Тұрақты ток генераторының жұмыс істеу принципі

Генератор деп берілген механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіретін электрлік машинаны айтады.

Тұрақты ток машинасы генераторлық режимде жұмыс жасау үшін бас полюстердің қоздыру орамалары тұрақты ток көзіне қосылуы керек және якорьді механикалық энергия көзі болып табылатын қандай да бір жетектеуші қозғалтқыштың көмегімен айналдыру керек, яғни оған механикалық энергия берілуі керек.

Қарапайым генераторды тұрақты магнит өрісінде бірқалыпты айналып тұрған мыс орам ретінде қарастыруға болады. Тұрақты магнит өрісін бас полюстер тудыратынын, ал айналып тұрған орам якорь орамасының бір секциясы екендігін атап өтейік. Бұл орамның екі ұшы екі коллекторлық пластинамен жалғасқан. Бұл екі пластина өз кезегінде екі қозғалмайтын щеткамен түйіскен. Щеткалар сыртқы тізбектегі кедергісі R_ж тең қабылдағышпен жалғасқан.

Якорь орамы бірқалыпты n жылдамдықпен айналған кезде оның активті жағын тұрақты магнит өрісінің күштік сызықтары қиып өтеді. Соның нәтижесінде орамның бойында электромагнит индукция заңына сәйкес е₁ және е₂ э.қ.к.-тері пайда болады. Олардың бағыттары оң қол ережесі бойынша анықталады. Орам сағат тілінің жүрісімен бағыттас айналған кезде

сурет – Тұрақты ток генераторы

солтүстік магниттік полюстың N астындағы оның активті қабырғасында бағыты бізден ары бағытталған е₁ э.қ.к.-і, ал оңтүстік магниттік полюстен S жоғары орналасқан активті қабырғада бізге қарай бағытталған е₂ э.қ.к.-і пайда болады. Бұл э.қ.к.- тер қосылады да, орамның толық э.қ.к.-ін құрайды: Е= е₁+ е₂. Егер сыртқы тізбек тұйықталған болса, онда төменгі щеткадан қабылдағыштың (жүктеменің) кедергісіне R_ж , одан әрі жоғарғы щеткаға бағытталған ток I жүреді. Төменгі щетка генератордың оң полюстік ұштығы, ал жоғарғы щетка теріс полюстік ұштығы ретінде саналады. Орам 180⁰ градусқа бұрылған кезде оның активті қабырғалары бір магниттік полюс аумағынан екінші магниттік полюс аумағына ауысады да, э.қ.к.- тердің бағыттары кері бағытқа өзгереді. Осы сәтте жоғарғы коллекторлық пластинаның жоғарғы щеткамен түйісуі үзіліп, төменгі щеткамен түйіседі. Мұндай синхронды өзгерістер нәтижесінде сыртқы тізбектегі токтың бағыты өзгермейді.

Демек, ораммен бірге айналып тұрған коллекторлық пластиналар мен қозғалмайтын щеткалар орамның сыртқы тізбекпен электрлік байланысын қамтамасыз етумен қатар, токтың механикалық түзеткіші қызмет атқаратын арнаулы ауыстырып қосқыш құрылғы болып саналады.

Щеткалардағы э.қ.к.-тің және токтың бағыты өзгермейді, бірақ сыртқы тізбекте олардың мәндері айнымалы болады. Бұл орам айналған кезде оның магнит өрісіндегі орнының өзгеруіне байланысты, демек, орамның лездік жылдамдығының векторы мен магнит индукциясының арасындағы бұрыштың өзгеруінен туындайды. Қолданыстағы машиналарда ток пен э.қ.к.-тің мұндай пульсациясын (өзгеруін) орам санын көбейту арқылы және соған сәйкес коллекторлық пластиналар санын көбейту арқылы түзулетеді (тегістейді).

Тұрақты ток машиналарында якорьдың орамасы өте көп секциядан тұрады. Әр секция бірнеше орамнан тұрады. Секциялардың бір активті

Сурет - э.қ.к.-тің пульсациясын тегістеу

қабырғалары бір магниттік полюстің астындағы өзекшенің ойықтарына ораналасады, ал екінші активті қабырғалары екінші магниттік полюстің астындағы өзекшенің ойықтарына орналасады. Осы шарттар орындалғанда ғана э.қ.к.-тер қосылады. Якорь орамасының секциялары бір-бірімен коллекторлық пластиналар арқылы байланысады.

Сурет – якорь орамасының секцияларының түрлері

Генератордың щеткалары сыртқы жүктемеге R_ж қосылса, онда жүктеме R_ж және кедергісі R_я тең якорь орамасы арқылы ток I жүреді. Ток пайда болған сәттен бастап орамдардың активті қабырғаларына бағыттары сол қол ережесімен анықталатын электромагниттік күштер F_эм әсер ете бастайды. Бұл күштер якорьдың айналуына қарсы бағытталған момент М_қар тудырады. Егер якорьдың айналу жылдамдығы n болса, онда жетекші қозғалтқыштың айналдыру моменті М_айн қарсы әрекет ететін электромагниттік моментке тең болуы керек: М_айн= М_қар=М. Сонымен якорьді айналдырып, электр энергиясын өндіру үшін механикалық энергия жұмсалуы керек. Якорь тогы үлкен болған сайын механикалық энергияда көп жұмсалады.

Якорьдың тізбегінің орынбасу сұлбасына сәйкес Кирхгофтың екінші заңы бойынша

(1)

Бірақ екендігін ескерсек, онда (1) теңдеуден

Сурет – Генератордың якорының тізбегінің орынбасу сұлбасы

(2)

Бұл (2) өрнек генератордың кернеуінің теңдеуі деп аталады, ол генератордың қысқыштарындағы (ұштарындағы) кернеу U э.қ.к.-тен E якорьдың орамасындағы кернеудің түсуіне IR_я тең шамаға кем екендігін білдіреді.

(2) өрнектің екі жағында I көбейтсек, онда якорь тізбегі үшін қуаттар теңдестігі теңдеуін аламыз:

(3)

Немесе

(4)

Сонымен тұтынушы (қабылдағышқа) берілетін қуатты P=UI анықтау үшін жетектеуші қозғалтқыштан алынған механикалық қуатты

P_мех=M_айн ω=M_айн 2πn якорьде түрлендіру нәтижесінде пайда болған электромагниттік қуаттан P_эм=EI ораманың кедергісіндегі электрлік шығынды P_эл.ш=I²R алып тастау керек.

Тұрақты ток генераторының якорының э.қ.к.-і мына формула бойынша анықталады:

, (5)

мұндағы - қарастырылған машинаның тұрақты конструктивтік коэффициенті, машинаның конструктивтік параметрлеріне байланысты анықталатын тұрақты шама; n- якорьдың айналу жиілігі; Ф – бір полюстің магнит ағыны; 2р – жұп полюстер саны; 2а – якорь орамасының параллель тармақтарының саны; N – якорь орамасының секцияларының активті қабырғаларының саны.

Генераторлық режимде бұл э.қ.к. якорьдың әрекеттік э.қ.к. – і болып саналса, ал қозғалтқыштық режимде ол қарсы әрекеттік э.қ.к. – і болып саналады.

Тұрақты ток генераторының электромагниттік моменті:

, (6)

Мұндағы - моменттің конструктивтік коэффициенті, қарастырылған машинаның конструктивтік параметрлеріне байланысты анықталатын тұрақты шама; I_я – якорь тогы.

Генераторлық режимде бұл момент якорьдың айналуына қарсылық көрсететін, яғни тежегіш момент болып саналса, ал қозғалтқыштық режимде әрекет ететін айналдырушы момент болып саналады.