Принцип действия генератора постоянного тока

Классификация

Есть два типа генераторов постоянного тока:

независимое возбуждение обмоток;
самопробуждение.

Электроэнергия, вырабатываемая самим устройством, используется для самовозбуждения генераторов. По принципу соединения обмоток якоря генераторы с самовозбуждением делятся на следующие типы:

Устройства с параллельным возбуждением;
генераторы переменного тока с последовательным возбуждением;
устройства смешанного типа (комбинированные генераторы).

С параллельным возбуждением

Рассмотрим подробнее особенности каждого типа соединения обмоток якоря.

Для обеспечения нормальной работы электроприборов необходимо стабильное напряжение на выводах генератора, независимо от изменения общей нагрузки. Эта проблема решается регулировкой параметров возбуждения. В генераторах переменного тока с параллельным возбуждением выводы катушки подключаются через регулирующий реостат параллельно обмотке якоря.

Полевые реостаты могут блокировать намотку поля на себя. В противном случае при разрыве цепи возбуждения резко возрастет самоиндукция ЭДС в обмотке, что может привести к разрыву изоляции. В состоянии короткого замыкания энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая повреждение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не требуют внешнего источника питания. Из-за остаточного магнетизма, всегда присутствующего в сердечнике электромагнита, параллельные обмотки самовозбуждаются. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов изготовлены из литой стали.

С независимым возбуждением

Процесс возбуждения продолжается до тех пор, пока ток не достигнет предельного значения и ЭДС не достигнет номинального значения при оптимальной скорости вращения якоря.

Преимущество: генераторы, возбуждаемые параллельно, не подвергаются токам короткого замыкания.

Батареи или другие внешние устройства часто используются в качестве источника питания для обмоток возбуждения. В машинах малой мощности используются постоянные магниты, обеспечивающие наличие основного магнитного потока.

С последовательным возбуждением

У мощных генераторов переменного тока есть возбудитель на валу, который производит постоянный ток, возбуждающий обмотки основного корпуса. Возбуждения достаточно для 1–3% номинального тока якоря и не зависит от тока якоря. Изменчивость ЭДС управляется регулируемым реостатом.

Преимущество независимого возбуждения заключается в том, что ток возбуждения не зависит от напряжения на клеммах. Это обеспечивает хорошие внешние характеристики генератора.

Со смешанным возбуждением

Последовательные обмотки производят ток, равный току генератора. Поскольку на холостом ходу нагрузка равна нулю, возникает нулевое возбуждение. Это означает, что характеристика холостого хода не может быть удалена, т.е. отсутствует характеристика регулирования.

В генераторах переменного тока с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, когда ротор работает на холостом ходу. Чтобы инициировать процесс возбуждения, к клеммам генератора необходимо подключить внешнюю нагрузку. Эта четкая зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Эти устройства можно использовать только для питания электрических устройств с постоянной нагрузкой.

Конструкции генераторов смешанного возбуждения сочетают в себе полезные свойства. Их характеристики: эти устройства имеют две катушки — основную, включенную параллельно обмотке якоря, и вспомогательную, включенную последовательно. В цепь параллельной обмотки включен реостат для регулирования тока возбуждения.

Бензогенератор своими руками на 220 в — ищем экономию

Пользу от собственного бензогенератора искать нет надобности, она лежит на поверхности.

Владельцы гаражей, дачных участков, частных домов (при условии, что эти объекты имеют ненадежное энергообеспечение, или не электрифицированы вовсе) давно оценили преимущества резервного электропитания.

Даже если вы живете в коттеджном поселке с нормальным подводом электричества, возможны аварийные ситуации. Пропадание энергии на продолжительное время приведет к порче продуктов в холодильнике летом, и нарушениям в работе отопительного котла зимой.

Поэтому многие домовладельцы приобретают промышленные генераторы, стоимость которых не назовешь экономной. Еще одно направление для мобильных электростанций – туризм, экспедиции и выполнение работ с помощью электроинструмента в автономном режиме.

Этот полезный прибор не относится к слишком сложным устройствам, поэтому бензогенератор вполне можно собрать своими руками, в том числе и на 220 в.

Разумеется, главная причина такого решения – стремление экономить. Если вы будете приобретать компоненты для мобильной электростанции в магазине – затраты на детали превысят экономию на сборке.

Поэтому, рентабельным самодельный бензогенератор станет, лишь при наличии условно бесплатных компонентов.

Самыми дорогими запчастями являются: привод (бензиновый двигатель) и электромотор, который выступит в роли генератора. Именно их необходимо подобрать из имеющегося в запасниках «хлама».

Расчет рабочих параметров генератора

Номинальный режим работы машин постоянного тока регламентируется: отдаваемой мощностью, напряжением на зажимах обмотки якоря, его током и частотой вращения. Именно эти величины считаются паспортными, от них отталкивается расчет остальных параметров. Между напряжением на зажимах, общим сопротивлением обмотки и ЭДС генератора прямая связь, выражаемая уравнением:
Е=U+Iя·∑R,
Где ∑R определяется как падение сопротивления на всех активных участках обмотки: якоря, добавочных полюсов, щеточных контактов, компенсационной и последовательной обмотки возбуждения. Получив эту величину, нетрудно провести расчет полезной мощности генератора, в частности:
P= U·I,
где I – величина тока, отдаваемого во внешнюю сеть.
Существует четкая взаимосвязь: увеличение частоты оборотов активных контуров якоря и числа его полюсов приводит к возрастанию полезной мощности и наоборот. Еще одна паспортная величина – коэффициент полезного действия машины постоянного тока определяется как отношение полезной отдаваемой мощности к полной, в идеале эта величина составляет не менее 90%. На практике отдача немного меньше, так как такой расчет не учитывает механические и магнитные потери на трение.
Соответственно, исходя из требуемых номинальных характеристик проводится расчет параметров самого генератора: числа полюсов и коллекторных пластин, площади пазов, длины якоря, числа витков обмотки. Такой расчет проводят исключительно специалисты, он определяет габариты, параметры обмотки и все остальные рабочие характеристики генератора.

Способы возбуждения

За счёт использования в устройствах малой мощности постоянных магнитов получается магнитное возбуждение. Соответственно при использовании электромагнитов имеем электромагнитное. Данный способ нашёл широкое применение при производстве генераторов такого типа.

Подробнее о дизельных генераторах
Кабель ВВГ-Пнг(A)-LSLTx
В каких случаях нужен дизель-генератор: советы по выбору

Ещё способы возбуждения генераторов постоянного тока зависят от назначения нужного нам генератора и от того, каким способом подключим обмотку. Если подключить обмотку через специальный реостат к внешнему истоку тока, тогда имеем независимое возбуждение. Такие генераторы находят широкое применение в электрохимическом производстве.

При подключении обмотки через все тот же реостат к клемам самого генератора, получим параллельное возбуждение. Большим плюсом генераторов с таким типом возбуждения является его защита от короткого замыкания, обусловленного все тем же способом возбуждения.

Если обмотку подключить последовательно к якорю, то получится последовательное возбуждение. При таком способе подключения наблюдается сильная зависимость изменения напряжения от величины подключённой нагрузки.

Подключение проводят таким образом, чтобы создавались магнитные потоки в одном векторе. Число витков при таком подключение в обмотках рассчитывается так, чтобы падение напряжение на одной обмотке компенсировалось другой.

Устройство и принцип работы

Генератор основан на принципе электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при его вращении магнитный поток изменится на противоположный (см. Рис. 1). По закону электромагнитной индукции ЭДС индуцируется в момент пересечения. Электродвижущая сила увеличивается по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору подключить нагрузку R (два желтых полукольца на рисунке), то по созданной цепи будет протекать ток.

По мере того, как повороты рамки покидают зону магнитного потока, ЭДС ослабевает и достигает нуля, когда рамка горизонтальна. По мере того как контур продолжает вращаться, противоположные стороны контура меняют свою магнитную полярность: часть кадра, которая была ниже Северного полюса, занимает положение над Южным полюсом.

Значения ЭДС в каждой активной обмотке цепи задаются формулой: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где B — магнитная индукция, l — длина стороны рамки, v — линейная скорость вращения контура, t — время, t — угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

Когда полюса меняются местами, направление тока меняется. Однако из-за того, что коллектор вращается синхронно с рамой, ток нагрузки всегда направлен в одном направлении. Это означает, что обсуждаемая модель производит электричество непрерывно. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, что означает, что ее изменение подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, такая конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет ЭДС пульсации. Поэтому график генерируемого тока такой, как показано на рис.2.

Такой ток, за исключением редких случаев, непригоден. Нам нужно сгладить неровности до приемлемого уровня. Это достигается за счет увеличения количества полюсов постоянных магнитов, а вместо простого каркаса используется более сложная конструкция — арматура, с большим количеством обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. Рис. 3). Причем обмотки подключаются по-разному, о чем будет сказано ниже.

Фурнитура изготовлена из листовой стали. В сердечниках якоря имеются прорези, в которые помещается несколько витков провода, образующих рабочую обмотку ротора. Провода в пазах соединены последовательно с образованием катушек (секций), которые, в свою очередь, образуют замкнутую цепь через пластины коллектора.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, вращаются ли обмотки цепи или сам магнит. Поэтому на практике якоря маломощных генераторов изготавливаются из постоянных магнитов, а возникающий переменный ток выпрямляется диодными мостами и другими цепями.

И наконец: если на коллектор подается постоянное напряжение, генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронного двигателя.

Структура двигателя (он же генератор) очевидна на рисунке 4. Неподвижный статор состоит из двух полюсных сердечников.изготовлены из ферромагнитных пластин и последовательно соединенных обмоток возбуждения. Кисти выровнены друг с другом. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Генератор смешанного возбуждения. Схема включения, характеристики

Рис. 9-1.Схемы генераторов и дзигателей независимого (о), параллельного (б), последовательного (в) исмешанного (г)

возбуждения (сплошные стрелки — направления токов в режиме генератора, штриховые — в режиме двигателя)

Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмоткн создают н. с. одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток возбуждения называется встречным.

Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения. Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка ОВШ. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря Fв,qd. В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом I будет возрастать, как это видно на внешней характеристике U=f(I) при ΣRв= const, изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки.

Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения снимаются так же, как и у генератора параллельного возбуждения, и имеют такой же характер.

В зависимости от соотношения между МДС последовательной (сериесной) обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fв,qd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика (кривая 2) идет выше характеристики холостого хода (кривая 1) (рис. 14).

Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря.

Генератор смешанного возбуждения самовозбуждается так же , как и генератор параллельного возбуждения,( Условия самовозбуждения генератора)

1. Наличие остаточного магнитного потока

2. Правильное подключение обмотки возбуждения. Магнитный поток, должен совпадать по направлению с остаточным

3. Сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше некоторого критического

4. Скорость вращения якоря должна быть больше некоторой критической

и их х.х.х. аналогичны. Х.к.з можно снять только при питании параллельной обмотки возбуждения от постороннего источника, если действие последовательной обмотки является встречным, так как при согласном действии обмоток возбуждения возникает недопустимо большой ток К.З.

Параметры генератора

Работу генератора оценивают по нескольким параметрам:

номинальный ток и номинальное напряжение;
номинальная частота возбуждения;
частота самовозбуждения;
коэффициент полезного действия (КПД).

Номинальное напряжение для бортовой сети автомобиля от генератора 12В или 24В. Токоскоростная характеристика показывает зависимость силу тока от частоты вращения генератора.

Характеристика генератора

Напряжение генератора можно измерить мультиметром. При всех выключенных потребителях без нагрузки на холостом ходу мультиметр должен показывать напряжение в пределах 14,3В — 15,5В. Если напряжение после запуска двигателя свыше 14В, то это может говорить о разряде АКБ и зарядке его генератором. При поочередном включении потребителей (фары, подогрев, кондиционер и т.д.) напряжение уменьшается примерно на 0,2 после каждого включения. Но в итоге напряжение не должно снижаться ниже 12,8В. Если значение меньше, то аккумулятор начнет разряжаться. Если напряжение, наоборот, сильно высокое (14В и выше), то это может привести к выходу АКБ из строя. При этом на выходе самого аккумулятора напряжение должно быть в пределах 12,6В — 12,7В.

Напряжение генератора под нагрузкой может отличаться от номинальных значений 12В. После включения всех потребителей тока значение должно быть в пределах 13,5В — 14В. Если ниже, то это может указывать на неисправность устройства. Допустимым пределом считается 13В.

На картинке ниже показана подробная схема подключения генератора в автомобиле.

Схема подключения генератора

Область применения

Применяют синхронные агрегаты как источники электроэнергии переменного тока: используют на мощных тепло-, гидро- и атомных станциях, на передвижных электрических станциях, транспортных системах (машинах, самолетах, тепловозах). Синхронный агрегат способен работать автономно – генератором, который питает подключаемую к ней какую-либо нагрузку, либо параллельно с сетью — в нее подключены иные генераторы.

Синхронный агрегат может включать устройства в тех местах, где нет центрального питания электрических сетей. Данные приборы можно применять в фермерских хозяйствах, которые расположены далеко от населенных пунктов.

Уравнение вращающих моментов

Если все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря

то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:

(3)

(4)

представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,

(5)

– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и

(6)

– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности.

В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения

(7)

где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин div > .uk-panel’>» data-uk-grid-margin>

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

индуктор: неподвижная часть;
якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.