- Urządzenie i zasada działania
- Klasyfikacja
- Charakterystyka techniczna generatora prądu stałego
- Aplikacja
- Podobne filmy
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
U zarania elektryfikacji generator prądu stałego pozostał jedynym źródłem energii elektrycznej. Dość szybko te alternatory zostały wyparte przez bardziej zaawansowane i niezawodne trójfazowe alternatory. W niektórych gałęziach przemysłu prąd stały nadal był popytem, więc urządzenia do jego wytwarzania były ulepszane i rozwijane.
Nawet w naszych czasach, kiedy wynaleziono potężne urządzenia prostujące, znaczenie generatorów prądu stałego nie zostało utracone. Na przykład są one wykorzystywane do zasilania linii energetycznych w miejskim transporcie elektrycznym wykorzystywanym przez tramwaje i trolejbusy. Takie generatory są nadal wykorzystywane w inżynierii telekomunikacyjnej jako źródła prądu stałego w obwodach niskiego napięcia.
Urządzenie i zasada działania
Zasada generatora opiera się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Jeśli obwód zamknięty jest umieszczony między biegunami magnesu trwałego, to podczas obrotu będzie przechodził przez strumień magnetyczny (patrz rys. 1). Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej w momencie przecięcia wywołane emf. Siła elektromotoryczna wzrasta, gdy przewodnik zbliża się do bieguna magnesu. Jeśli obciążenie R jest podłączone do kolektora (dwa żółte półpierścienie na rysunku), wówczas prąd przepłynie przez utworzony obwód elektryczny.
Gdy ramka wychodzi poza zakres strumienia magnetycznego, EMF osłabia się i uzyskuje wartość zerową, gdy rama jest pozioma. Kontynuując obracanie konturu, jego przeciwne boki zmieniają polaryzację magnetyczną: część ramy, która znajdowała się pod biegunem północnym, zajmuje pozycję powyżej południowego bieguna magnetycznego.
Wartości EMF w każdym aktywnym uzwojeniu obwodu są określone wzorem: e 1 = B lvsinwt ; e 2 = -B lvsinwt ; gdzie B jest indukcją magnetyczną, l jest długością boku ramki, v jest liniową prędkością obrotową obwodu, t jest czasem, wt jest kątem, pod którym rama przecina strumień magnetyczny.
Przy zmianie biegunów zmienia się kierunek prądu. Jednak ze względu na fakt, że kolektor obraca się synchronicznie z ramą, prąd na obciążeniu jest zawsze kierowany w jednym kierunku. Oznacza to, że dany model zapewnia produkcję stałej energii elektrycznej. Wynikowy EMF ma postać: e = 2B lvsinwt , co oznacza, że zmiana podlega sinusoidalnemu prawu.
Ściśle mówiąc, konstrukcja ta zapewnia tylko polaryzację stałych szczotek, ale nie eliminuje pulsacji EMF. Dlatego wykres generowanego prądu ma postać, jak pokazano na rys.2.
Taki prąd, z wyjątkiem rzadkich przypadków, nie nadaje się do użytku. Konieczne jest wygładzenie pulsacji do akceptowalnego poziomu. W tym celu należy zwiększyć liczbę biegunów magnesów trwałych, a zamiast prostej ramy użyć bardziej złożonej struktury - kotwicy z dużą liczbą uzwojeń i odpowiednią liczbą płytek kolektora (patrz rys. 3). Ponadto uzwojenia są połączone na różne sposoby, jak omówiono poniżej.
Kotwa jest wykonana z blachy stalowej. Na rdzeniach twornika znajdują się rowki, w których ułożonych jest kilka zwojów drutu tworzących uzwojenie wirnika roboczego. Przewodniki w rowkach są połączone szeregowo i tworzą cewki (sekcje), które z kolei przez płytki kolektora tworzą zamknięty obwód.
Z punktu widzenia fizyki procesu generacji nie ma znaczenia, które części się obracają - uzwojenia obwodu lub samego magnesu. Dlatego w praktyce kotwy do generatorów małej mocy są wykonane z magnesów trwałych, a wynikający z nich prąd przemienny jest prostowany przez mostki diodowe i inne obwody.
I wreszcie: jeśli do kolektora zostanie przyłożone stałe napięcie, generatory prądu stałego mogą działać w trybie silników synchronicznych.
Konstrukcja silnika (zwanego również generatorem) wynika z rysunku 4. Stacjonarny stojan składa się z dwóch rdzeni biegunów, składających się z płyt ferrimagnetycznych i uzwojeń wzbudzenia połączonych szeregowo. Pędzle znajdują się w jednej linii względem siebie. Wentylator służy do chłodzenia uzwojeń.
Klasyfikacja
Istnieją dwa typy generatorów prądu stałego:
- z niezależnym wzbudzeniem uzwojeń;
- z samowzbudzeniem.
Do samowzbudzenia generatorów należy używać energii elektrycznej wytwarzanej przez samo urządzenie. Zgodnie z zasadą łączenia uzwojeń twornika, samowzbudne alternatory z są podzielone na typy:
- urządzenia z równoległym wzbudzeniem;
- alternatory z sekwencyjnym wzbudzaniem;
- urządzenia typu mieszanego (generatory kompudowe).
Rozważmy bardziej szczegółowo cechy każdego typu uzwojenia kotwiącego połączenia.
Z równoległym wzbudzeniem
Aby zapewnić normalne działanie urządzeń elektrycznych, wymagane jest stabilne napięcie na zaciskach generatorów, niezależnie od zmiany całkowitego obciążenia. Problem został rozwiązany przez dostosowanie parametrów wzbudzenia. W alternatorze z wzbudzeniem równoległym sworznie cewki są połączone za pomocą reostatu regulacyjnego równolegle do uzwojenia twornika.
Reostaty wzbudzenia mogą powodować zwarcie uzwojenia „dla siebie”. Jeśli nie zostanie to zrobione, to gdy obwód wzbudzenia zostanie przerwany, EMF indukcji własnej, która może przeniknąć przez izolację, dramatycznie wzrośnie w uzwojeniu. W stanie odpowiadającym zwarciu energia jest rozpraszana jako ciepło, zapobiegając pęknięciu generatora.
Maszyny elektryczne z równoległym wzbudzeniem nie potrzebują zewnętrznego źródła zasilania. Ze względu na obecność resztkowego magnetyzmu elektromagnesu zawsze obecnego w rdzeniu, następuje samo-wzbudzenie uzwojeń równoległych. Aby zwiększyć magnetyzm szczątkowy w cewkach wzbudzenia, rdzenie elektromagnesów są wykonane ze staliwa.
Proces samowzbudzenia trwa do momentu, gdy prąd osiągnie maksymalną wartość, a EMF nie osiągnie wartości nominalnych przy optymalnej prędkości obrotowej twornika.
Zaleta: prądy przy zwarciu nie wpływają na generatory z równoległym wzbudzeniem.
Niezależnie podekscytowany
Baterie lub inne urządzenia zewnętrzne są często używane jako źródło zasilania uzwojeń polowych. W modelach maszyn o małej mocy należy stosować magnesy trwałe, które zapewniają obecność głównego strumienia magnetycznego.
Na wale potężnych generatorów znajduje się generator-wzbudzacz generujący prąd stały do wzbudzania głównych uzwojeń twornika. Dla wzbudzenia wystarcza 1–3% znamionowego prądu twornika i nie zależy od niego. Zmianę emf wykonuje regulujący reostat
Zaletą niezależnego wzbudzenia jest to, że prąd wzbudzenia nie jest w żaden sposób naruszony przez napięcie na zaciskach. I zapewnia dobre właściwości zewnętrzne alternatora.
Z konsekwentnym podnieceniem
Uzwojenia sekwencyjne wytwarzają prąd równy prądowi generatora. Ponieważ na biegu jałowym obciążenie wynosi zero, to wzbudzenie wynosi zero. Oznacza to, że nie można usunąć charakterystyki pracy na biegu jałowym, to znaczy, że charakterystyki regulacji są nieobecne.
W generatorach z wzbudzaniem sekwencyjnym praktycznie nie ma prądu, gdy wirnik obraca się na biegu jałowym. Aby rozpocząć proces wzbudzania, konieczne jest podłączenie zewnętrznego obciążenia do zacisków generatora. Tak wyraźna zależność napięcia od obciążenia jest wadą kolejnych uzwojeń. Takie urządzenia mogą być używane tylko do zasilania urządzeń elektrycznych o stałym obciążeniu.
Z mieszanym podnieceniem
Przydatne funkcje łączą projekty generatorów z mieszanym wzbudzeniem. Ich cechy: urządzenia mają dwie cewki - główną, połączoną równolegle do uzwojeń twornika i pomocniczego, która jest połączona szeregowo. W obwodzie uzwojenia równoległego stosowany jest rezystor, który służy do regulacji prądu wzbudzenia.
Proces samowzbudzenia alternatora o wzbudzeniu mieszanym jest podobny do procesu generatora z uzwojeniami równoległymi (z powodu braku prądu początkowego, uzwojenie szeregowe nie uczestniczy w samowzbudzeniu). Charakterystyka biegu jałowego jest taka sama jak dla alternatora z uzwojeniem równoległym. Pozwala to na dostosowanie napięcia na zaciskach generatora.
Mieszane wzbudzenie wygładza tętnienie napięcia przy znamionowym obciążeniu. Jest to główna zaleta takich alternatorów względem innych typów generatorów. Wadą jest złożoność projektu, co prowadzi do wyższych cen tych urządzeń. Nie toleruj takich generatorów i zwarć.
Charakterystyka techniczna generatora prądu stałego
Działanie generatora charakteryzuje się zależnościami między głównymi wielkościami, które nazywane są jego charakterystykami. Główne cechy to:
- zależności między ilościami podczas pracy w trybie bezczynności;
- charakterystyka parametrów zewnętrznych;
- wartości dostosowania.
Niektóre cechy regulacji i zależność biegu jałowego ujawniliśmy częściowo w sekcji „Klasyfikacja”. Omówmy pokrótce charakterystykę zewnętrzną, która odpowiada pracy generatora w trybie nominalnym. Charakterystyka zewnętrzna jest bardzo ważna, ponieważ pokazuje zależność napięcia od obciążenia i jest usuwana przy stałej prędkości obrotowej twornika.
Zewnętrzna charakterystyka generatora prądu stałego z niezależnym wzbudzeniem jest następująca: jest to krzywa, napięcie zależy od obciążenia (patrz rys. 5). Jak widać na wykresie, obserwuje się spadek napięcia, ale nie zależy on w znacznym stopniu od prądu obciążenia (przy zachowaniu prędkości silnika, który obraca twornik).
W generatorach z wzbudzeniem równoległym zależność napięcia od obciążenia jest bardziej wyraźna (patrz rys. 6). Jest to spowodowane spadkiem prądu wzbudzenia w uzwojeniach. Im wyższy prąd obciążenia, tym szybciej spadnie napięcie na zaciskach generatora. W szczególności, wraz ze stopniowym spadkiem oporu na poziom zwarcia, napięcie spada do zera. Ale nagły obwód w obwodzie powoduje luz z generatora i może być katastrofalny dla maszyny elektrycznej tego typu.
Wzrost prądu obciążenia z kolejnym wzbudzeniem prowadzi do wzrostu emf. (patrz górna krzywa na rys. 7). Jednak napięcie (dolna krzywa) pozostaje w tyle za EMF, ponieważ część energii jest wydawana na straty elektryczne z prądów wirowych.
Zwróć uwagę na fakt, że gdy osiągnięte zostanie jego maksimum, napięcie zaczyna gwałtownie spadać wraz ze wzrostem obciążenia, chociaż krzywa EMF nadal rośnie w górę. Takie zachowanie jest wadą, która ogranicza użycie tego typu alternatora.
W generatorach z wzbudzeniem mieszanym występują przeciwwłączenia obu cewek - szeregowych i równoległych. Uzyskana siła magnesowania o spójnym włączeniu jest równa sumie wektorowej sił magnesujących tych uzwojeń oraz siły przeciwnej - różnicy tych sił.
W procesie stopniowego zwiększania obciążenia od momentu biegu jałowego do poziomu nominalnego napięcie na zaciskach będzie prawie stałe (krzywa 2 na rys. 8). Obserwuje się wzrost napięcia, jeśli liczba przewodów w uzwojeniu szeregowym przekracza liczbę zwojów odpowiadającą nominalnemu wzbudzeniu twornika (krzywa 1).
Zmiana napięcia dla przypadku o mniejszej liczbie zwojów w uzwojeniu szeregowym jest reprezentowana przez krzywą 3. Połączenie uzwojenia poprzecznego zilustrowano krzywą 4.
Generatory z przeciwprądem są stosowane, gdy konieczne jest ograniczenie prądów zwarciowych, na przykład podczas podłączania urządzeń spawalniczych.
W normalnie wzbudzonych urządzeniach typu mieszanego prąd wzbudzenia jest stały i prawie nie zależy od obciążenia.
Reakcja kotwicy
Gdy zewnętrzne obciążenie jest podłączone do generatora, prądy w jego uzwojeniu tworzą własne pole magnetyczne. Występuje opór magnetyczny pól stojana i wirnika. Powstałe pole jest silniejsze w tych punktach, w których kotwica wchodzi w bieguny magnesu, a słabsze tam, gdzie ucieka. Innymi słowy, kotwica reaguje na nasycenie magnetyczne stali w rdzeniach cewek. Intensywność reakcji twornika zależy od nasycenia rdzeni magnetycznych. Wynikiem tej reakcji jest iskrzenie szczotek na płytkach kolektora.
Reakcja twornika może być zmniejszona przez zastosowanie kompensujących dodatkowych biegunów magnetycznych lub przez przesunięcie szczotek z linii środkowej neutralnego geometrycznie.
Emf
Średnia wartość siły elektromotorycznej jest proporcjonalna do strumienia magnetycznego, liczby aktywnych przewodników w uzwojeniach i częstotliwości obrotu twornika. Poprzez zwiększenie lub zmniejszenie tych parametrów można kontrolować wartość EMF, a tym samym napięcie. Najprostszym sposobem jest osiągnięcie pożądanego rezultatu poprzez dostosowanie częstotliwości obrotu twornika.
Moc
Rozróżnij pełną i użyteczną moc generatora. Przy stałej wartości EMF całkowita moc jest proporcjonalna do prądu: P = EI a . Moc netto dostarczona do obwodu P 1 = interfejs użytkownika .
Wydajność
Ważną cechą alternatora jest jego wydajność - stosunek mocy netto do pełnej mocy. Oznacz tę wartość symbolem η e . Następnie: η e = P 1 / P.
Na biegu jałowym, η e = 0. Maksymalna wartość sprawności jest przy obciążeniach znamionowych. Wydajność generatorów dużej mocy wynosi 90%.
Aplikacja
Do niedawna korzystanie z trakcyjnych generatorów prądu stałego w transporcie kolejowym było bezsporne. Jednak proces przemieszczania tych generatorów przez synchroniczne urządzenia trójfazowe już się rozpoczął. Synchroniczny alternator prądu przemiennego jest prostowany przez prostowanie urządzeń półprzewodnikowych.
Niektóre rosyjskie lokomotywy nowej generacji już wykorzystują silniki asynchroniczne pracujące na prądzie przemiennym.
Podobna sytuacja występuje w przypadku generatorów samochodowych. Alternatory prądu stałego zastępują generatory asynchroniczne, a następnie prostują.
Być może tylko mobilne spawarki z autonomicznym zasilaniem niezmiennie pozostają połączone z alternatorami prądu stałego. Niektóre branże odmówiły również zastosowania generatorów prądu stałego o dużej mocy.