- Zariadenie a princíp činnosti
- klasifikácia
- Technické charakteristiky generátora jednosmerného prúdu
- prihláška
- Súvisiace videá
Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Na začiatku elektrifikácie zostal jednosmerný generátor jediným zdrojom elektrickej energie. Rýchlo, tieto alternátory boli poháňané vyspelejšími a spoľahlivejšími trojfázovými alternátormi. V niektorých odvetviach bol dopyt po jednosmernom prúde, takže zariadenia na jeho výrobu boli vylepšené a rozvinuté.
Ani v našej dobe, keď boli vynájdené výkonné usmerňovacie zariadenia, význam konštantných prúdových generátorov sa nestratil. Používajú sa napríklad na napájanie elektrických vedení v mestskej elektrickej doprave používanej električkami a trolejbusmi. Takéto generátory sa stále používajú v telekomunikačnej technike ako zdroje konštantného prúdu v nízkonapäťových obvodoch.
Zariadenie a princíp činnosti
Princíp generátora je založený na princípe elektromagnetickej indukcie. Ak je uzavretý okruh umiestnený medzi pólmi permanentného magnetu, potom počas otáčania prekročí magnetický tok (pozri obr. 1). Podľa zákona elektromagnetickej indukcie v čase kríženia vyvolaného emf. Elektromotorická sila sa zvyšuje s priblížením vodiča k magnetickému pólu. Ak je záťaž R pripojená k kolektoru (dva žlté polkruhy na obrázku), potom bude prúdiť cez vytvorený elektrický obvod.
Keď sa rám vymyka z rozsahu magnetického toku, EMF oslabuje a získava nulovú hodnotu, keď je rám horizontálny. Pokračovanie v otáčaní kontúry, jej opačné strany menia magnetickú polaritu: časť rámu, ktorá bola pod severným pólom, zaujíma pozíciu nad južným magnetickým pólom.
Hodnoty EMF v každom aktívnom vinutí obvodu sú určené vzorcom: e 1 = B lvsinwt ; e2 = -B lvsinwt ; kde B je magnetická indukcia, l je dĺžka strany rámu, v je lineárna rýchlosť otáčania obvodu, t je čas, wt je uhol, pri ktorom rám pretína magnetický tok.
Pri zmene pólov sa zmení smer prúdu. Ale vzhľadom na to, že kolektor sa otáča synchrónne s rámom, prúd na zaťažení je vždy nasmerovaný v jednom smere. To znamená, že predmetný model zabezpečuje výrobu konštantnej elektrickej energie. Výsledný EMF je vo forme: e = 2B lvsinwt , čo znamená, že zmena podlieha sínusoidnému zákonu.
Prísne vzaté, táto konštrukcia poskytuje len polaritu pevných kefiek, ale neodstraňuje pulzy EMF. Graf generovaného prúdu má teda formu, ako je znázornené na obr.
Takýto prúd, okrem výnimočných prípadov, nie je vhodný na použitie. Pulzácie je potrebné vyhladiť na prijateľnú úroveň. Aby sa to dosiahlo, zvýšte počet pólov permanentných magnetov a namiesto jednoduchého rámu použite zložitejšiu konštrukciu - kotvu s veľkým počtom vinutí a zodpovedajúci počet platní kolektorov (pozri obr. 3). Naviac sú vinutia spojené rôznymi spôsobmi, ako je uvedené nižšie.
Kotva je vyrobená z oceľového plechu. Na jadrách armatúry sa nachádzajú drážky, v ktorých je uložených niekoľko závitov drôtu tvoriacich vinutie pracovného rotora. Vodiče v drážkach sú zapojené do série a vytvárajú cievky (sekcie), ktoré zase vytvárajú pomocou kolektorových dosiek uzavretý okruh.
Z hľadiska fyziky procesu generácie nezáleží na tom, ktoré časti sa otáčajú - vinutia obvodu alebo samotný magnet. Preto v praxi sú kotvy pre nízkoenergetické generátory vyrobené z permanentných magnetov a výsledný striedavý prúd je usmerňovaný diódovými mostíkmi a inými obvodmi.
A nakoniec: ak sa na kolektor aplikuje konštantné napätie, DC generátory môžu pracovať v režime synchrónnych motorov.
Konštrukcia motora (tiež známa ako generátor) je zrejmá z obrázku 4. Stacionárny stator sa skladá z dvoch jadier pólov, pozostávajúcich z ferrimagnetických dosiek a budiacich vinutí zapojených do série. Kefy sú umiestnené v jednej línii proti sebe. Na chladenie vinutí sa používa ventilátor.
klasifikácia
Existujú dva typy generátorov jednosmerného prúdu:
- s nezávislým budením vinutí;
- so samovznietením.
Na samovoľnú excitáciu generátorov sa používa elektrina vyrobená samotným zariadením. Podľa princípu pripájania vinutia armatúry sú samonosené alternátory rozdelené do typov:
- zariadenia s paralelnou excitáciou;
- alternátory so sekvenčnou excitáciou;
- zariadenia zmiešaného typu (generátory compud).
Uvažujme podrobnejšie o vlastnostiach každého typu spojovacích kotevných vinutí.
S paralelnou excitáciou
Aby sa zabezpečila normálna prevádzka elektrických spotrebičov, vyžaduje sa na svorkách generátorov stabilné napätie nezávisle od zmeny celkového zaťaženia. Problém je riešený nastavením parametrov excitácie. V alternátore s paralelným budením sú kolíky cievky spojené cez nastavovací reostat rovnobežne s vinutím kotvy.
Excitujúce reostaty môžu skratovať vinutie „pre seba“. Ak sa tak nestane, potom, keď sa rozruší budiaci obvod, EMF samovznietenia, ktoré môže preniknúť do izolácie, sa dramaticky zvýši vo vinutí. V stave zodpovedajúcom skratu sa energia rozptýli ako teplo, čo zabraňuje prasknutiu generátora.
Elektrické stroje s paralelným budením nepotrebujú externý zdroj energie. V dôsledku prítomnosti zvyškového magnetizmu elektromagnetu, ktorý je vždy prítomný v jadre, dochádza k samovznieteniu paralelných vinutí. Na zvýšenie zvyškového magnetizmu v budiacich cievkach sú jadrá elektromagnety vyrobené z liatej ocele.
Proces samovoľného budenia pokračuje dovtedy, kým prúd nedosiahne svoju maximálnu hodnotu a EMF nedosiahne nominálne hodnoty pri optimálnej rýchlosti otáčania kotvy.
Výhoda: prúdy pri skrate neovplyvňujú generátory s paralelným budením.
Nezávisle nadšený
Batérie alebo iné externé zariadenia sa často používajú ako zdroj napájania pre vinutia poľa. V modeloch nízkoenergetických strojov používajte permanentné magnety, ktoré zabezpečujú prítomnosť hlavného magnetického toku.
Na hriadeli výkonných generátorov sa nachádza generátorový budič, ktorý generuje jednosmerný prúd na excitáciu hlavných vinutí kotvy. Pre excitáciu postačuje 1–3% menovitého prúdu kotvy a nezávisí od neho. Zmena v emf sa vykonáva nastavovacím reostatom.
Výhodou nezávislého budenia je, že budiaci prúd nie je žiadnym spôsobom ovplyvnený napätím na svorkách. Poskytuje dobré vonkajšie vlastnosti alternátora.
S konzistentným vzrušením
Sekvenčné vinutia produkujú prúd rovný prúdu generátora. Pretože pri voľnobehu je zaťaženie nulové, potom je excitácia nulová. To znamená, že charakteristika voľnobehu nemôže byť odstránená, to znamená, že chýbajú charakteristiky nastavenia.
V generátoroch so sekvenčnou excitáciou nie je prakticky žiadny prúd, keď sa rotor otáča pri voľnobehu. Na spustenie procesu budenia je potrebné pripojiť externé zaťaženie na svorky generátora. Takáto výrazná závislosť napätia na záťaži je nevýhodou následných vinutí. Takéto zariadenia sa môžu používať iba na napájanie elektrických spotrebičov s konštantným zaťažením.
So zmiešaným vzrušením
Užitočné funkcie kombinujú návrhy generátorov so zmiešaným budením. Ich vlastnosti: zariadenia majú dve cievky - hlavné, zapojené paralelne s vinutiami armatúry a pomocného zariadenia, ktoré je zapojené do série. V paralelnom obvode vinutia sa používa odpor, ktorý sa používa na nastavenie budiaceho prúdu.
Proces samo-excitácie alternátora so zmiešanou excitáciou je podobný procesu generátora s paralelnými vinutiami (v dôsledku absencie počiatočného prúdu sa sériové vinutie nezúčastňuje na samo-excitácii). Charakteristika voľnobehu je rovnaká ako u alternátora s paralelným vinutím. To vám umožňuje nastaviť napätie na svorkách generátora.
Zmiešané budenie vyhladí zvlnenie napätia pri menovitom zaťažení. To je hlavná výhoda takýchto alternátorov oproti iným typom generátorov. Nevýhodou je zložitosť dizajnu, ktorá vedie k vyšším cenám týchto zariadení. Netolerujte takéto generátory a skraty.
Technické charakteristiky generátora jednosmerného prúdu
Činnosť generátora je charakterizovaná závislosťami medzi hlavnými veličinami, ktoré sa nazývajú jeho charakteristiky. Medzi hlavné charakteristiky patrí:
- závislosti medzi veličinami pri práci na voľnobehu;
- charakteristiky externých parametrov;
- hodnoty.
Niektoré z nastavovacích charakteristík a závislosť voľnobehu sme čiastočne odhalili v časti "Klasifikácia". Stručne diskutujme o vonkajších charakteristikách, ktoré zodpovedajú prevádzke generátora v nominálnom režime. Vonkajšia charakteristika je veľmi dôležitá, pretože ukazuje závislosť napätia na zaťažení a je odstránená pri stabilnej rýchlosti otáčania kotvy.
Vonkajšia charakteristika jednosmerného generátora s nezávislým budením je nasledovná: toto je krivka, napätie závisí od zaťaženia (pozri obr. 5). Ako je možné vidieť na grafe, pozoruje sa pokles napätia, ale nie je veľmi závislý na záťažovom prúde (pri zachovaní rýchlosti motora, ktorý otáča armatúru).
U generátorov s paralelným budením je závislosť napätia na záťaži výraznejšia (pozri obr. 6). Je to spôsobené poklesom budiaceho prúdu vo vinutiach. Čím vyšší je zaťažovací prúd, tým rýchlejšie klesá napätie na svorkách generátora. Najmä pri postupnom poklese odporu na úroveň skratu napätie klesne na nulu. Náhly okruh v obvode však spôsobí vôľu generátora a môže byť katastrofálny pre elektrický stroj tohto typu.
Zvýšenie záťažového prúdu s postupným budením vedie k zvýšeniu emf. (pozri hornú krivku na obr. 7). Napätie (dolná krivka) však zaostáva za EMF, pretože časť energie sa spotrebuje na elektrické straty z prítomných vírivých prúdov.
Venujte pozornosť skutočnosti, že keď je dosiahnuté maximum, napätie začína prudko klesať so zvyšujúcim sa zaťažením, hoci krivka EMF pokračuje v úsilí smerom nahor. Toto správanie je nevýhodou, ktorá obmedzuje použitie tohto typu alternátora.
V generátoroch so zmiešanou excitáciou sú k dispozícii protiprúdové vložky oboch cievok - sériové aj paralelné. Výsledná magnetizačná sila s konzistentným inklúziou sa rovná vektorovému súčtu magnetizačných síl týchto vinutí a opačnej sily - rozdielu týchto síl.
V procese postupného zvyšovania zaťaženia od momentu voľnobehu na nominálnu úroveň bude napätie na svorkách takmer konštantné (krivka 2 na obr. 8). Zvýšenie napätia sa pozoruje, ak počet vodičov v sériovom vinutí prevyšuje počet otáčok zodpovedajúcich nominálnej excitácii kotvy (krivka 1).
Zmena napätia pre prípad s menším počtom závitov v sériovom vinutí je znázornená krivkou 3. Spojenie krížovým vinutím je znázornené krivkou 4.
Generátory s protiprúdom sa používajú vtedy, keď je potrebné obmedziť skratové prúdy, napríklad pri pripájaní zváracích strojov.
V normálne budených zariadeniach zmiešaného typu je budiaci prúd konštantný a takmer nezávisí od zaťaženia.
Reakcia kotvy
Keď je k generátoru pripojené externé zaťaženie, prúdy v jeho vinutí vytvárajú vlastné magnetické pole. Magnetický odpor polí statora a rotora je magnetický. Výsledné pole je silnejšie v tých miestach, kde kotva beží do pólov magnetu, a slabšia tam, kde uniká. Inými slovami, kotva reaguje na magnetické nasýtenie ocele v jadrách cievok. Intenzita reakcie armatúry závisí od nasýtenia magnetických jadier. Výsledkom tejto reakcie je zapálenie kefiek na platniach kolektorov.
Odozva armatúry môže byť znížená použitím kompenzačných prídavných magnetických pólov alebo posunutím kefiek od osi geometricky neutrálnej.
EMF
Priemerná hodnota elektromotorickej sily je úmerná magnetickému toku, počtu aktívnych vodičov vo vinutiach a frekvencii otáčania kotvy. Zvýšením alebo znížením týchto parametrov je možné regulovať hodnotu EMF a teda napätie. Najjednoduchším spôsobom je dosiahnuť požadovaný výsledok nastavením frekvencie otáčania kotvy.
energie
Rozlišujte plný a užitočný výkon generátora. Pri konštantnom EMF je celkový výkon úmerný prúdu: P = EI a . Čistý výkon dodávaný do obvodu P1 = UI .
efektívnosť
Dôležitou vlastnosťou alternátora je jeho účinnosť - pomer čistého výkonu k plnému výkonu. Túto hodnotu označte symbolom η e . Potom: η e = P 1 / P.
Pri voľnobehu, η e = 0. Maximálna hodnota účinnosti je pri menovitých zaťaženiach. Efektívnosť vysokovýkonných generátorov sa blíži 90%.
prihláška
Až donedávna bolo používanie trakčných generátorov jednosmerného prúdu na železničnej doprave nesporné. Proces posunu týchto generátorov synchrónnymi trojfázovými zariadeniami sa však už začal. Striedavý prúd, synchrónny alternátor je usmerňovaný usmerňovaním polovodičových zariadení.
Niektoré ruské lokomotívy novej generácie už používajú asynchrónne motory pracujúce na striedavý prúd.
Podobná situácia je aj u automobilových generátorov. DC alternátory nahrádzajú asynchrónne generátory, po ktorých nasleduje rektifikácia.
Možno, že iba mobilné zváracie stroje s autonómnym napájaním vždy zostanú spárované s DC alternátormi. Niektoré priemyselné odvetvia tiež odmietli používať vysoko výkonné generátory jednosmerného prúdu.