Каков механизм действия генератора постоянного тока?

На явлениях электромагнитной индукции и электромагнитной силы основана работа генераторов и двигателей постоянного то­ка. Руководствуясь тем, что любая электрическая машина обра­тима, т. е. может служить в определенных условиях как генера­тором, так и двигателем, будем рассматривать устройство маши­ны постоянного тока независимо от ее назначения.

Схема машины постоянного тока

Схема машины постоянного тока.

Основными частями машины постоянного тока являются якорь и станина, несущая электромагниты. Неподвижная часть, станина, изготавливается обычно из литой стали. С внутренней стороны на станине укреп­ляются сердечники полюсов. На концах эти сердечники снабжа­ются полюсными наконечниками («полюсными башмаками»). Последние предназначены для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. На сердечники на­деты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины.Станина машины является замыкающей частью — ярмом магнитопровода. Кроме основных полюсов возбуждения, на ста­нине между сердечниками главных полюсов помеща­ются сердечники дополнительных полюсов, катушки которых со­единяются последовательно с якорем. Назначение дополнитель­ных полюсов — обеспечить безыскровую работу щеток на кол­лекторе, хорошую коммутацию.

Схема кольцевого якоря

Схема кольцевого якоря.

Якорь (ротор) машины представляет собой цилиндрическое тело, собранное из листовой электротехнической стали, обычно толщиной 0,5—1 мм. Якорь является вращающейся частью машины, в его пазах размещается обмотка, соединенная проводниками с укрепленным на валу якоря коллектором. Последний состоит из ряда медных изолированных одна от другой пластин трапециевидного сечения, образующих цилиндрическую поверхность. Пластины коллектора изолируются как од­на от другой, так и от вала миканитом.

На коллектор опираются неподвижные в пространстве комп­лекты угольных или медных щеток, установленных в щеткодер­жателях. Таким образом, при вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины. В щеткодержателе щетка пружиной прижимается к коллектору. Щеткодержатели укрепляются на щеточных бол­тах и щеточной траверсе, которая связывается либо с подшипни­ковым щитом машины, либо с ее станиной. Траверсу можно поворачивать и тем самым изменять положение всей системы щеток по отно­шению к полюсам маши­ны. Щеточные болты изо­лируются от траверсы. Через коллектор и щетки якорь машины соеди­няется с внешней цепью.

В машине имеются две электрические цепи: цепь якоря и цепь воз­буждения. По цепи воз­буждения пропускается постоянный ток, который, проходя через обмотку возбуждения, создает основное магнитное поле машины.

Чтобы возможно нагляднее объяснить получение постоянной ЭДС при помощи машины и роль коллектора, рассмотрим условия работы простейшего кольцевого якоря машины по­стоянного тока.Этот якорь представляет со­бой полый цилиндр, собранный из листовой электротехнической стали. Обмотка якоря обвивает полый цилиндр, образуя замкну­тый контур. Магнитный поток пронизывает сердечник якоря, минуя его внутреннюю полость.При вращении якоря ЭДС индуктируется только в провод­никах, лежащих на наружной стороне якоря. Части же обмотки, лежащие на внутренней и торцевых сторонах якоря, не участ­вуют в образовании ЭДС и выполняют лишь роль соедини­тельных проводников. Определяя направление ЭДЕ, мы видим, что ЭДС в витках обмотки, движущихся под северным полю­сом, противоположна по направлению ЭДЕ, индуктируемой в витках, движущихся под южным полюсом.

Схема распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря и положение щеток в четырехполюсной машине

Схема распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря и положение щеток в четырехполюсной машине.

Так как устройство машины симметрично, то эти ЭДС в замкнутой обмотке якоря взаимно уравновешиваются и никакого внутреннего тока в об­мотке не возникает. Чтобы использовать ЭДС обмотки, можно соединить ее с внешней нагрузочной цепью посредством непо­движных щеток. Место щеток следует выбрать так, чтобы полностью использовать ЭДЕ, индуктируемую обмоткой.Щетки делят обмотку на две параллельные ветви с одина­ковыми ЭДС. В каждой из параллельных ветвей обмотки все ЭДС должны иметь одинаковое направление, в противном слу­чае не будет использована полностью ЭДС всех витков обмотки (в предельном случае, когда щетки поставлены под серединами полюсов, напряжение между ними будет равно нулю). Направ­ление ЭДС в проводниках обмотки определяется и направле­нием магнитного поля, и направлением вращения якоря.

Индукция имеет наибольшее значение под серединой полюсов машины, а в точках, находящихся на линии, перпендикулярной к оси полюсов и проходящей через центр якоря, индукция равна нулю. Распределение индукции вдоль окружности якоря зависит от магнитного сопротивления вдоль окружности машины, а это сопротивление в большой мере определяется формой полюсных наконечников. Следовательно, щетки должны стоять на нейтрали.

Схема соединения обмотки якоря с внешней цепью через коллектор и щетки

Схема соединения обмотки якоря с внешней цепью через коллектор и щетки.

Вследствие такого положения щеток между ними создается постоянное напряжение, хотя ЭДС, индуктируемая в каждом из витков обмотки якоря, является переменной. Напряжение между ветвью обмотки яко­ря; такая ветвь состоит из группы последовательно соединенных, непрерывно движущихся проводников; отдельные проводники один за другим переходят из области северного полюса в область южного полюса, при этом направление ЭДС в них изменяется.

Но в то же время положение каждой группы проводников, обра­зующей параллельную ветвь обмотки, остается неизменным по отношению к полюсам машины. Благодаря этому напряжение между щетками машины постоянно. Процесс переключения эле­ментов обмотки из одной параллельной ветви в другую называет­ся коммутацией.

Если вместо двух полюсов машина имеет четыре полюса, то для использования ее ЭДС при рассмат­риваемой нами обмотке кольцевого якоря понадобятся четыре щетки, ко­торые должны быть соединены между собой попарно. Эти щетки разделяют обмотку на две пары параллельных ветвей.

Нецелесообразно приспосабливать обмотку якоря для непосредственного контакта проводников якоря со щет­ками. Лучше и надежнее, когда щет­ки скользят по специально для этого приспособленным пластинам коллек­тора, а пластины проводниками сое­диняются с отдельными витками замкнутой обмотки якоря.
При помощи коллектора и этих соединительных проводников щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви совершенно так же, как и при непосредственном контакте щеток с этой обмоткой.

http://www.youtube.com/watch?v=oU04LwjbsNI

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как при спиральной обмотке более полови­ны длины ее не участвует в образовании ЭДЕ, а служит лишь для соединения между собой активных проводников, лежащих на внешней стороне кольцевого якоря.

Значительно лучше использована медь в обмотках относи­тельно сложного барабанного якоря. Барабанный якорь пред­ставляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, в пазах которого только с внешней стороны барабана размещаются проводники обмотки якоря.

Машина постоянного тока обратима: если машину вращает первичный двигатель и магнитное поле машины возбуждено, то в якоре наводится ЭДС и через коллектор и щетки машина посылает постоянный ток во внешнюю цепь. В якоре этот ток, вза­имодействуя с полем машины, создает тормозящий момент, пре­одолеваемый первичным двигателем. В таких условиях машина работает генератором.

http://www.youtube.com/watch?v=xAjwFnlxfAE

Если же якорь и обмотка возбуждения машины включены под постоянное напряжение, то ток, проходя­щий через обмотку якоря, взаимодействуя с полем машины, со­здает вращающий момент, приводящий якорь во вращение, при этом в обмотке якоря наводится анти ЭДС. В таких усло­виях машина работает в режиме двигателя, превращая электри­ческую энергию в механическую.

КОММЕНТАРИИ
  • Добавить комментарий

Top