Принцип работы генератора постоянного тока - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Напряжение генератора переменного тока можно измерить с помощью мультиметра. При выключенных нагрузках и отсутствии нагрузки на холостом ходу мультиметр должен показывать напряжение от 14,3 В до 15,5 В. Если после запуска двигателя напряжение превышает 14 В, это может означать, что аккумулятор разряжен и генератор заряжает его. Когда потребители включаются по очереди (фары, отопление, кондиционер и т.д.), напряжение падает примерно на 0,2 после каждого включения. Однако в конечном итоге напряжение не должно опускаться ниже 12,8 В. Если это значение меньше, батарея начнет разряжаться. С другой стороны, если напряжение слишком высокое (14 В или более), это может привести к повреждению батареи. В этом случае напряжение на самом выходе батареи должно быть между 12,6 и 12,7 В.

Содержание

Как устроен генератор постоянного тока

Специфика работы МПТ зависит от того, в каком режиме он работает – генераторном или двигательном. Оба варианта подробно рассматриваются ниже.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Она заключается в том, что изменение магнитного потока, проходящего через проводник, индуцирует в нем ЭДС.

Принцип работы генератора постоянного тока

Для изменения магнитного потока изменяют параметры поля или перемещают проводник в постоянном поле. По второму методу работает генератор постоянного тока: обмотка якоря вращается под действием внешней механической силы.

Очевидно, что при повороте обмотки на 180 градусов электродвижущая сила будет иметь противоположное направление. Коллектор помогает поддерживать постоянный, т.е. однонаправленный, ток в цепи, подключенной к генератору: в нужный момент он вновь подключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). Другими словами, в этой машине коллектор действует как механический выпрямитель.

Если есть только два главных полюса, ток будет пульсировать. Увеличение числа полюсов сгладит пульсацию.

Двигатель

Работа MTF в режиме двигателя является результатом того, что известно как амперная сила. Это сила, которая действует на проводник, помещенный в магнитное поле, когда по нему течет ток. Направление силы в амперах определяется по правилу левой руки.

Сила в амперах создается следующим механизмом:

когда ток течет по проводнику, создается магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
Вектор его индукции с одной стороны проводника соосен с вектором индукции первичного магнитного поля, в котором находится проводник. На этой стороне первичное поле усиливается;
С другой стороны, вектор поля, индуцированного электрическим током, противоположен вектору индукции первичного поля, поэтому оно здесь гасится;
Разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует эту силу. Он определяется по формуле: F = B * I * L, где: B – магнитная индукция первичного поля, I – ток в проводнике, L – длина проводника.

Как и в генераторе переменного тока, при повороте обмотки якоря в определенное положение необходимо переключить контакты, чтобы изменить направление тока или полярность индукционной катушки в обмотке якоря. Поэтому в режиме двигателя также требуется коллектор.

Коллекторные двигатели имеют следующие преимущества:

простота и широкий диапазон регулировки;
жесткие механические характеристики (крутящий момент остается стабильным).

Недостатками являются низкая надежность коллектора и его сложность, что негативно сказывается на стоимости двигателя.

Ниже перечислены нежелательные явления, сопровождающие работу устройства

дуга;
Загрязнение проводящей графитовой пылью (щетки изготовлены из этого материала);
Нарушения в электросети;
при высокой нагрузке – круговое искрение (“кольцевой огонь”), вызывающее подгорание пластин коллектора.

Для устранения этих недостатков в некоторых современных двигателях постоянного тока (DCM) используется следующее:

Обмотки якоря и индуктора чередуются: первая располагается на неподвижной части (статоре), вторая – на вращающейся (роторе). Скользящий контакт остается, но из-за низкой нагрузки на обмотки возбуждения он гораздо проще и надежнее, чем контакт коллектор-щетка;
Переключение между обмотками якоря, расположенными теперь в неподвижной части, осуществляется полупроводниковыми переключателями, срабатывающими по сигналу от датчика положения ротора. Это означает, что механический переключатель (коллектор) был заменен электронным переключателем.

Такие двигатели называют двигателями без коммутатора, в зарубежных странах – двигателями BLDC.

Пульсации ЭДС в четырехцикловом генераторе переменного тока

Классификация

Различают два типа генераторов постоянного тока:

с независимым возбуждением обмоток;
с самовозбуждением.

Генераторы переменного тока с самовозбуждением используют электрическую энергию, вырабатываемую самой машиной. По принципу соединения обмоток якоря генераторы переменного тока с самовозбуждением делятся на типы:

устройства с параллельным возбуждением;
Генераторы переменного тока с последовательным возбуждением;
Устройства смешанного типа (комбинированные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения обмотки якоря.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения правильной работы оборудования необходимо иметь стабильное напряжение на клеммах генератора, не зависящее от колебаний общей нагрузки. Это достигается путем регулировки параметров возбуждения. В генераторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключаются через управляющий реостат параллельно обмотке якоря.

Реостаты возбуждения могут коротко замкнуть обмотку возбуждения. В противном случае при разрыве цепи возбуждения произойдет быстрое увеличение ЭДС самоиндукции в обмотке, которая может пробить изоляцию. В условиях короткого замыкания энергия рассеивается в виде тепла, что предотвращает разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не требуют внешнего источника питания. Благодаря остаточному магнетизму, всегда присутствующему в сердечнике электромагнита, параллельные обмотки самовозбуждаются. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники катушек изготавливаются из литой стали.

Процесс возбуждения продолжается до тех пор, пока ток не достигнет предельного значения, а ЭДС не достигнет номинального значения при оптимальной скорости вращения якоря.

Преимущество: генераторы параллельного возбуждения практически не подвержены влиянию токов короткого замыкания.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используются батареи или другие внешние устройства. В моделях машин малой мощности для обеспечения основного магнитного потока используются постоянные магниты.

Мощные генераторы переменного тока имеют возбудитель на валу, который генерирует постоянный ток, возбуждающий основные обмотки якоря. Возбуждение достаточно для 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от тока якоря. Изменение ЭДС контролируется реостатом.

Преимущество независимого возбуждения заключается в том, что ток возбуждения никак не зависит от напряжения на клеммах. Преимущество этого способа заключается в том, что ток возбуждения не зависит от напряжения на клеммах.

При последовательном возбуждении

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равный току генератора. Поскольку на холостом ходу нагрузка равна нулю, возбуждение равно нулю. Это означает, что характеристика холостого хода не может быть снята, т.е. отсутствует характеристика управления.

В генераторах переменного тока с последовательным возбуждением, когда ротор вращается на холостом ходу, ток практически отсутствует. Для запуска процесса возбуждения необходимо подключить внешнюю нагрузку к клеммам генератора. Такая сильная зависимость от напряжения нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Эти устройства можно использовать только для питания электрооборудования с постоянной нагрузкой.

Смешанное возбуждение

Конструкции генераторов со смешанным возбуждением сочетают в себе полезные функции. Их характеристики: они имеют две катушки, основную, соединенную параллельно с обмоткой якоря, и вспомогательную, соединенную последовательно. Реостат подключен к параллельной обмотке для регулирования тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения генератора со смешанным возбуждением аналогичен процессу самовозбуждения генератора с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка не участвует в самовозбуждении). Характеристика холостого хода такая же, как у генератора с параллельными обмотками. Это позволяет регулировать напряжение на клеммах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсации напряжения при номинальной нагрузке. Это главное преимущество данного типа генератора переменного тока перед другими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что приводит к более высоким ценам на эти устройства. Такие генераторы также не переносят короткого замыкания.

Принцип работы генератора

Технические параметры

Функционирование генератора определяется соотношением между его основными переменными, которыми являются:

зависимость между этими величинами на холостом ходу;
внешние параметры;
контрольные значения.

Внешние характеристики генератора постоянного тока чрезвычайно важны, поскольку они раскрывают взаимосвязь между напряжением и нагрузкой. Это показано на графике. Согласно последнему, существует небольшое падение напряжения, но оно почти не зависит от тока нагрузки (если скорость двигателя поддерживается).

Внешние характеристики GPT

Влияние нагрузки на напряжение более выражено в устройствах с параллельным возбуждением. Это связано с меньшим током обмотки. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее падает напряжение на клеммах машины.

Свойства компьютерных томографов с параллельным возбуждением

Если величина тока в последовательном возбуждении увеличивается, то ЭДС возрастает. Однако напряжение не достигнет высокой электродвижущей силы, поскольку часть энергии будет потеряна на потери вихревых токов.

Свойства ГП с последовательным возбуждением

Когда напряжение достигает максимального значения и одновременно увеличивается нагрузка, первое начинает быстро уменьшаться, в то время как кривая движущей силы продолжает расти. Это считается существенным недостатком, ограничивающим применение данного типа генератора.

В устройствах со смешанным возбуждением предусматривается встречная связь двух катушек. Конечная сила при однонаправленной связи равна сумме векторов намагничивающих сил, при встречной связи она равна их разности.

Если нагрузка увеличивается равномерно, напряжение на клеммах остается почти неизменным. Он увеличивается только в том случае, если число проводов в последовательной обмотке превышает число витков, соответствующих номинальному возбуждению якоря.

Особенности ГП со смешанным возбуждением

Если необходимо ограничить токи короткого замыкания, используются генераторы со смешанным возбуждением. Например, при подключении сварочных аппаратов.

Важной характеристикой генератора является его КПД, т.е. отношение эффективной мощности к кажущейся мощности: η = P 2 / P1. На холостом ходу это соотношение равно нулю (η=0). При номинальной нагрузке КПД достигает максимального значения. Эффективные приборы имеют КПД около 90%.

Электродвижущая сила (величина) пропорциональна магнитному потоку, количеству (активных) проводников в обмотках, скорости вращения якоря. Если эти последние параметры можно изменить, то легко управлять величиной ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Это достигается путем изменения скорости вращения якоря.

Вместимость

Различают полезную мощность и общую мощность устройства. Если электродвижущая сила постоянна, то полная мощность прямо пропорциональна силе тока: P=EIa. Полезная мощность, подводимая к цепи, P1=UI.

Реакция якоря

Если к генератору подключить внешнюю нагрузку, то электрические токи в его обмотках создадут магнитное поле. В этом случае между полями якоря и статора возникает сопротивление. Поле будет наиболее сильным там, где ротор находится близко к магнитным полюсам, и очень слабым в точках наибольшего расстояния. Ротор воспринимает магнитное насыщение стальных сердечников катушек. Сила реакции напрямую зависит от насыщенности в сердечниках. Это вызывает искрение щеток на пластинах коллектора.

Реакция ротора

Эту реакцию можно уменьшить, используя компенсирующие магнитные полюса или перемещая щетки не по центру.

Принцип работы генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Это означает, что при перемещении проводника в магнитном поле индуцируется электрический ток. Этот ток называется индукционным.

КАК СОЗДАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Чтобы генератор можно было использовать в качестве источника энергии, ток должен быть сглажен. Если увеличить количество кадров до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пики E, а значит и тока, будут возникать уже через каждые четверть оборота.

Если они соединены последовательно, индукционный ток будет суммироваться. Выходная характеристика будет представлять собой две выпрямленные синусоиды, смещенные друг относительно друга на четверть периода. Пульсации значительно уменьшатся.

При дальнейшем увеличении количества последовательных кадров текущее значение будет все ближе и ближе к идеальной прямой линии. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому число каркасов велико, а их сумма образует обмотку вращающейся части генератора – якоря.

Для последовательного соединения обмоток конец предыдущей обмотки должен быть соединен с началом следующей. Это делается на полукольцах или, как их еще называют, пластинах. Их количество будет равно количеству поворотов.

Другим фактором, влияющим на величину E, является напряженность магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком мала, а потери в среде между двумя полюсами очень велики.

Первая проблема решается путем использования гораздо более сильного электромагнита вместо постоянного магнита. Вторая проблема решается путем изготовления сердечника якоря из стали. Зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита также уменьшен до минимума.

Ток, протекающий в якоре, создает своего рода электромагнит и генерирует собственное магнитное поле. Это явление называется реакцией якоря. Он также создает реактивное электромагнитное поле. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы компенсировать это, устанавливаются вспомогательные полюса. Она включена в цепь якоря и полностью перекрывает этот негативный эффект.

Независимое возбуждение;
Самовозбуждение.

Магнитный поток, необходимый для работы генератора, создается током, проходящим через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от батареи или другого источника тока. В случае самовозбуждения он питается током якоря.

Остаточный магнетизм в сердечниках полюсов означает, что они создают небольшое количество магнитного потока. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно, чтобы вызвать небольшой индукционный ток в обмотках якоря.

Этот ток протекает в обмотках возбуждения полюсов и увеличивает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока якоря, и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро достигает номинальной мощности.

Параллельное возбуждение;
При последовательном возбуждении;
Смешанное возбуждение.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и его применение. Его основным параметром является внешняя характеристика, которая выражает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при заданной скорости и параметрах возбуждения. К основным характеристикам также относятся мощность и КПД, который достигает 90-95%.

Он крепится к якорю электрической машины и вращается синхронно с ним.

Как работает генератор и что он делает

Генератор– это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Они могут генерировать как постоянный, так и переменный ток.

До второй половины 20-го века В автомобилях использовались генераторы постоянного тока. Затем широкое распространение получили полупроводниковые диоды, позволяющие выпрямлять переменный ток или преобразовывать его в постоянный. Поэтому и в этой области генераторы постоянного тока заменили более надежные и компактные трехфазные генераторы переменного тока.

В прошлой статье я подробно рассмотрел работу электродвигателя, а теперь представлю общие принципы работы и устройство генератора переменного тока. Я не буду подробно останавливаться на машинах постоянного тока, поскольку в настоящее время они не используются в домашних хозяйствах, гаражах и автомобилях. Они широко используются только в городском электротранспорте: троллейбусах и трамваях.

Как работает генератор электроэнергии

Генератор работает на основе закона Электромагнитная индукция – электродвижущая сила (ЭДС) индуцируется в прямоугольном контуре (проволочной рамке), который вращается в равномерно вращающемся магнитном поле.

ЭМП также вызывает в неподвижной прямоугольной проволочной рамке за счет вращения магнита в рамке.

Простейший генератор это прямоугольная рамка, помещенная между двумя магнитами с разными полюсами. Контактные кольца используются для снятия напряжения с вращающейся рамы.На практике То же самое относится и к электромагнитам, которые представляют собой индукционные катушки или обмотки из медной проволоки в изоляционном лаке.

Когда через обмотки проходит электрический ток, они становятся электромагнитами. Для их возбуждения необходим дополнительный источник тока – в автомобилях это аккумулятор.

В бытовых электроустановках пусковое возбуждение происходит либо путем самовозбуждения, либо через вспомогательный небольшой генератор постоянного тока с приводом от вала генератора.

В соответствии с принципом работы Альтернаторы могут быть как синхронными, так и асинхронными.

Асинхронные генераторы переменного тока Они конструктивно просты и дешевы в производстве и более устойчивы к токам короткого замыкания и перегрузкам. Асинхронный генератор идеально подходит для питания активных нагрузок, таких как лампочки, электронагреватели, электроника, электрические конфорки и т.д. Однако их нельзя перегружать даже на короткое время, поэтому при подключении электродвигателя, например, сварочного аппарата, электроинструментов или других индуктивных нагрузок, запас мощности должен быть не менее трехкратного, а лучше четырехкратного.
Синхронные генераторы переменного тока хорошо подходят для индуктивных нагрузок с высокими пусковыми токами. Они выдерживают пятикратную перегрузку по току в течение одной секунды.

Конструкция генератора переменного тока

В данном примере на следующей иллюстрации показан трехфазный генератор переменного тока.

Генератор переменного тока автомобиля состоит из корпуса и двух крышек с вентиляционными отверстиями. Ротор вращается в 2 подшипниках и приводится в движение шкивом. По сути, ротор представляет собой электромагнит, состоящий из одной обмотки.

Ток подается через два медных кольца и графитовые щетки, которые подключены к электронному регулятору напряжения. Он отвечает за то, чтобы выходное напряжение генератора всегда находилось в пределах допустимых 12 В и в пределах допуска, независимо от частоты вращения шкива.

Регулятор напряжения может быть встроен как в корпус генератора, так и вне его.

Статор состоит из из трех медных обмоток, соединенных в треугольник. Выпрямительный мост, состоящий из 6 полупроводниковых диодов, подключается к точкам соединения для преобразования переменного тока в постоянный.

Бензиновый генератор состоит из двигателя и непосредственно приводящего его в движение генератора тока, который может быть синхронного или асинхронного типа.

Двигатель оснащен системами для: запуск, впрыск топлива, охлаждение, смазка, стабилизация скорости. Вибрация и шум подавляются демпферами, виброгасителями и амортизаторами.

Блок автоматизации и управления контролирует работу электростанции и, при необходимости, корректирует и защищает ее в аварийных ситуациях.

В более дешевых генераторных установках Более дешевые генераторные установки имеют ручной запуск, а более дорогие – автоматический запуск с помощью стартера и аккумулятора.

Подробнее о генераторных установках вы можете узнать в нашей следующей статье “Как выбрать генераторную установку для дома или гаража”.

Таким образом, вместо постоянного магнита имеется обмотка возбуждения, размещенная на сердечниках главных полюсов. Когда через обмотку протекает электрический ток, создается достаточно сильное магнитное поле, называемое полем главного полюса.

Использование электромагнитов

До сих пор мы рассматривали только генераторы постоянного тока с постоянными магнитами. Их схема и инструкция по сборке довольно просты, но на практике они редко используются, поскольку таким образом невозможно сделать мощное устройство, так как постоянные магниты не могут создать достаточно сильный поток силовых линий. А поскольку пространство между полюсами фактически создает зону сопротивления для магнитного потока, его сила еще больше ослабевает.

Самые мощные генераторы переменного тока имеют электрические магниты, способные обеспечить необходимую мощность, а для уменьшения эффекта сопротивления катушки располагаются так, чтобы они заполняли все пространство между полюсами. Они установлены на стальном цилиндре, который называется якорем.

Таким образом, место постоянного магнита занимает обмотка возбуждения, размещенная на сердечниках главных полюсов. Когда через обмотку проходит электрический ток, создается достаточно сильное магнитное поле, называемое полем главного полюса.

Если внешняя цепь разомкнута, то положение этих полюсов будет соответствовать вертикально проходящей оси. На рисунке выше вы можете ясно увидеть эти ядра и представить себе, как найти полюса.

Прежде чем мы опишем, как работает такой магнит, давайте разберемся, что такое физическая и геометрическая нейтрали.

Посмотрите на рисунок, точка “а”. На нем можно увидеть линию, перпендикулярную полюсам, проведенную через центр якоря. Он обозначен как “O1-O1”. Это геометрический нейтральный цвет.
На этом же рисунке можно увидеть и линию n-n, которая на первый взгляд своим положением полностью совпадает с предыдущей, но это только в неактивном состоянии генератора. На самом деле физический нейтралитет – это условная линия, разделяющая зоны влияния северного и южного полюсов магнита, и в ретроспективе можно увидеть, что она смещается. Давайте посмотрим, почему.

Обмоточный провод, пересекающий физическую нейтраль, не будет наводить ЭДС, поскольку он скользит вдоль силовых линий, а не пересекает их.
Когда внешняя цепь замкнута, ток также начнет протекать через обмотку якоря. Как и обмотка возбуждения, в этот момент якорь становится сильным электромагнитом. Поэтому, помимо магнитного поля главных полюсов, будет затронуто и поле якоря.
Направление линий его поля будет перпендикулярно потоку главного полюса. В результате два поля накладываются друг на друга, образуя результирующее поле. На том же рисунке, в точке “c”, видно взаимодействие двух полей и их направление.
Как видите, поле перемещается в сторону вращающегося якоря, а физическая нейтральная точка перемещается в положение n1-n. Это взаимодействие называется реакцией якоря. На второй диаграмме угол смещения магнитных линий обозначается как γ.
Описанное явление реакции якоря не является благоприятным для генератора. Щетки, показанные на предыдущем рисунке как M-M, всегда установлены в направлении нейтрального физического положения, т.е. их положение смещено относительно нейтрального геометрического положения на угол γ. Если этого не сделать, между щетками и коллектором будет возникать сильное искрение, что приведет к быстрому износу этих двух частей генератора.

Чем сильнее ток на арматуру, тем сильнее она будет реагировать и тем сильнее будет смещение нейтрального физического положения. Также стоит понимать, что сильная реакция якоря приводит к снижению наведенной ЭДС.
Чтобы нейтрализовать влияние этого фактора на работу генератора, между главными полюсами обмотки возбуждения устанавливается вспомогательная обмотка, а в сетку главных полюсов помещается дополнительная, компенсирующая обмотка.

Вспомогательные полюса располагаются таким образом, чтобы магнитное поле от них было направлено против поля якоря для его нейтрализации. Однако это влияние на работу генератора в целом не единственное.
Следует помнить, что направление тока в обмотке очень быстро меняется на противоположное, когда он проходит через нейтральную точку. В нейтральном состоянии эта катушка замыкается на щетку.

Обратите на это внимание! Такая обмотка называется коммутативной, или чередующейся.

В этих катушках из-за быстрого изменения направления тока возникает довольно большая ЭДС от взаимной индукции и самоиндукции. Это “Е” называется реактивным.
Кроме того, эта ЭДС будет усилена действием магнитного потока якоря, который пересекает катушки в это время. Прямым следствием реактивной ЭДС будет повышенное искрение щеток.
Для нейтрализации реактивной ЭДС используются те же аддитивные полюса. Они сконструированы таким образом, что напряженность их поля несколько выше напряженности поля якоря, что наводит в коммутационных секциях дополнительную ЭДС, противоположную реактивной ЭДС, которая гасит реактивную ЭДС и прекращает искрение.

Следует также добавить, что напряженность магнитного поля ротора напрямую зависит от тока генератора, т.е. от нагрузки генератора. Отсюда можно сделать вывод, что поле вспомогательных полюсов также должно изменяться пропорционально, и обмотки этих частей с обмоткой якоря будут соединены последовательно.

Компенсационная обмотка главных полюсов, о которой мы упоминали выше, также предназначена для улучшения распределения магнитного потока, но в связи с усложнением схем электрогенераторов она используется редко. По этой причине, если можно добиться нормальной работы машины без компенсационной обмотки, ее не используют, оставляя этот элемент для самых мощных агрегатов.

На этом наше вступление должно быть закончено. Конечно, этой информации недостаточно, чтобы пытаться ремонтировать и собирать электродвигатели своими руками, но всем нужно с чего-то начинать. Но теперь вы можете с уверенностью сказать, что знаете назначение и устройство автомобильных генераторов постоянного тока. Кроме того, обратите внимание на прилагаемый видеоролик, из которого вы сможете почерпнуть много полезной информации. Всего наилучшего!

Читайте далее: