Принцип действия генератора постоянного тока

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Простейшим генератором является виток, вращающийся в маг­нитном поле полюсов N и S (см. рис. 125). В таком витке индук­тируется переменная во времени э. д. с. Поэтому при соединении концов витка с контактными кольцами, вращающимися вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки протекает перемен­ный ток, т. е. такая машина является генератором переменного тока.

Для преобразования переменного тока в в постоянный применяют коллектор, принцип дейст­вия которого состоит в следующем. Концы витка 1 (рис. 133) присоединяются к двум медным полукольцам (сегментам), называемым коллек­торными пластинами. Пластины жестко укреп­ляют на валу машины и изолируют как друг от друга, так и отвала. На пластинах помещают не­подвижные щетки 2 и 3, электрически соединен­ные с приемником энергии.

При вращении витка коллекторные пластины также вращаются вместе с валом машины и каж­дая из неподвижных щеток 2 и 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной. Щетки на коллек­торе устанавливают так, чтобы они переходили с

одной пластины на другую в тот момент, когда э. д. с, индукти­руемая в витке, была равна нулю. В этом случае при вращении яко­ря в витке индуктируется переменная э. д. с, изменяющаяся сину­соидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и со­ответственно с тем из проводников, который в данный момент на­ходится под полюсом определенной полярности.

Следовательно, э. д. с. на щетках 2 и 3 знака не меняет, и ток по внешнему участку замкнутой электрической цепи протекает в одном направлении от щетки 2 через сопротивление r к щетке 3

Однако несмотря на то, что направление э. д. с. во внешней цепи остается неизменным, величина ее меняется во времени, т. е. по­лучена не постоянная, а пульсирующая э. д. с. Ток во внешней цепи будет также пульсирующим.

Если поместить на якоре два витка под углом 90° один к дру­гому и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация э. д. с. и тока во внешней цепи значи­тельно уменьшится. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при 16 пластинах на пару полю­сов становится менее 1%. Таким образом, при большом числе кол­лекторных пластин э. д. с. и ток практически постоянны.

КОММУТАЦИЯ ТОКА

Коммутацией тока называется процесс снятия тока с коллек­тора, связанный с переключением секций из одной параллельной ветви в другую. Ток в коммутируемой секции изменяет направле­ние.

При вращении якоря машины коллекторные пластины пооче­редно приходят в соприкосновение со щетками, так что в определенные промежутки времени секция или несколько секций замы­каются щеткой. Поскольку переходное сопротивление между щет­кой и коллекторной пластиной сравнительно мало, то замыкание секций щеткой близко к их короткому замыканию.

На рис. 140, а показана секция простой параллельной обмотки. В этой секции протекает ток одной параллельной ветви:

где Iя — ток нагрузки,

2а — число параллельных ветвей обмотки.

При вращении якоря его обмотка и коллектор перемещаются относительно неподвижной щетки справа налево. В некоторый момент, соответствующий началу коммутации, щетка соприкасается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя проводами обмотки, в каждом из которых протекает ток одной параллельно ветви iя.

Таким образом, через коллекторную пластину и щетку протекает ток, равный сумме токов двух параллельных ветвей 2iя. В выделенной нами секции ток равен току одной параллельной ветви и в данный момент направлен против часовой стрелки.

В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасаться с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая выделенную нам секцию (рис. 140, б). В определенный момент щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2, и ток в выделенной нам секции изменит направление на обратное (рис. 140, в), т. е. секции переключается из одной параллельной ветви в другую. Время переключения секции, называемое периодом коммутации, мало и а это время в секции происходит изменение тока от +iя до —iя.

При изменении тока в секции создается э. д. с. самоиндукции которая может достигать сравнительно больших значений.

Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются э. д. с. взаимоиндукции.

Э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными э. д. с, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.

Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором вызывает возникновение дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором, и способствует развитию дуги. Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению послед него.

Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин, как-то: неровностью поверхности коллектора, биением щеток загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на не и т.д.

Даже незначительное искрение щеток является нежелательный так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышаете нагрев последнего за счет увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором.

Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных э. д. с. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся. активные стороны коммутируемы: секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при ко тором индуктируемая в секциях э.д. с. вращения е_v„ будет равен; и противоположна реактивной э.д.с. е_r, т.е. е_v = —е_r. Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительны полюсы Nк и Sк, размещая их между главными полюсами.

На рис. 141 показана схема генератора, якорь которого вращается каким-либо двигателем в направлении, показанном стрел­кой. В обмотке якоря индуктируется э. д.с, и при нагрузке проте­кает ток. Направление э. д. с. и тока в проводниках обмотки пока­зано на схеме, на которой выделены проводники 1 п 2 коммутируе­мой секции. Реактивная э. д. с. e_r препятствуя изменениям тока коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2

встречно изменениям тока, как показано на схеме. Для компенсации реактивной э, д. с. в проводниках 1 и 2 нужно создать э, д. с. вращения е_v = е_r, для чего и установлены дополнительные полюсы Nк

и Sk

Таким образом, полярность дополни­тельного полюса в генераторе должна со­ответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря глав­ного полюса. В двигателе полярность до­полнительного полюса должна соответст­вовать полярности предыдущего по на­правлению вращения якоря главного по­люса.

Обмотку возбуждения дополнитель­ных полюсов соединяют последовательно

с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная э. д. с. была компенси­рована при любой нагрузке машины. Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником якоря и дополнительным полюсом создан сравнительно большой воздушный промежуток. Так как реактивная э. д. с. пропорциональ­на току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том случае, если э. д. с. вращения также пропорциональна току (нагрузки. Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изме­няться пропорционально току якоря.

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Простейшим генератором является виток, вращающийся в маг­нитном поле полюсов N и S (см. рис. 125). В таком витке индук­тируется переменная во времени э. д. с. Поэтому при соединении концов витка с контактными кольцами, вращающимися вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки протекает перемен­ный ток, т. е. такая машина является генератором переменного тока.

Для преобразования переменного тока в в постоянный применяют коллектор, принцип дейст­вия которого состоит в следующем. Концы витка 1 (рис. 133) присоединяются к двум медным полукольцам (сегментам), называемым коллек­торными пластинами. Пластины жестко укреп­ляют на валу машины и изолируют как друг от друга, так и отвала. На пластинах помещают не­подвижные щетки 2 и 3, электрически соединен­ные с приемником энергии.

При вращении витка коллекторные пластины также вращаются вместе с валом машины и каж­дая из неподвижных щеток 2 и 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной. Щетки на коллек­торе устанавливают так, чтобы они переходили с

одной пластины на другую в тот момент, когда э. д. с, индукти­руемая в витке, была равна нулю. В этом случае при вращении яко­ря в витке индуктируется переменная э. д. с, изменяющаяся сину­соидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и со­ответственно с тем из проводников, который в данный момент на­ходится под полюсом определенной полярности.

Следовательно, э. д. с. на щетках 2 и 3 знака не меняет, и ток по внешнему участку замкнутой электрической цепи протекает в одном направлении от щетки 2 через сопротивление r к щетке 3

Однако несмотря на то, что направление э. д. с. во внешней цепи остается неизменным, величина ее меняется во времени, т. е. по­лучена не постоянная, а пульсирующая э. д. с. Ток во внешней цепи будет также пульсирующим.

Если поместить на якоре два витка под углом 90° один к дру­гому и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация э. д. с. и тока во внешней цепи значи­тельно уменьшится. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при 16 пластинах на пару полю­сов становится менее 1%. Таким образом, при большом числе кол­лекторных пластин э. д. с. и ток практически постоянны.