- Zařízení a princip činnosti
- Klasifikace
- Technické vlastnosti generátoru stejnosměrného napětí
- Aplikace
- Související videa
Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Na úsvitu elektrifikace zůstal DC generátor jediným zdrojem elektrické energie. Poměrně rychle, tyto alternátory byly vyhnány více pokročilými a spolehlivými třífázovými alternátory. V některých odvětvích byl poptávka i nadále stejnosměrný proud, takže zařízení pro jeho výrobu byla vylepšena a rozvíjena.
Dokonce i v naší době, kdy byly vynalezeny výkonné usměrňovače, význam konstantních proudových generátorů nebyl ztracen. Používají se například k napájení elektrických vedení městskou elektrickou dopravou využívanou tramvajemi a trolejbusy. Tyto generátory se stále používají v telekomunikační technice jako zdroje konstantního proudu v nízkonapěťových obvodech.
Zařízení a princip činnosti
Princip generátoru je založen na principu elektromagnetické indukce. Pokud je uzavřen uzavřený okruh mezi póly permanentního magnetu, pak během otáčení překročí magnetický tok (viz obr. 1). Podle zákona elektromagnetické indukce v době průniku indukované emf. Elektromotorická síla se zvyšuje s přiblížením vodiče k magnetickému pólu. Pokud je zátěž R připojena ke kolektoru (dva žluté polokroužky na obrázku), pak bude proud protékat vytvořeným elektrickým obvodem.
Protože se rám vybočuje z rozsahu magnetického toku, EMF oslabuje a získává nulovou hodnotu, když je rám vodorovný. Pokračování v otáčení obrysu, jeho protilehlé strany mění magnetickou polaritu: část rámu, která byla pod severním pólem, zaujímá pozici nad jižním magnetickým pólem.
Hodnoty EMF v každém aktivním vinutí obvodu jsou určeny vzorcem: e 1 = B lvsinwt ; e 2 = -B lvsinwt ; kde B je magnetická indukce, l je délka strany rámu, v je lineární rychlost otáčení obvodu, t je čas, wt je úhel, při kterém rám protíná magnetický tok.
Při změně pólu se mění směr proudu. Ale vzhledem k tomu, že kolektor se otáčí synchronně s rámem, proud na zátěži je vždy veden v jednom směru. To znamená, že daný model zajišťuje výrobu konstantní elektřiny. Výsledný EMF má podobu: e = 2B lvsinwt , což znamená, že změna podléhá sinusovému zákonu.
Přesněji řečeno, tato konstrukce poskytuje pouze polaritu pevných kartáčků, ale nevylučuje pulzace EMF. Graf generovaného proudu má tedy formu, jak je znázorněno na Obr.
Takový proud, s výjimkou vzácných případů, není vhodný pro použití. Pulzace je nutné vyhladit na přijatelnou úroveň. K tomu je třeba zvýšit počet pólů permanentních magnetů a místo jednoduchého rámu použít složitější konstrukci - kotvu, s velkým počtem vinutí a odpovídajícím počtem kolektorových desek (viz obr. 3). Navíc jsou vinutí spojena různými způsoby, jak je popsáno níže.
Kotva je vyrobena z ocelového plechu. Na jádrech kotvy jsou vytvořeny drážky, ve kterých je uloženo několik závitů drátu tvořících pracovní vinutí rotoru. Vodiče v drážkách jsou zapojeny do série a vytvářejí cívky (sekce), které zase prostřednictvím kolektorových desek vytvářejí uzavřený okruh.
Z hlediska fyziky procesu generování nezáleží na tom, které části rotují - vinutí obvodu nebo samotný magnet. Proto jsou v praxi kotvy pro nízkoenergetické generátory vyrobeny z permanentních magnetů a výsledný střídavý proud je usměrňován diodovými můstky a dalšími obvody.
A konečně: pokud na kolektor působí konstantní napětí, mohou generátory stejnosměrného napětí pracovat v režimu synchronních motorů.
Konstrukce motoru (také známý jako generátor) je zřejmá z obr. 4. Stacionární stator se skládá ze dvou jader pólů, sestávajících z ferrimagnetických desek a budicích vinutí zapojených do série. Kartáče jsou umístěny v jedné linii proti sobě. Pro chlazení vinutí se používá ventilátor.
Klasifikace
Existují dva typy DC generátorů:
- s nezávislou excitací vinutí;
- se samo excitací.
Pro vlastní buzení generátorů používejte elektřinu generovanou samotným zařízením. Podle principu spojování vinutí kotvy jsou samonosné alternátory rozděleny do typů:
- zařízení s paralelní excitací;
- alternátory se sekvenční excitací;
- zařízení smíšeného typu (generátory compud).
Uvažujme podrobněji o vlastnostech každého typu spojovacích kotevních vinutí.
S paralelní excitací
Pro zajištění normálního provozu elektrických spotřebičů je vyžadováno stabilní napětí na svorkách generátorů, nezávisle na změně celkového zatížení. Problém je vyřešen úpravou parametrů excitace. U alternátoru s paralelním buzením jsou piny cívek spojeny přes nastavovací reostat paralelně s vinutím kotvy.
Excitující reostaty mohou zkratovat vinutí „pro sebe“. Pokud se tak nestane, pak když se rozruší budicí obvod, EMF samovolné indukce, která může proniknout izolací, se dramaticky zvýší ve vinutí. Ve stavu odpovídajícím zkratu se energie rozptýlí jako teplo, což zabraňuje prasknutí generátoru.
Elektrické stroje s paralelním buzením nepotřebují externí zdroj energie. Vzhledem k přítomnosti zbytkového magnetismu elektromagnetu, který je vždy přítomen v jádru, dochází k samo excitaci paralelních vinutí. Pro zvýšení zbytkového magnetismu v budicích cívkách jsou jádra elektromagnetů vyrobena z lité oceli.
Proces samočinného buzení pokračuje, dokud proud nedosáhne své maximální hodnoty a EMF nedosáhne jmenovitých hodnot při optimální rychlosti otáčení kotvy.
Výhoda: proudy při zkratu neovlivňují generátory s paralelním buzením.
Nezávisle nadšený
Baterie nebo jiná externí zařízení jsou často používána jako zdroj napájení pro vinutí pole. V modelech nízkoenergetických strojů používejte permanentní magnety, které zajišťují přítomnost hlavního magnetického toku.
Na hřídeli výkonných generátorů je generátor-budič, který generuje stejnosměrný proud pro buzení hlavních vinutí kotvy. Pro buzení stačí 1–3% jmenovitého proudu kotvy a nezávisí na něm. Změnu emf provádí nastavovací reostat.
Výhodou nezávislého buzení je, že budicí proud není žádným způsobem ovlivněn napětím na svorkách. Poskytuje dobré vnější vlastnosti alternátoru.
S konzistentním vzrušením
Sekvenční vinutí produkují proud rovný proudu generátoru. Protože při volnoběhu je zatížení nulové, pak je excitace nulová. To znamená, že charakteristika volnoběhu nemůže být odstraněna, to znamená, že chybí nastavovací charakteristiky.
U generátorů se sekvenční excitací není prakticky žádný proud, když se rotor otáčí při volnoběhu. Pro zahájení procesu buzení je nutné připojit externí svorky na svorky generátoru. Taková výrazná závislost napětí na zátěži je nevýhodou postupných vinutí. Taková zařízení lze použít pouze pro napájení elektrických spotřebičů s konstantním zatížením.
Se smíšeným vzrušením
Užitečné funkce kombinují návrhy generátorů se smíšeným buzením. Jejich vlastnosti: zařízení mají dvě cívky - hlavní, připojené paralelně k vinutím armatury a pomocné, která je zapojena do série. V paralelním obvodu vinutí se používá odpor, který slouží k nastavení budícího proudu.
Proces samo-buzení alternátoru se smíšenou excitací je podobný procesu generátoru s paralelními vinutími (vzhledem k absenci počátečního proudu se sériové vinutí neúčastní samo-buzení). Charakteristika volnoběhu je stejná jako u alternátoru s paralelním vinutím. To vám umožní nastavit napětí na svorkách generátoru.
Smíšené buzení vyhlazuje zvlnění napětí při jmenovitém zatížení. To je hlavní výhodou takových alternátorů oproti jiným typům generátorů. Nevýhodou je složitost návrhu, která vede k vyšším cenám těchto zařízení. Netolerujte takové generátory a zkraty.
Technické vlastnosti generátoru stejnosměrného napětí
Provoz generátoru je charakterizován závislostmi mezi hlavními veličinami, které se nazývají jeho charakteristiky. Mezi hlavní charakteristiky patří:
- závislosti mezi veličinami při práci na volnoběhu;
- charakteristiky externích parametrů;
- hodnoty.
Některé z nastavovacích charakteristik a závislost volnoběhu jsme zjistili v části „Klasifikace“. Pojďme se stručně zabývat vnějšími vlastnostmi, které odpovídají provozu generátoru v nominálním režimu. Vnější charakteristika je velmi důležitá, protože ukazuje závislost napětí na zátěži a je odstraněna při stabilní rychlosti otáčení kotvy.
Vnější charakteristika stejnosměrného generátoru s nezávislým buzením je následující: jedná se o křivku, napětí závisí na zátěži (viz obr. 5). Jak je vidět na grafu, je pozorován úbytek napětí, ale není závislý na zátěžovém proudu (při zachování otáček motoru, který otáčí armaturu).
U generátorů s paralelním buzením je závislost napětí na zátěži výraznější (viz obr. 6). To je způsobeno poklesem budicího proudu ve vinutí. Čím vyšší je zátěžový proud, tím rychleji klesá napětí na svorkách generátoru. Zejména při postupném poklesu odporu na úroveň zkratu napětí klesne na nulu. Náhlý obvod v obvodu však způsobuje vůli generátoru a může být katastrofální pro elektrický stroj tohoto typu.
Zvýšení zatěžovacího proudu s následným buzení vede ke zvýšení emf. (viz horní křivka na obr. 7). Napětí (dolní křivka) však zaostává za EMF, protože část energie se spotřebuje na elektrické ztráty z přítomných vířivých proudů.
Věnujte pozornost skutečnosti, že při dosažení maxima napětí prudce klesá s rostoucí zátěží, i když křivka EMF pokračuje ve vzestupu. Toto chování je nevýhodou, která omezuje použití tohoto typu alternátoru.
V generátorech se smíšeným buzením jsou k dispozici proti-inkluze obou cívek - sériové i paralelní. Výsledná magnetizační síla s konzistentním inkluzí se rovná součtu vektorů magnetizačních sil těchto vinutí as opačnou silou - rozdíl těchto sil.
V procesu postupného zvyšování zátěže od okamžiku volnoběhu na jmenovitou úroveň bude napětí na svorkách téměř konstantní (křivka 2 na obr. 8). Zvýšení napětí je pozorováno, jestliže počet vodičů v sériovém vinutí převyšuje počet otáček odpovídající nominálnímu buzení kotvy (křivka 1).
Změna napětí pro případ s menším počtem otáček v sériovém vinutí je znázorněna křivkou 3. Připojení křížového vinutí je znázorněno křivkou 4.
Generátory s přepínáním se používají v případech, kdy je nutné omezit zkratové proudy, například při připojování svařovacích strojů.
V normálně excitovaných zařízeních smíšeného typu je budicí proud konstantní a téměř nezávisí na zatížení.
Reakce kotvy
Když je externí generátor připojen k generátoru, proudy v jeho vinutí vytvářejí vlastní magnetické pole. Je zde magnetický odpor polí statoru a rotoru. Výsledné pole je silnější v těch místech, kde kotva vstupuje do pólů magnetu a slabší tam, kde uniká. Jinými slovy, kotva reaguje na magnetické nasycení oceli v jádrech cívek. Intenzita reakce kotvy závisí na nasycení magnetických jader. Výsledkem této reakce je jiskření kartáčů na kolektorových deskách.
Odezva kotvy může být snížena použitím kompenzačních přídavných magnetických pólů nebo posunutím kartáčů od osy geometricky neutrální.
Emf
Průměrná hodnota elektromotorické síly je úměrná magnetickému toku, počtu aktivních vodičů ve vinutí a frekvenci otáčení kotvy. Zvýšením nebo snížením těchto parametrů lze regulovat hodnotu EMF a tím i napětí. Nejjednodušší způsob je dosáhnout požadovaného výsledku nastavením frekvence otáčení kotvy.
Napájení
Rozlište plný a užitečný výkon generátoru. Při konstantním EMF je celkový výkon úměrný proudu: P = EI a . Čistý výkon dodávaný do obvodu P1 = UI .
Účinnost
Důležitou vlastností alternátoru je jeho účinnost - poměr čistého výkonu k plnému výkonu. Tuto hodnotu označte symbolem η e . Pak: η e = P 1 / P.
Při volnoběhu, η e = 0. Maximální hodnota účinnosti je při jmenovitém zatížení. Účinnost u výkonných generátorů se blíží 90%.
Aplikace
Až donedávna bylo používání trakčních stejnosměrných generátorů v železniční dopravě nesporné. Proces přemisťování těchto generátorů synchronními třífázovými zařízeními však již začal. Střídavý proud, synchronní alternátor, je usměrňován usměrňováním polovodičových zařízení.
Některé ruské lokomotivy nové generace již používají asynchronní motory pracující na střídavém proudu.
Podobná situace je pozorována u generátorů automobilů. DC alternátory nahrazují asynchronní generátory, následované rektifikací.
Možná, že pouze mobilní svařovací stroje s autonomním napájením zůstávají vždy spárovány s DC alternátory. Některá průmyslová odvětví také odmítla používat vysoce výkonné DC generátory.