотных колебаний, то есть, с постоянной величиной. Подобное оборудование в современном исполнении имеет достаточно сложное устройство, но при этом все модели не отличаются друг от друга по принципиальному способу получения постоянного тока для внешних цепей.

Принцип работы генераторов постоянного тока

В электродвигателе есть неподвижный статор и вращающийся в нем ротор или якорь. Но при этом вокруг якоря есть два полюса – север и юг (N и S), представляющие собой постоянный магнит, а между ними происходит это вращение. На конце ротора расположены два медных полукольца, изолированных друг от друга, к которым подсоединены концы обмотки – это называется коллектором. К этим самым полукольцам прижимаются графитовые щетки, через которые якорь соединяется с внешней электрической цепью.

При вращении ротора в статоре непрерывно меняется магнитный поток, который называется ЭДС или электродвижущей силой (electromotive force), зависящей от длины магнитного потока и частоты вращения. Так как магнитные полюса постоянно меняются, то здесь на выходе получают переменный ток. Генератор постоянного тока выравнивает поток следующим образом: в момент изменения тока в статоре одновременно происходит смена коллекторных пластин под щетками и их полярность не меняется (остается прежней), следовательно, ток во внешней электрической цепи будет постоянным. Это и есть принцип действия генератора постоянного тока, хотя в современных мощных устройствах все выглядит гораздо сложнее – там есть дополнительные приборы (катушки) для выравнивания потока, но, тем не менее, принцип всегда остается неизменным.

На верхнем изображении показана схема генератора постоянного тока с независимым включением (ndependent inclusion), который может работать либо последовательно, либо с параллельным возбуждением. Кроме того, генераторы могут быть с самовозбуждением (self-excited), которые работают либо от постоянных магнитов, либо от внешнего источника типа ветряка или аккумулятора (электромагниты). Именно эти характеристики генератора постоянного тока определяют его выбор при покупке, ну и, конечно же, стоимость той или иной модели.

Электродвижущая сила генератора

В разделе «Принцип работы генераторов постоянного тока» вы видели схемы работы генератора постоянного тока, а теперь поговорим об ЭДС или электродвижущей силе (electromotive force), которая является основой данного устройства, и разберем ее в действии. Представьте себе, что магнитное поле (magnetic field) имеет магнитный поток (magnetic flux) равный величине Ф, при этом якорь вращается с постоянной скоростью n об/мин. В генераторе на поверхности якоря есть дополнительные проводники, пересекающие magnetic flux при вращении и их количество равно z.

Итак, устройство генератора постоянного тока в современном исполнении предусматривает дополнительные проводники в виде катушек, от количества которых напрямую зависит индуктированная ЭДС. При этом полную мощность такого устройства можно определить по формуле P=EIa. Здесь значение Ia, обозначает величину полного тока на обмотке якоря и если ЭДС постоянна, то полная электрическая мощность всегда будет пропорциональна EIa. Эта мощность может быть больше или меньше в зависимости от скорости оборотов ротора и количества его полюсов.

Кроме того, есть полезная мощность (net power) P1, измеряемая в ваттах, которая поступает на внешнюю цепь, и она равна P1=UI, где литера U подразумевает напряжение в вольтах, а литера I – ампераж (в амперах). Для того чтобы определить промышленный КПД (обозначается, как ɳm), вырабатываемого альтернаторами постоянного тока нужно определить отношение полной мощности к полезной по формуле ɳm= P1/P — так вы узнаете промышленный коэффициент.

Немного о строении генератора

Любая конструкция генераторов постоянного тока подразумевает наличие статора и ротора (якоря). Роторы делают на заводах электрооборудования, и они представляют собой стержни (валы) с металлическими (стальными) пластинами, где есть углубления для обмоток, причем концы обмоток в обязательном порядке будут коммутировать с медным коллектором. Коллектор представляет собой набор медных пластин, которые изолированы друг от друга диэлектриками. Вся эта сборка в целом называется якорем.

Статор в электродвигателе генераторов постоянного тока, помимо своего прямого назначения, исполняет роль корпуса, а к его поверхности изнутри фиксируются постоянные или электрические магниты, где наиболее популярен второй вариант. Сердечники таких магнитов набираются из стальных пластин или же они могут быть отлиты совместно со статором. На корпусе статора в обязательном порядке должны быть отверстия, куда вставляются токосъемные щетки.

Видео описание

Принцип работы генератора переменного тока.

Где используются генераторы постоянного тока

В XIX столетии, которое по совместительству является зарей периода электрификации, генераторы, вырабатывающие постоянный ток, были единственным промышленным источником выработки электроэнергии. Также существовали и химические альтернативы, но они обходились очень дорого, впрочем, их стоимость остается высокой и по сегодняшний день – просто посмотрите на цену обычных батареек. Как бы там ни было, но на тот момент отсутствовали источники переменного тока и только с подачи Николо Тесла и других ученых в электрооборудовании начали появляться трансформаторы и асинхронные двигатели, а также появилось трехфазное энергоснабжение – это постепенно вытеснило постоянный ток.

В XX столетии и на сегодняшний день генераторы, вырабатывающие постоянный ток, востребованы в транспорте – в промышленной и обслуживающей сфере:

• городской транспорт – трамваи и троллейбусы;
• железнодорожный транспорт – тепловозы разных моделей;
• автомобильный транспорт – сейчас генераторы старого образца заменили трехфазными генераторами со встроенными преобразователями.

Кроме основных объектов потребления постоянного тока существуют также электротехническое оборудование, где используется такое напряжение. Например, небольшие сварочные аппараты, у которых автономная система питания, а также различные помпы и насосы с мощными пусковыми двигателями. При выборе (покупке) такой техники нужно конкретно выяснить, с какими именно целями будет справляться тот или иной агрегат и только тогда может быть рассмотрена характеристика генератора постоянного тока, необходимого для данного оборудования.

Примечание: для приобретения генератора, вырабатывающего постоянный ток можно посетить магазины с широким ассортиментом электротоваров, торговые центры, а также коммерческие площадки в Интернете (интернет-магазин).

Популярные инверторные генераторы

Помимо классификации генераторов постоянного тока покупателей, как правило, интересует популярность той или иной модели, а также ее технические характеристики, реальное соответствие этим параметрам и возможность сервисного обслуживания. Еще потенциальные покупатели интересуются, были ли претензии к качеству той или иной модели, как выполнялись гарантийные обязательства производителем и, конечно же, стоимость агрегата.

Weekender X3500ie

Модель генератора с карбюраторным двигателем Weekender X3500ie из США относится к числу инверторов, которые обычно находятся на первых позициях в рейтинге популярности и такие агрегаты покупают чаще всего. Несмотря та то, что двигатель изготовлен по прототипу Honda, и это не что иное, как копия, его можно отнести к линейке наиболее экономичных моторов, работающих на бензине – расход топлива составляет всего 250 мл на 1 кВт-час электроэнергии для внешней цепи. В целом номинальная мощность инверторного генератора составляет 3,0 кВт, а максимальная – 3,5 кВт при расходе бензина 0,65 л/час. Такая модель подходит для загородных домов, чтобы обеспечить работу газового котла с циркуляционным насосом, а также бытовой техники.

Преимущества Weekender X3500ie:

• пуск двигателя генератора может осуществляться либо брелком, либо электростартом;
• мощности агрегата достаточно для частного дома средней величины;
• наличие счетчика моточасов напомнит о времени прохождения очередного сервиса;
• в случае выхода агрегата из строя нужные детали всегда можно найти в магазинах.

Недостатки Weekender X3500ie:

• потребность своевременной подзарядки батареи;
• при незначительном недоливе масла реагирует датчик контроля уровня, и двигатель не запускается;
• ограниченное количество сервисных центров.

Weekender GS950I

Инверторный бензиновый генератор Weekender GS950I представляет собой портативный чемоданчик, который можно брать с собой в турпоход, на охоту или на рыбалку. Такая модель способна вырабатывать от 0,5 до 1,0 кВт при потреблении горючего 0,36 л на 1 кВт-час. Учитывая объем топливного бака, куда помещается 2,1 л, двигатель может бесперебойно работать от 4-х до 12 часов. Безусловно, данный агрегат относится к разряду маломощных, но его ресурса, достаточно для выезда на природу, где может возникнуть потребность в освещении или подключении бытовых электроприборов на ≈220 V. также есть возможность использования Weekender GS950I в качестве резервного питания для небольшого магазина или офиса для работы оргтехники и освещения. Запуск двигателя Subaru-Type на 1,35 л.с. на такой модели осуществляется при помощи тросика, и проблем при этом никогда не возникает.

Преимущества Weekender GS950:

• модель стабильно обеспечивает ≈220 V без возникновения скачков или просадок напряжения;
• работа двигателя достаточно тихая, в пределах 56 дБ, есть эффективная система охлаждения;
• экономия бензина при неполной загрузке инвертора;
• компактные и стильные параметры.

Недостатки Weekender GS950:

• нет датчика моточасов;
• небольшая выходная мощность.

Konner&Sohnen KS 2100i NEW

Для не очень большого загородного дома можно приобрести инверторный генератор, работающий на бензине, Konner&Sohnen KS 2100i NEW, у которого номинальная выходная мощность составляет 1,6 кВт, максимальная – 1,8 кВт. У агрегата довольно-таки вместительный топливный бак на 5,5 л, а заправляют его маркой АИ-92. Учитывая тот факт, что ток после инвертора имеет правильную синусоиду, устройство можно использовать для газовых котлов с электронным пультом управления, циркуляционных насосов, холодильников, кондиционеров и другой бытовой техники. Уровень шума двигателя составляет 68 дБ, так что его можно размещать в гараже или в сарае, и он не будет особо мешать вашему времяпровождению

Преимущества Konner&Sohnen KS 2100i NEW:

• инвертор выдает ток с чистой (правильной) синусоидой;
• у агрегата удобная панель управления;
• двигатель установлен на прочной стальной раме;
• легкий ручной запуск устройства.

Недостатки Konner&Sohnen KS 2100i NEW:

• жалоб и нареканий не поступало.

Konner&Sohnen KS 2000iS NEW

Немецкий инверторный генератор Konner&Sohnen KS 2000iS NEW с 4-тактным карбюраторным двигателем работает на бензине марки АИ-92 и выдает номинальную мощность 1,8 кВт, а максимальную – 2,0 кВт. Заполненный топливный бак вместимостью 4 литра позволяет на несколько часов обеспечить бесперебойную работу бытовой техники, причем, не только освещения, но и сложных приборов, где не обойтись без правильной синусоиды, которую должен выдавать инвертор. Масса генератора 18 кг, что позволяет вручную переносить его с места на место и это немаловажный фактор для эксплуатации прибора.

Преимущества Konner&Sohnen KS 2000iS NEW:

• немецкое качество электродвигателя;
• упрощенный запуск;
• система ЭКО позволяет экономить бензин;
• звукоизоляционный кожух понижает шум до 64 дБ.

Недостатки Konner&Sohnen KS 2000iS NEW:

Видео описание

Модель генератора постоянного тока.

Заключение

Когда вы понимаете, как работает генератор постоянного тока, вам будет проще сделать осознанный выбор при покупке инвертора для своего загородного дома, собственного магазина или офиса. Возможно, вы подберете установку, о которой не было речи в разделе «Популярные инверторные генераторы», но это не столь важно. Главное, чтобы качество альтернатора соответствовало цене, которую вы отдали при его покупке.

ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

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 индуцированной э.д.с. Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Явление возникновения индуцированной э.д.с. в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуцируется э.д.с, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием э.д.с. по цепи потечет ток, называемый индуцированным током.
Опытным путем установлено, что величина индуцированной э.д.с., возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, возрастает с увеличением индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его перемещения. Индуцированная э.д.с. возникает только тогда, когда проводник пересекает магнитное поле. При движении проводника вдоль магнитных силовых линий э.д.с. в нем не индуцируется. Направление индуцированной э.д.с. и тока проще всего определить по правилу правой руки (рис.1): если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, отогнутый большой палец показывал бы направление движения проводника, то остальные вытянутые пальцы укажут направление действия индуцированной э.д.с. и направление тока в проводнике. Магнитные силовые линии направлены от северного полюса магнита к южному.

Рис. 1. Определение направления индуцированной э.д.с. по правилу правой руки

Имея общее представление об электромагнитной индукции, рассмотрим принцип действия простейшего генератора (рис. 2). Проводник в виде рамки из медной проволоки укреплен на оси и помещен в магнитное поле. Концы рамки присоединены к двум изолированным одна от другой половинам (полукольцам) одного кольца. Контактные пластины (щетки) скользят по этому кольцу. Такое кольцо, состоящее из изолированных полу колец, называют коллектором, а каждое полукольцо — пластиной коллектора. Щетки на коллекторе должны быть расположены таким образом, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда э.д.с, индуцируемая в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение.

Рис. 2. Простейший генератор постоянного тока

С помощью коллектора переменная э.д.с, индуцируемая в рамке, выпрямляется, и во внешней цепи создается постоянный по направлению ток.
Присоединив к контактным пластинам внешнюю цепь с электроизмерительным прибором, фиксирующим величину индуцируемого тока, убедимся, что рассмотренное устройство действительно является генератором постоянного тока.
В любой момент времени t э.д.с. Е (рис. 3), возникающая в рабочей стороне Л рамки, противоположна по направлению э.д.с, возникающей в рабочей стороне Б. Направление э.д.с. в каждой стороне рамки легко определить, воспользовавшись правилом правой руки. Э.д.с, индуцируемая всей рамкой, равна сумме э.д.с, возникающих в каждой ее рабочей стороне. Величина э.д.с в рамке непрерывно изменяется. В то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению, количество силовых линий, пересекаемых проводниками в 1 с, будет наибольшим и в рамке индуцируется максимальная э.д.с. Когда рамка проходит горизонтальное положение, ее рабочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и э.д.с. не индуцируется. В период движения стороны Б рамки к южному полюсу магнита (рис.3 , а, б) ток в ней направлен на нас. Этот ток проходит через полукольцо, щетку 2, измерительный прибор к щетке /ив сторону А рамки. В этой стороне рамки ток индуцируется в направлении от нас. Своего наибольшего значения э.д.с. в рамке достигает тогда, когда стороны ее расположены непосредственно под полюсами (рис.3, б).

Рис. 3. Схема работы генератора постоянного тока

При дальнейшем вращении рамки э.д.с. в ней убывает и через четверть оборота становится равной нулю (рис. 3, в). В это время щетки переходят с одного полукольца на другое. Таким образом, за первую половину оборота рамки каждое полукольцо коллектора соприкасалось только с одной щеткой. Ток проходил по внешней цепи в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Будем продолжать вращать рамку. Электродвижущая сила в рамке снова начинает возрастать, так как ее рабочие стороны будут пересекать магнитные силовые линии. Однако направление э.д.с. изменяется на противоположное, потому что проводники пересекают магнитный поток в обратном направлении. Ток, индуцируемый в стороне А рамки, направлен теперь на нас. Но ввиду того, что рамка вращается вместе с коллектором, полукольцо, соединенное со стороной А рамки, соприкасается теперь не со щеткой 1, а со щеткой 2 (рис.3, г) и по внешней цепи проходит ток того же направления, как и во время первой половины оборота. Следовательно, коллектор выпрямляет ток, т. е. обеспечивает прохождение индуцируемого тока во внешней цепи в одном направлении. К концу последней четверти оборота (рис.3, д) рамка возвращается в первоначальное положение (см. рис.3, а), после чего весь процесс изменения тока в цепи повторяется.
Таким образом, между щетками 2 и 1 действует постоянная по направлению э.д.с, и ток по внешней цепи всегда проходит в одном направлении — от щетки 2 к щетке 1. Хотя этот ток остается постоянным по направлению, он меняется по величине, т. е. пульсирует. Такой ток практически трудно использовать.
Рассмотрим, как можно получить ток с небольшой пульсацией, т. е. ток, величина которого при работе генератора мало изменяется. Представим себе генератор, состоящий из двух расположенных перпендикулярно один к другому витков (рис.4). Начало и конец каждого витка присоединены к коллектору, состоящему теперь из четырех коллекторных пластин.

Рис.4. Генератор постоянного тока с двумя витками

При вращении этих витков в магнитном поле в них возникает э.д.с. Однако индуцированные в каждом витке э.д.с. достигают своих нулевых и максимальных значений не одновременно, а позднее одна другой на время, соответствующее повороту витков на четверть полного оборота, т. е. на 90°. В положении, изображенном на рис.4, в витке 1 возникает максимальная э.д.с, равная Емах. В витке 2 э. д. с. не индуцируется, так как его рабочие стороны скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. Величины э.д.с витков показаны на рис.5. По мере поворота витков э.д.с витка 1 убывает. Когда витки повернутся на 1/8 оборота , э.д.с. витка 1 станет равной Emin. В этот момент происходит переход щеток на вторую пару коллекторных пластин, соединенных с витком 2. Виток 2 уже повернулся на 1/8 оборота, пересекает магнитные силовые линии и в нем индуцируется э.д.с, равная той же величине Емах. При дальнейшем повороте витков э.д.с. витка 2 возрастает до наибольшей величины Емах. Таким образом, щетки оказываются все время соединенными с витками, в которых индуцируется э.д.с величиной от Emin до Емах.

Рис.5. Кривые пульсации электродвижущей силы двухвиткового генератора

Ток во внешней цепи генератора возникает в результате действия суммарной э.д.с. Поэтому он протекает непрерывно и только в одном направлении. Ток, как и прежде, будет пульсирующим, однако пульсация получается значительно меньше, чем при одном витке, так как э.д.с. генератора не снижается до нуля.
Увеличивая число проводников (витков) генератора и соответственно число коллекторных пластин, можно сделать пульсации тока очень малыми, т. е. ток по величине станет практически постоянным. Например, уже при 20 коллекторных пластинах колебания э.д.с. генератора не превысят 1 % среднего значения. Во внешней цепи получим ток, практически постоянный по величине.
Вместе с тем легко видеть, что генератор, изображенный на рис.4, имеет и очень существенный недостаток. В каждый определенный момент времени внешняя цепь присоединена посредством щеток лишь к одному витку генератора. Второй виток в этот же момент времени совершенно не используется. Электродвижущая сила, индуцируемая в одном витке, весьма мала, а значит и мощность генератора будет небольшой.
Для непрерывного использования всех витков их соединяют между собой последовательно. С этой же целью число коллекторных пластин уменьшают до количества витков обмотки. К каждой коллекторной пластине присоединяют конец одного и начало следующего витка обмотки. Витки в этом случае представляют собой последовательно соединенные источники электрического тока и образуют обмотку якоря генератора. Теперь электродвижущая сила генератора равна сумме э.д.с, индуцируемых в витках, включенных между щетками. Кроме последовательной, существуют и другие схемы соединения витков обмотки. Число витков берется достаточно большим, чтобы получить необходимую величину э.д.с. генератора. Поэтому и коллекторы тепловозных электрических машин получаются с большим количеством пластин.
Таким образом, благодаря большому числу витков обмотки удается не только сгладить пульсации напряжения и тока, но и повысить значение индуцируемой генератором э.д.с.
Выше был рассмотрен электрический генератор, состоящий из постоянных магнитов и одного или нескольких витков, в которых возникает ток. Для практических целей такие генераторы непригодны, так как от них невозможно получить большую мощность. Объясняется это тем, что создаваемый постоянным магнитом магнитный поток очень мал. Кроме того, пространство между полюсами создает для магнитного потока значительное сопротивление. Магнитный поток еще более ослабляется. Поэтому в мощных генераторах, к которым относятся и тепловозные, применяются электромагниты, создающие сильный магнитный поток возбуждения (рис.6). Для уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода генератора витки обмотки размещают на стальном цилиндре, который заполняет почти все пространство между полюсами.
Этот цилиндр с помещенной на нем обмоткой и коллектором называется якорем генератора.

Рис. 6. Схема генератора с электромагнитной системой возбуждения и стальным массивным якорем

Обмотка возбуждения генератора расположена на сердечниках главных полюсов. При прохождении по ней тока создается магнитное поле, называемое полем главных полюсов. При разомкнутой внешней цепи генератора магнитные силовые линии располагаются в полюсах и якоре симметрично вертикальной оси (рис.7, а). Для уяснения особенностей работы электрической машины введем понятия о геометрической и физической нейтралях.
Геометрической нейтралью называется линия, проведенная через центр якоря перпендикулярно оси противоположных полюсов (горизонтальная линия 01—01). Физическая нейтраль представляет собой условную линию, которая разделяет зоны влияния северного и южного полюсов на обмотку якоря и проходит перпендикулярно направлению магнитного потока электромашины.
В проводнике обмотки, который при вращении якоря проходит физическую нейтраль, э.д.с. не индуцируется, так как такой проводник скользит вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. В случае отсутствия тока в якоре (см. рис.7, а) физическая нейтраль n—n совпадает с геометрической нейтралью.

Рис.7. Реакция якоря.
а — магнитный поток главных полюсов; б — магнитный поток, создаваемый обмоткой якоря; в — суммарный магнитный поток нагруженного генератора

При замыкании внешней цепи электрической машины ток пойдет и по обмотке якоря. Весь якорь в этом случае будет представлять собой мощный электромагнит, состоящий из стального сердечника и обмотки, по которой проходит ток. Следовательно, кроме потока полюсов, в нагруженном генераторе существует второй магнитный поток, называемый потоком якоря (рис.7, б). Магнитный поток якоря направлен перпендикулярно потоку главных полюсов. Оба магнитных потока накладываются друг на друга и образуют суммарное, или результирующее, поле, показанное на рис.7, в. Направление магнитного поля генератора в результате действия поля якоря смещается в сторону вращения якоря. В ту же сторону смещается и физическая нейтраль, которая занимает в этом случае положение n1-n1.
Влияние магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря. Реакция якоря отрицательно сказывается на работе генератора. Щетки М—М электрической машины должны быть всегда установлены по направлению физической нейтрали. Поэтому приходится смещать щетки генератора по отношению к геометрической нейтрали на некоторый угол Р (рис.7, в), так как в противном случае между щетками и коллектором возникает сильное искрение. Искрение вызывает подгар поверхности коллектора и щеток и выводит их из строя. Чем больше ток якоря, тем сильнее проявляется реакция якоря, тем на больший угол необходимо сдвигать щетки. При частых изменениях нагрузки тепловозного генератора пришлось бы почти непрерывно менять положение его щеток.
Реакция якоря не только смещает магнитное поле главных полюсов, но и частично ослабляет его, что приводит к уменьшению индуцируемой генератором э. д. с.
Для ослабления реакции якоря в генераторах между основными полюсами устанавливаются добавочные полюсы, а иногда с этой же целью в полюсные наконечники главных полюсов закладывают компенсационную обмотку. Добавочные полюсы создают дополнительное магнитное поле, которое в зонах установки щеток направлено навстречу полю якоря, вследствие чего действие его нейтрализуется (рис.8).

Рис. 8. Схема генератора с добавочными полюсами

Однако этим не ограничивается положительное влияние добавочных полюсов на работу генератора. После прохода через нейтраль генератора направление тока в каждом витке обмотки (см. рис.7) очень быстро изменяется на противоположное. На нейтрали виток оказывается замкнутым накоротко щетками. Такой виток называют коммутирующим (Коммутация от латинского слова commutatio — изменение, перемена). В коммутирующих витках (секциях) обмотки якоря вследствие очень быстрого изменения направления тока возникает довольно большая э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции, которую называют реактивной э.д.с. Эта э.д.с. в коммутирующих секциях усиливается действием магнитного потока якоря, который они пересекают. Действие реактивной э.д.с. приводит к сильному искрению щеток. Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы их магнитный поток был несколько больше магнитного потока якоря. Благодаря этому в коммутирующих секциях индуцируется дополнительная э.д.с. Новая э.д.с. имеет направление, противоположное реактивной э.д.с, и гасит ее, предотвращая интенсивное искрение.
Магнитное поле якоря изменяется с изменением нагрузки (тока) генератора, поэтому для его нейтрализации необходимо изменять и поле компенсационных устройств. Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, и по ней проходит весь ток якоря. С увеличением тока генератора возрастает магнитный поток якоря, но вместе с этим возрастает и компенсирующий его магнитный поток добавочных полюсов.
Компенсационная обмотка позволяет дополнительно улучшить распределение магнитного потока в электрической машине. Так, из рис.7 легко видеть, что в результате действия реакции якоря магнитный поток главных полюсов становится неравномерным — с одной стороны полюса он усиливается, а с другой — ослабляется. Это приводит к неравномерной нагрузке якорной обмотки, часть витков окажется перегруженной, ухудшаются условия работы щеток.
С помощью компенсационной обмотки, расположенной на главных полюсах, устраняется искажение магнитного потока непосредственно под главными полюсами. Однако одновременное применение добавочных полюсов и компенсационной обмотки значительно усложняет конструкцию электрических машин. Если удается осуществить удовлетворительную работу электрической машины посредством применения добавочных полюсов, то компенсационную обмотку стараются не применять. Компенсационные обмотки нашли практическое применение лишь в мощных электрических машинах.

На следующих рисунках представлен генератор Г-21 на 12 В, 0.22 кВт, 1450 -7000 об/мин.

ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

• длина проволоки;
• величина индукции магнитного поля;
• частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д.с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

• с независимым возбуждением;
• с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

• с параллельным возбуждением;
• с последовательным возбуждением;
• со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

• подвижная вращающаяся часть якорь;
• неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

• простота конструкции, компактность;
• надежность;
• экономичность;
• обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
• практически линейная внешняя характеристика.

• высокая стоимость;
• ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.