Принцип действия генератора постоянного тока

Рассмотрим принцип действия электрической машины постоянного тока в режиме генератора (см. рис. 22). Между двумя полюсами постоянного магнита (N и S) помещена вращающаяся часть – якорь. Якорь генератора приводится во вращение механически от какого-то постороннего источника энергии (в качестве такого источника механической энергии вращения якоря может быть, например, дизельный двигатель тепловоза). На якоре располагается обмотка в виде витка abcd. Концы витка присоединены к двум пластинам (полукольцам), изолированным друг от друга. Эти пластины образуют коллектор. К щеткам присоединяется нагрузка генератора (т.е. то устройство, которое генератор будет питать вырабатываемым электрическим током, на тепловозе нагрузкой тягового генератора являются тяговые электродвигатели). В процессе работы машины коллектор вращается вместе с валом, а щетки остаются неподвижными.

Рисунок 22. Электрическая машина постоянного тока: abcd – виток проводника, n – частота вращения якоря, об/мин

При вращении якоря генератора проводники его обмотки поочередно занимают положения в магнитном поле с разными значениями магнитной индукции, поэтому в обмотке якоря генератора наводится переменная ЭДС. При этом график изменения ЭДС в зависимости от времени соответствует диаграмме распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Так, например, при синусоидальном характере распределения магнитной индукции в воздушном зазоре ЭДС, а следовательно, и ток в обмотке якоря также синусоидальны (см. рис. 23). Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи генератора был бы переменным. С помощью коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток, т.е. ток неизменный по направлению.

Рисунок 23. Изменение направления тока в проводнике якоря, имеющего один виток обмотки:

─ - изменение тока генератора; ---- - изменение тока в проводнике якоря

Рисунок 24. График выпрямленного тока генератора, якорь которого имеет два витка

На рис. 22 при данном положении витка abcd ток от внешней цепи генератора направлен от щетки А к щетке В. Руководствуясь тем, что во внешней части цепи ток направлен от положительного зажима к отрицательному, определяем полярность щеток: щетка А имеет полярность “+”, а щетка В – ”-”.

После того как якорь повернется на угол 180⁰, направление тока в витке abcd изменится на обратное. Однако полярность щеток, а, следовательно, и направление тока во внешней части цепи остаются неизменными. Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щетками А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под полюсом N, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным над полюсом S. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора имеет постоянное направление, а его величина остается переменной: когда проводники обмотки abcd находятся под серединой полюсов, ток имеет максимальное значение, а когда на геометрической нейтрали – ток равен нулю. Таким образом, с помощью коллектора в генераторе постоянного тока происходит преобразование переменного тока в обмотке якоря в пульсирующий ток во внешнем участке цепи.

Пульсации тока во внешней цепи генератора можно уменьшить, если выполнить обмотку якоря из нескольких витков, каждый из которых присоединен к ответствующей паре коллекторных пластин. Так, например, если якорь имеет всего два витка, сдвинутых в пространстве под углом 90⁰, пульсации тока заметно уменьшаются.

При большем числе витков в обмотке якоря пульсации становятся еще меньше. Практически уже при 16 витках в обмотке (и соответственно 16 пластинах в коллекторе) пульсации тока становятся незаметными и ток во внешней цепи (в нагрузке) генератора можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине. В связи с этим современные коллекторные машины постоянного тока имеют большое число коллекторных пластин и секций обмотки на якоре.