Принцип действия генератора постоянного тока – вспоминаем курс школьной физики
Приветствует тебя, наш любимый и любознательный читатель. Сегодня мы погрузимся в мир теоретики, подтвержденной, естественно, практикой, и будем вспоминать, а кто-то может и узнавать, как устроен генератор постоянного тока.
Содержание
Вводная часть
Работа над этими устройствами была начата еще в далеком 1827 году.
Немного истории
Первым экспериментировать с электромагнитными вращающимися машинами начал венгерский физик А.И. Йедлик, которые он назвал самовращающимися роторами. Его прототип был завершен к 1856 году, в котором обе части (статическая и вращающаяся) были электромагнитными.
- Однако Йедлик был далеко не единственным ученым, работавшим в этом направлении. В 1831 году был открыт принцип работы электромагнитного генератора. Сделал это Майкл Фарадей. Принцип, открытый ученым, был назван в честь его имени и заключается он в том, что при перемещении проводника перпендикулярно магнитному полю, на его концах образовывалась разность потенциалов.
- Изобретатель построил первый генератор, который был назван диском Фарадея. Устройство было униполярным генератором, использовавшим медный диск, который вращался между полюсами магнита (подковообразного). Конструкция устройства была крайне несовершенна, и ему еще предстояло обрести окончательный облик, но в будущем.
Интересно знать! Конструктивные изменения в эти приборы вносятся до сих пор, с появлением новых магнитов.
Динамо-машина
Первый генератор постоянного тока, который стало возможно использовать для промышленных целей – это динамо-машина. Работа этого устройства основана на электромагнетизме – оно преобразует механическую энергию в постоянный, пульсирующий ток. Первый такой агрегат был построен И. Пикси в 1832 году.
- Именно этот агрегат, естественно после совершения многих открытий, стал прообразом современных двигателей постоянного тока, синхронных двигателей, генераторов переменного тока и прочего.
- Состояла она из статора (создающего электромагнитное поле) и обмоток, которые вращаются внутри.
- Сегодня динамо-машины – это скорее раритет, чем действующие устройства. Дело в том, что в современном мире подавляющее большинство приборов рассчитано на работу от переменного тока, тогда как на заре электротехники ученые считали его просто опасным, пока свои наработки не открыл миру великий русский ученый Павел Яблочков, но это уже другая история.
Интересный факт обратимости электромашин
В 1833 году русский ученый Э.Х. Ленц указал на то, что электрические машины обратимы. Другими словами: одна машина способна работать как электродвигатель, если ее запитывать, и быть одновременно генератором тока, при условии что ротор устройства будет приведен в движение другой движущей силой (в то время для этого подходили паровые агрегаты).
В 1838 году Ленц доказал свои предположения опытным путем, испытывая электромотор Якоби.
В 1832 году появился на свет первый генератор, работающий по принципу электромагнитной индукции. Сделали его французы, братья Пиксин. Однако их устройством было очень сложно пользоваться, так как при вращении массивного постоянного магнита, в двух катушках возникал переменный ток.
На первых этапах разработок использовались, как вино, постоянные магниты. Начиная с 1851 года их стали заменять электромагнитами, что дало новый толчок к развитию. В это же время был открыт принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока. Первые патенты на генераторы с самовозбуждением были выданы 1866 году.
В общем, мы немного отвлеклись от темы сегодняшней стать. Как понятно, развитие генераторов постоянного тока, как и любого другого серьезного изобретения, было долгим и вобрало в себя мысли многих великих умов прошлого, прежде чем человеку стали досконально известны все принципы его работы, и была разработана «идеальная схема».
Основы работы устройства
Давайте же, наконец, разберем принцип действия и устройство генератора постоянного тока.
Inductio
Итак, как вы уже поняли, генераторы – это электрические машины, способные преобразовывать механическую энергию в электрическую. В основу работы этих устройств положен принцип электромагнитной индукции.
Сам принцип заключается в том, что если в магнитном поле перемещается проводник (при этом его движения должно быть перпендикулярным магнитному потоку, то есть пересекать его), либо же сам постоянный магнит смещается относительно проводника, то внутри проводника возникает ЭДС (электродвижущая сила) индукции.
Если при этом проводник включить в замкнутую цепь, то по ней потечет ток, называемый индуктивным. Опты установили, что величина этой силы изменяется в прямой зависимости от длины проводника, скорости его движения и величины индукции магнитного поля. При этом важно понимать, что ЭДС возникает только в случае пересечения магнитного поля, а не движения вдоль него.
Вспоминайте курс физики, а именно, правило правой руки, когда большой палец указывает направление движения проводника, если в ладонь входят силовые линии магнитного поля. При этом остальные вытянутые четыре пальца укажут вам направление действия ЭДС – именно в этом направлении потечет ток в перемещаемом проводнике.
Совет! Если кто позабыл, то силовые линии магнитного поля движутся от северного полюса к южному.
Простейший генератор
Получив основные знания об электромагнитной индукции, мы можем представить себе простейший генератор постоянного тока и принцип действия этого прибора.
Итак, на картинке выше показано следующее:
- Проводник изогнут в виде прямоугольной рамки и установлен на вращающуюся ось;
- Он помещен в магнитное поле постоянного магнита (полюса обозначены соответствующими буквами и цветами);
- Концы проводника соединяются с разбитым на два полукольца полым цилиндром – обе части изолированы друг от друга;
- В контакте с полукольцами находятся щетки (контактные пластины) и при движении они скользят по цилиндру;
- Кольцо из полуколец называется коллектором, а отдельные его части (полукольца) – пластинами (ламелями) коллектора;
- Расположение щеток устроено таким образом, чтобы они менялись полукольцами при вращении рамки как раз в тот момент, когда ЭДС на обеих сторонах рамки будет равна нулю – этот момент будет соответствовать горизонтальному положению рамки.
- Коллектор выпрямляет переменную ЭДС и во внешней цепи создается движение постоянного тока.
В этом можно убедиться, присоединив к контактным пластинам измерительный прибор (амперметр).
Углубленный анализ
Все вроде бы понятно, но не совсем! Давайте разберем принцип действия и характеристики генераторов постоянного тока более подробно.
Для лучшей ориентации введем некоторые условные обозначения важных переменных и постоянных: t – время; Е – ЭДС; А и Б – стороны рамки.
- Итак, нужно сразу понять, что ЭДС, возникающий в стороне рамки А, всегда будет направлена в противоположном направлении второму ЭДС, которое индуцируется в половине рамки Б. Данное утверждение очень легко проверить, воспользовавшись описанным выше правилом правой руки.
- Общая Е будет равна двум сложенным ЭДС, возникающим в половинках рамки, и что самое интересное, эта величина будет постоянно изменяться в зависимости от положения лопастей.
- Наибольшая величина ЭДС будет тогда, когда рамка будет находиться в вертикальном положении (на рисунке это положения б и г). Именно в этот момент проводник пересекает большее число силовых линий.
- В горизонтальном же положении лопасти рамки будут фактически скользить вдоль этих самых линий и ЭДС индуцироваться не будет (положения а, в и д).
- Во время движения стороны рамки Б к южному полюсу (момент старта — от северного полюса) магнита, ток в ней будет двигаться в нашем направлении, применительно к картинке выше. Данный ток будет проходить от полукольца и щетки 2, через измерительный прибор, в сторону другой щетки и части рамки А. В ней же, тоже индуцируется ток, но уже в противоположном направлении, то есть от нас.
- Наивысшего значения ЭДС достигает тогда, когда стороны рамки находятся точно напротив полюсов магнита. Продолжая движение, ЭДС начинает убывать, пока не станет равной нулю, спустя четверть оборота. Именно в этот момент и происходит смена местами щеток.
- Из-за постоянно смены щеток получается так, что за время одного полуоборота рамки, каждая контактная пластина коллектора соприкасается только с одной из щеток, и ток проходил только в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Давайте посмотрим, что произойдет дальше, если продолжить вращение.
- ЭДС начинает снова расти от нуля к пику, так как снова начинается пересечение силовых линий магнитного поля, но при этом направление Е будет противоположным, то есть на части А, оно будет таким же, что ранее на Б, и наоборот. Фактически происходит зеркальная ситуация. И, казалось бы, ток должен начать двигаться в обратном направлении и стать переменным, но не забываем, что у нас в момент падения ЭДС до нуля, щетки стали касаться других полуколец коллектора, ведь он вращается вместе с рамкой.
- То есть полукольцо, которое соединено с частью рамки А теперь касается щетки 2, а это означает только одно, ток во внешней цепи будет течь в том же направлении, что и ранее.
- В этом и заключается выпрямляющая функция коллектора. Именно благодаря ему ток в цепи протекает только в одном направлении.
- Через полуоборот щетки снова меняют полукольца, и весь процесс повторяется снова, и так по бесконечному циклу, пока агрегат запущен и функционален. Главное при этом – обеспечить вращение рамки за счет какой-то силы.
Более сложные схемы генераторов
Несмотря на то, что ток протекает только в одном направлении, и поэтому называется громко постоянным, постоянно изменяется его величина, из-за чего подобные схемы практически неприменимы на практике. Давайте теперь рассмотрим строение более сложных генераторов, которые позволяют получить ток с меньшей пульсацией.
- Давайте представим себе такую конструкцию генератора, в которой перпендикулярно друг другу расположены две рамки, соединенные в свою очередь с коллектором, который теперь сделан не из полу, а четвертьколец.
- При вращении рамок или витков, в них также как и в предыдущем случае возникает ЭДС. Однако максимальное и минимальное значение «Е» теперь достигается не через пол оборота всей рамки, а через четверть, то есть поворот одного витка на 90 градусов.
- На представленном выше рисунке хорошо видно, что через сторону витка 1, ровно, как и через сторону 3 (считаем в примере по часовой стрелке) протекает максимальный ток, тогда как на частях 2 и 4 ЭДС будет равна нулю, так как эти проводники скользят вдоль силовых линий.
- Соответственно конструкция всего генератора делается таким образом, чтобы именно в этот момент щетки касались контактных пластин коллектора 1 и 3.
- Представим вращение генератора. При этом значение ЭДС на витке 1 начинает убывать, тогда как на 2, наоборот, возрастать. Когда будет совершена 1\8 полного оборота, Е1 будет минимальна, но она не будет соответствовать нулю, так как проводник до сих пор при движении пересекает силовые линии.
- Именно в этот момент и происходит перемена щеток на противоположные, и ЭДС начинает снова расти, так и не упав до нуля. Теперь ток начинает течь по витку, постепенно возрастая до своего максимума. Спустя четверть оборота снова происходит смена щеток, и так далее. Подробнее понять изменившиеся величины ЭДС можно из следующего графика.
Получается, что щетки постоянно соединены с «активными проводниками», в которых ЭДС постоянно колеблется от Еmin до Еmax.
Во внешней цепи при этом ничего не меняется, из-за разбитого на четыре части коллектора. Ток продолжает течь все в том же направлении от щетки 2 к щетке 1. Он, как и прежде, будет пульсировать, и пульсации станут происходить в два раза чаще, однако разница максимальных и минимальных величин ЭДС будет значительно меньше, чем в предыдущем случае.
Идя дальше по этому принципу, и увеличивая количество вращающихся витков и коллекторных пластин можно добиться минимальной пульсации постоянного тока, то есть он действительно станет практически постоянным.
Интересно знать! Например, при количестве коллекторных пластин в 20 штук, колебание ЭДС не превысит 1%, что считается отличным показателем.
Продолжаем усложнять схему
Рассматривая предложенные схемы генераторов, не сложно догадаться, что хоть увеличенное количество витков и уменьшает пульсации, сам генератор становится все менее эффективным. Так как фактически щетки одномоментно контактируют только с одной рамкой, когда другие остаются неиспользуемыми. ЭДС одного витка невелика, поэтому и мощность генератора будет невысокой.
Чтобы использовать весь потенциал генератора, витки соединяют друг с другом последовательно по определенной схеме, а количество коллекторных пластин уменьшают до числа витков обмотки.
К каждой коллекторной пластине будет подходить начало одного витка и конец другого. При этом витки представляют собой источники тока, соединенные последовательно, и все вместе это называется обмотка якоря или ротора генератора. При таком соединении сумма ЭДС будет равна индуктируемым значениям в витках, включенных между щетками.
При этом количество витков делается достаточно большим, чтобы можно было получить требуемую мощность генератора. Именно по этой причине, особо мощные генераторы, например, от тепловозов, имеют очень большое количество пластин.
Использование электромагнитов
Все, что мы рассматривали до этого, было генераторами постоянного тока на постоянных магнитах. Их схема и инструкция по сборке достаточно проста, однако на практике они практически не применяются в виду того, что сделать мощный прибор таким способом не получится, ведь постоянные магниты не могут выдать достаточно мощный поток силовых линий. А из-за того, что пространство между полюсами фактически создает зону сопротивления магнитному потоку, его мощность еще больше ослабляется.
В самых мощных генераторах устанавливаются электрические магниты, способные выдавать нужную мощность, а для уменьшения эффекта сопротивления витки обмотки размещают так, чтобы они заполняли все пространство между полюсами. Установлены они на стальном цилиндре, который и называется якорем.
Итак, место постоянного магнита занимает обмотка возбуждения, расположенная на сердечниках главных полюсов. Когда по обмотке проходит электрический ток создается достаточно сильное магнитное поле, называемое полем главных полюсов.
Если внешняя цепь разомкнута, положение этих полюсов будет соответствовать оси, проходящей вертикально. На картинке выше вы четко можете увидеть данные сердечники и представить нахождение полюсов.
Прежде чем описать принцип действия такого магнита, давайте разберемся, что такое физическая и геометрическая нейтрали.
- Посмотрите на представленный рисунок, пункт «а». На нем можно увидеть перпендикулярную линию полюсам, проведенную через центр якоря. Обозначена она как «О1-О1». Это и есть геометрическая нейтраль.
- На этом же рисунке можно разглядеть линию n-n, которая на первый взгляд своим положением полностью совпадает с предыдущей, однако, это только в неактивном состоянии генератора. На самом деле, физическая нейтраль – это условная линия, разделяющая области влияния северного и южного полюсов магнита, и забежав вперед, вы можете увидеть, что она смещается. Давайте разбираться, почему.
Итак:
- Проводник обмотки, пересекающий физическую нейтраль, не будет индуцировать ЭДС, по той причине, что он скользит вдоль силовых линий, а не пересекает их.
- При замкнутой внешней цепи ток начинает течь и по обмотке якоря. Как и обмотка возбуждения, в этот момент якорь станет мощным электромагнитом. По этой причине помимо магнитного поля главных полюсов во взаимодействие вступает поле якоря.
- Направление его силовых линий будет перпендикулярным потоку главных полюсов. Из-за этого оба поля как бы накладываются друг на друга и создают результирующее поле. Взаимодействие двух полей и направление вы можете увидеть на том же рисунке, в пункте «в».
- Как видно, поле смещается к вращающемуся якорю, туда же устремляется и физическая нейтраль, занимая положение n1-n Данное взаимодействие называется реакцией якоря. На второй схеме угол смещения магнитных линий обозначен как γ.
- Описанное явление реакции якоря для генератора не несет ничего положительного. Щетки, которые на предыдущей схеме показаны как М-М, устанавливаются всегда по направлению физической нейтрали, то есть их положение смещается относительно геометрической нейтрали на угол γ. Если этого не сделать, то между щетками и коллектором будет наблюдаться сильное искрение, что ведет к быстрому износу двух этих деталей генератора.
- Чем больше будет ток на якоре, тем сильнее будет проявляться его реакция и большим будет смещение физической нейтрали. Также стоит понимать, что сильная реакция якоря приводит к уменьшению индуцируемой ЭДС.
- Чтобы нейтрализовать влияние на работу генератора этого фактора, между основными полюсами обмотки возбуждения устанавливаются дополнительные, а в наконечники главных полюсов закладывается дополнительная, компенсационная обмотка.
- Дополнительные полюса размещаются таким образом, чтобы магнитное поле от них было направлено навстречу полю якоря, чтобы его нейтрализовать. Однако данное влияние на работу генератора в целом – не единственное.
- Мы помним, что при прохождении через нейтраль направление тока в витке обмотки очень быстро сменяется на противоположное. При этом на нейтрали данный виток замкнут щеткой накоротко.
Нужно знать! Такой виток называется коммутирующим, то есть переменным.
- В этих витках, из-за резкой перемены направления тока, образуется довольно большая ЭДС от взаимной индукции и самоиндукции. Эта «Е» называется реактивной.
- В дополнение эта ЭДС будет усилена действием магнитного потока якоря, который витки в это время пересекают. Прямым результатом воздействия реактивной ЭДС будет повышенное искрение щеток.
- Для нейтрализации реактивной ЭДС служат те же добавочные полюса. Они рассчитываются так, чтобы мощность их поля была несколько выше, чем у якоря, из-за чего в коммутирующих секциях будет индуцироваться дополнительная ЭДС, с направлением противоположным реактивной, что приводит к ее гашению и искрение прекращается.
Следует также добавить, что сила магнитного поля ротора напрямую зависит от тока генератора, то есть нагрузки на него. Отсюда можно понять, что должно пропорционально изменяться поле и добавочных полюсов, для чего обмотку этих деталей с обмоткой якоря включат последовательно.
Компенсационная обмотка главных полюсов, о которой мы говорили выше, призвана также улучшить распределение магнитного потока, однако из-за возрастающей сложности схемы электрического генератора применяется редко. Поэтому при возможности добиться от машины нормальной работы без компенсационной обмотки, ее не применяют, оставляя сей элемент для самых мощных агрегатов.
На этом, пожалуй, закончим наш ликбез. Конечно, полученной информации будет недостаточно, чтобы пытаться своими руками ремонтировать и конструировать электродвигатели, но все с чего то начинают. Зато вы теперь можете с уверенностью говорить, что назначение и устройство автомобильных генераторов постоянного тока, к примеру, вам известно. В дополнение советует обратить внимание на приложенное к статье видео, где можно почерпнуть много полезной информации. Всего наилучшего!
