Генера́тор постоя́нного то́ка — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Генератор постоянного тока General Electric в Джорджтаунском музее электрических станций.

Содержание

 [убрать] 

• 1 Принцип действия генераторов постоянного тока и их устройство

• 2 Реакция якоря

• 3 Электродвижущая сила генератора постоянного тока

• 4 Мощность генераторов постоянного тока

• 5 Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока

• 6 Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения

  • 6.1 Генераторы с независимым возбуждением

  • 6.2 Генераторы с параллельным возбуждением

  • 6.3 Генераторы с последовательным возбуждением

  • 6.4 Генераторы со смешанным возбуждением

• 7 Применение генераторов постоянного тока

• 8 Параллельная работа генераторов постоянного тока

• 9 См. также

• 10 Литература

• 11 Ссылки

Принцип действия генераторов постоянного тока и их устройство[править | править исходный текст]

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Рис. 1 В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и , где

и  — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

 — магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

 — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

 — линейная скорость, с которой магнитные линии магнитного поля движутся по окружности радиусом в метрах в секунду;

 — время в секундах;

и  — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре,

будет равна , то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Рис. 2 Рамка с током вращается в магнитном поле, токосъём происходит щётками с полуколец.

Рис. 3      Переменный синусоидальный ток     Пульсирующий ток, снимаемый с двух полуколец     Выпрямленный и сглаженный ток, снимаемый с якоря с большим количеством контуров и коллекторных пластин

Если концы активных сторон контура присоединить не к контактным кольцам (как это делается в генераторах переменного тока), а к полукольцам с изолированными промежутками между ними (как показано на рисунке 2) то тогда рамка с током будет давать во внешнюю цепь выпрямленное электрическое напряжение.

При вращении контура вместе с ним вращаются и полукольца вокруг их общей оси. Токосъём с полуколец осуществляется щётками. Так как щётки неподвижны, то они попеременно соприкасаются то с одним, то с другим полукольцом. Обмен полукольцами происходит в тот момент, когда синусоидальная электродвижущая сила в контуре переходит через своё нулевое значение. В результате каждая щётка сохраняет свою полярность неизменной. Если на полукольцах имеется некоторое синусоидальное напряжение, то на щётках оно уже становится выпрямленным (в данном случае пульсирующим). На практике в генераторах постоянного тока применяют не один проволочный контур, а значительно их большее количество, вывод от каждого конца каждого контура присоединяется к собственной контактной пластине, отделённой от соседних пластин изолирующими промежутками. Совокупность контактных пластин и изолирующих промежутков называется колле́ктор, контактная пластина носит название колле́кторная пласти́на. Весь узел в сборе (коллектор, щётки и держатели щёток) называется щёточно-колле́кторный у́зел. Материал, из которого изготавливают изолятор между коллекторными пластинами подбирается таким образом, чтобы его твёрдость приблизительно равнялась твёрдости коллекторных пластин (для равномерного износа). Применяется, как правило, миканит (прессованная слюда). Коллекторные пластины, как правило, изготавливают из меди.

Ярмо (статор) шестиполюсного генератора постоянного тока. Видны полюсные наконечники особой формы.

Якорь генератора постоянного тока, цилиндр среднего диаметра — коллектор.

Остов (статор) генератора называется ярмо́. К ярму прикреплены сердечники электромагнитов, крышки с подшипниками, в которых вращается вал генератора. Ярмо изготавливается из ферромагнитного материала (литая сталь). На сердечники электромагнитов насажены катушки возбуждения. Чтобы придать магнитным линиям магнитного поля необходимое направление, сердечники электромагнитов снабжаются полюсными наконечниками. Электромагниты, питаемые постоянным током (током возбуждения) создают в генераторе магнитное поле. Катушка возбуждения состоит из витков медной изолированной проволоки, намотанной на каркас. Обмотки катушек возбуждения соединены друг с другом последовательно таким образом, что любые два соседних сердечника имеют разноимённую магнитную полярность.

Вращающаяся часть генератора (ротор) называется я́корь. Сердечник якоря изготавливается из электротехнической стали. Во избежание потерь на вихревые токи сердечник якоря собирается из отдельных стальных листов зубчатой формы, которые образуют впадины (пазы). Во впадины укладывается якорная (силовая) обмотка. В маломощных генераторах якорная обмотка изготавливается из медной изолированной проволоки, в мощных — из медных полос прямоугольной формы. Чтобы под действием центробежных сил якорная обмотка не была вырвана из пазов её закрепляют на сердечнике бандажами. Обмотка якоря наносится на сердечник так, что каждые два активных проводника, соединённых непосредственно и последовательно друг с другом, лежат под разными магнитными полюсами. Обмотка называется волновой, если провод проходит поочерёдно под всеми полюсами и возвращается к исходному полюсу, и петлевой, если провод, пройдя под «северным» полюсом, а затем под соседним «южным» полюсом, возвращается на прежний «северный» полюс.

Чтобы пластины коллектора и изолирующие миканитовые (слюдяные) пластины между ними не были вырваны центробежными силами из своих гнёзд — в нижней части они имеют крепление «ласточкин хвост».

Щётки, как правило, изготавливают из графита. Минимальное число щёток в генераторе постоянного тока равно двум: одна является положительным полюсом генератора (положительная щётка), другая — отрицательным полюсом (отрицательная щётка). В многополюсных генераторах число пар щёток обычно равняется числу пар полюсов, что обеспечивает лучшую работу генератора. Щётки одинаковой полярности (одноимённые щётки) электрически соединены друг с другом.

Щётка одновременно перекрывает две или три коллекторные пластины, это уменьшает искрение на коллекторе под щётками (улучшается коммутация).

Щёткодержатель обеспечивает постоянный прижим щёток вогнутой стороной к цилиндрической поверхности коллектора.

Реакция якоря[править | править исходный текст]

Результирующее магнитное поле.

Если генератор постоянного тока не нагружен (холостой ход генератора), то магнитное поле статора (обмоток возбуждения) симметрично относительно оси полюсов S — N и геометрической нейтрали (на рисунке обозначено Normal neutral plane). Когда генератор нагружен, то через его якорную обмотку протекает электрический ток и создаёт своё собственное магнитное поле. Магнитные поля статора и ротора накладываются друг на друга и образуют результирующее магнитное поле.

Там, где якорь при своём вращении набегает на полюс электромагнита (магнита) статора, там результирующее поле слабее, там, где сбегает — сильнее. Это объясняется тем, что в первом случае магнитные поля имеют различные направления, а во втором — одинаковые. Если отсутствует магнитное насыщение стали в магнитопроводах — тогда считается что результирующий магнитный поток не изменился по величине.

Однако по конфигурации результирующий магнитный поток значительно изменился, чем больше нагружен генератор и чем больше магнитное насыщение стали в магнитопроводах — тем сильнее проявляется реакция якоря и происходит некоторое уменьшение магнитного потока.

В результате электродвижущая сила генератора уменьшается и наблюдается искрение под щётками на коллекторе.

На практике с реакцией якоря борются:

1. применяя дополнительные магнитные полюса, компенсирующие магнитное поля якоря;

2. сдвигая щётки с геометрической нейтрали (Normal neutral plane) за физическую нейтраль (Actual neutral plane), устанавливая их и разворачивая на некоторый угол (на рисунке обозначено Compensation plane), что предупреждает искрение под щётками.

Электродвижущая сила генератора постоянного тока[править | править исходный текст]

Допустим, что в двухполюсном магнитном поле, магнитный поток которого равен , вращается якорь генератора с постоянным числом оборотов . Число всех активных проводников, расположенных на цилиндрической поверхности якоря и при вращении пересекающих магнитный поток равно .

Среднее значение индуктированной электродвижущей силы в каждом из активных проводников якоря равно , где

 — число оборотов якоря в минуту;

 — магнитный поток полюсов в Вебер;

 — индуктированная электродвижущая сила в Вольт.

Активные проводники якоря генератора соединены последовательно друг с другом, индуктированная электродвижущая сила в них складывается. В двухполюсной машине всегда имеется пара параллельных ветвей якорной обмотки, поэтому средняя величина ЭДС в якорной обмотке равна ,

или , где  — число всех активных проводников на якоре генератора.

Средняя величина индуктированной электродвижущей силы в генераторе прямо пропорциональна величине магнитного потока , числу оборотов якоря в минуту и числу активных проводников якоря.

Если многополюсной генератор имеет, например, полюсов и якорная обмотка его состоит из параллельных ветвей, то средняя величина индуктированной электродвижущей силы генератора равна

, или .

Мощность генераторов постоянного тока[править | править исходный текст]

Полная электрическая мощность, развиваемая генератором постоянного тока, равна произведению электродвижущей силы генератора на величину полного тока его якорной обмотки:

.

Если поддерживать ЭДС генератора постоянной, то полная электрическая мощность его будет пропорциональна току .

Согласно формуле ЭДС генератора :

При прочих равных условиях полная электрическая мощность генератора растёт с увеличением числа оборотов его якоря и увеличением числа полюсов его.

Полезная мощность , отдаваемая генератором во внешнюю цепь, равна произведению электрического напряжения на зажимах генератора на величину тока , посылаемого генератором во внешнюю цепь: , где

 — полезная мощность в Ваттах;

 — напряжение в Вольтах;

 — ток в Амперах.

Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока[править | править исходный текст]

Отношение полезной мощности к полной мощности , развиваемой генератором, называется электрическим коэффициентом полезного действия , где

 — коэффициент полезного действия (КПД);

 — полезная мощность;

 — полная мощность.

Электрический коэффициент полезного действия генератора зависит от его режима работы. КПД максимален при нормальной нагрузке, поэтому генератор всегда надо загружать полностью. Наименьшим КПД обладает при холостом ходе, когда ток во внешней цепи равен нулю.

Если генератор перегрузить, то его КПД будет уменьшаться из-за возросших потерь на нагрев якорной обмотки.

Мощные генераторы имеют бо́льший электрический коэффициент полезного действия, чем маломощные, в среднем КПД равен примерно 90 %.

Промышленным коэффициентом полезного действия называют отношение полезной мощности, развиваемой генератором, к той механической мощности, которую развивает двигатель на своём валу, вращая якорь генератора:

, где

 — промышленный коэффициент полезного действия;

 — полезная мощность, развиваемая генератором;

 — механическая мощность, развиваемая первичным двигателем на валу.

Промышленный коэффициент полезного действия, кроме электрических потерь в генераторе учитывает все механические и магнитные потери, поэтому он меньше, чем электрический коэффициент полезного действия.

Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения[править | править исходный текст]

В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы подразделяются на: