Генератор постоянного тока

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

В современной электроэнергетике  используется преимущественно переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный. Это объясняется  теми достоинствами постоянного  тока, которые сделали его незаменимым  при решении многих практических задач. Так, среди электрических  машин двигатели постоянного  тока занимают особое положение. Двигатели  постоянного тока позволяют осуществить  плавное регулирование скорости вращения в любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного  тока делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и  железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз). Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых  металлорежущих станков, прокатных  станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов. Постоянный ток используется также для питания электролитических  ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов. Это  питание осуществляется от генераторов  постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными  двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного. 

Машины постоянного  тока входят также в электрооборудование  автомобилей, судов, самолетов и  ракет. 

ПРИНЦИП РАБОТЫ И  УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО  ТОКА. ТИПЫ ОБМОТОК ЯКОРЯ 

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении  ЭДС в рамке, вращающейся в  магнитном поле (рис. 6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части  рамки ЭДС дважды меняет знак. Чтобы  ток во внешней цепи имел только одно направление (постоянное), применяют  коллектор — два полукольца, соединенные  с концами рамки, а рамку соединяют  с внешней цепью через вращающийся  коллектор и неподвижные щетки. Как только активная сторона рамки  начнет пересекать линии магнитной  индукции в противоположном направлении  по сравнению предыдущим, соединенное  с этой стороной полукольцо коллектора начнет соприкасаться с другой щеткой. Благодаря такому устройству направление  тока во внешней цепи остается неизменным, хотя его значение изменяется (пульсирует, рис. 6-1, б). 
 
 

Устройство промышленного  генератора постоянного тока изображено на рисунке 6-2. На внутренней поверхности  станины I, изготовленной из цельного чугунного литья, жестко укреплены  главные полюсы 2 с обмотками возбуждения  и дополнительные полюсы с обмотками  для компенсации ЭДС самоиндукции и реакции якоря. 
 
 

В большинстве случаев  электромагниты питаются от самого генератора. Внутри станины помещается якорь 3, представляющий собой металлический  цилиндр, набранный из штампованных пластин электротехнической стали. В продольных пазах на поверхности  якоря размещается обмотка якоря, состоящая из соединенных между  собой секций. Для сглаживания  пульсаций ЭДС и тока обмотка  якоря равномерно размещена по всей поверхности, магнитное сопротивление  между полюсами уменьшается благодаря  стальному сердечнику якоря. Выводы обмоток припаивают к изолированным  друг от друга и от корпуса машины медным пластинам коллектора 4, причем конец одной секции и начало следующей  припаивают к одной и той же пластине. Коллектор жестко укреплен на валу якоря, на этом же валу крепят и  вентилятор. Вал якоря помещается в подшипники подшипниковых щитов 5, укрепляемых на боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные щетки, в  ставленные в щеткодержатели 6. Для  уменьшения сопротивления щетки  часто прессуются из смеси угольного  и медного порошка. 

Машины постоянного  тока часто делают многополюсными (рис. 6-3), при этом в каждой секции обмотки  за один оборот значение и знак ЭДС  изменяются столько раз, сколько  полюсов. Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число  пар щеток равно числу пар  полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяют вместе. 
 
 

Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим более подробно. 

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку — спиральной. При  вращении этого якоря в магнитном  поле в витках его обмотки будут  индуцироваться ЭДС (рис. 6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки  ЭДС имеет один знак, в витках другой половины — противоположный. Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке  не будет, так как действие ЭДС  обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней  стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и Ь) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого  витка, то легко заметить, что вся  обмотка как бы разделится пополам  и при вращении якоря витки  одной половины обмотки будут  постепенно переходить в другую, при  этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут  оставаться низменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней  цепи и в каждой половине обмотки  установится постоянный ток. 

Очевидно, что для  более полного использования  ЭДС обмотки щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая через две такие  точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении щеток  обмотка оказывается разделенной  на две параллельные ветви, соединенные  между собой и внешней цепью  щетками. Если щетки сместить относительно геометрической нейтрали, то в части  витков каждой параллельной ветви ЭДС  будет иметь противоположную  полярность, а под щетками может  начаться искрение, так как в заворачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична  от нуля. 

Кольцевой якорь  можно усовершенствовать, если не снимать  изоляцию с витков обмотки, а сделать  от них отводы, соединенные с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (рис. 6-4, б). Если у такой  машины сделать четыре полюса, то обмотка  разделится на четыре части (рис. 6-5, а). Если далее вместо двух щеток поставить  четыре и одноименные соединить  между собой (рис. 6-5, б), то обмотка  будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть, что с увеличением  числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть соответственно увеличен. Рассмотренный выше кольцевой якорь  со спиральной обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток  замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому  активной стороной каждого витка  обмотки является та, которая расположена  на поверхности, а внутренняя часть  витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в  настоящее время машины с кольцевым  якорем не изготовляют. 
 
 

Минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого  витка обмотки является та, которая  расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения  ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу  меди. Во-вторых, спиральную обмотку  нельзя сделать по шаблону, поэтому  в настоящее время машины с  кольцевым якорем не изготовляют. 

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его  барабанным. Обмотки барабанного  якоря (рис. 6-6) укладывают в специальные  пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция — это часть обмотки между  двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; секции изготовляют по шаблону. 

 ЭДС И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ  МОМЕНТ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО  ТОКА 

Выведем зависимость  ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока. 

ЭДС, индуцируемая в  каждом витке обмотки, может быть определена по формуле 

. (1) 

Применительно к  машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно  упрощается введением понятия средней  индукции. 

Пусть магнитный  поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный  поток равен 2р Ф. Однако можно  с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому  для расчетов можно взять ее среднее  значение: 

, (2) 

где d — диаметр  сердечника якоря, l— образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя  ЭДС одного проводника обмотки при  = 90° равна 

, (3) 

где l- длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v — линейная (окружная) скорость движения проводника. 

Подставим в формулу (3) значение средней индукции Вср  и линейной скорости 
 
 

и после преобразования получим: 

, (4) 

где n — скорость вращения якоря. 

Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в  каждой параллельной ветви будет  активных проводников. Так как ЭДС  генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать: