- Uređaj i princip rada
- klasifikacija
- Tehničke karakteristike DC generatora
- primjena
- Povezani videozapisi
Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
U zoru elektrifikacije, DC generator je ostao jedini izvor električne energije. Vrlo brzo, ti su alternatori izbacivali napredniji i pouzdaniji trofazni alternatori. U nekim industrijama istosmjerna struja i dalje je bila tražena, tako da su se uređaji za njenu proizvodnju poboljšali i razvili.
Čak iu našem vremenu, kada su izumljeni snažni uređaji za ispravljanje, važnost generatora konstantne struje nije izgubljena. Primjerice, koriste se za napajanje električnih vodova na gradskom električnom prijevozu koji koriste tramvaji i trolejbusi. Takvi se generatori još uvijek koriste u telekomunikacijskom inženjerstvu kao izvori konstantne struje u niskonaponskim krugovima.
Uređaj i princip rada
Princip rada generatora temelji se na principu elektromagnetske indukcije. Ako se između polova permanentnog magneta nalazi zatvoreni krug, tada će tijekom rotacije prijeći preko magnetskog toka (vidi sliku 1). Prema zakonu elektromagnetske indukcije u vrijeme presijecanja izazvano je emf. Elektromotorna sila se povećava kako se vodič približava magnetskom polu. Ako je na kolektor priključeno opterećenje R (dvije žute polutke na slici), struja će teći kroz oblikovani električni krug.
Kako okvir izlazi iz raspona magnetskog toka, EMF slabi i dobiva nultu vrijednost kada je okvir horizontalni. Nastavljajući rotirati konturu, njegove suprotne strane mijenjaju magnetski polaritet: dio okvira koji je bio ispod sjevernog pola zauzima položaj iznad južnog magnetskog pola.
Vrijednosti EMF-a u svakom aktivnom namotu kruga određuju se formulom: e 1 = B lvsinwt ; e2 = -B lvsinwt ; gdje je B magnetska indukcija, l je dužina stranice okvira, v je linearna brzina rotacije kruga, t je vrijeme, wt je kut pod kojim okvir presijeca magnetski tok.
Kod promjene polova mijenja se smjer struje. No zbog činjenice da se kolektor okreće sinkrono s okvirom, struja na opterećenju uvijek je usmjerena u jednom smjeru. Naime, dotični model osigurava proizvodnju stalne električne energije. Dobiveni EMF ima oblik: e = 2B lvsinwt , što znači da je promjena podložna sinusnom zakonu.
Strogo govoreći, ovaj dizajn osigurava samo polaritet fiksnih četkica, ali ne eliminira pulsiranje EMF-a. Stoga grafikon generirane struje ima oblik, kao što je prikazano na slici 2.
Takva struja, osim u rijetkim slučajevima, nije prikladna za uporabu. Potrebno je smanjiti pulsiranje na prihvatljivu razinu. Da biste to učinili, povećajte broj polova trajnih magneta, a umjesto jednostavnog okvira, upotrijebite složeniju strukturu - sidro, s velikim brojem namota i odgovarajući broj kolektorskih ploča (vidi sliku 3). Osim toga, namoti su povezani na različite načine, kao što je objašnjeno u nastavku.
Sidro je izrađeno od čeličnog lima. Na jezgrama armature nalaze se utori u kojima je položeno nekoliko zavoja žice koja tvore radni namotaj rotora. Vodiči u žljebovima spojeni su u seriju i oblikuju svitke (presjeke), koji kroz kolektorske ploče stvaraju zatvoreni krug.
Sa stanovišta fizike generacijskog procesa, nije važno koji dijelovi rotiraju - namoti kruga ili sam magnet. Stoga se u praksi sidra za generatore male snage izrađuju od trajnih magneta, a rezultirajuća izmjenična struja otklanja se diodnim mostovima i drugim krugovima.
I konačno: ako se na kolektor primjenjuje konstantan napon, DC generatori mogu raditi u modu sinkronih motora.
Konstrukcija motora (poznata i kao generator) jasno je prikazana na slici 4. Stacionarni stator se sastoji od dvije jezgre polova, koje se sastoje od ferimagnetskih ploča, i uzbudnih namota povezanih u seriju. Četke se nalaze u jednoj liniji. Ventilator se koristi za hlađenje namotaja.
klasifikacija
Postoje dvije vrste DC generatora:
- s neovisnom pobudom namota;
- uz samo-uzbuđenje.
Za samouslaganje generatora koristi električnu energiju koju proizvodi sam uređaj. Prema principu spajanja armaturnih namota, samoizgušeni alternatori su podijeljeni u tipove:
- uređaji s paralelnom pobudom;
- alternatori s uzastopnim pobudama;
- uređaji mješovitog tipa (compud generatori).
Razmotrimo detaljnije značajke svakog tipa priključnih sidrenih namota.
Uz paralelnu pobudu
Kako bi se osigurao normalan rad električnih uređaja, potreban je stabilan napon na terminalima generatora, neovisno o promjeni ukupnog opterećenja. Problem se rješava podešavanjem parametara uzbude. U alternatoru s paralelnom pobudom, svitci zavojnice su spojeni preko reostata za podešavanje paralelno s armaturnim namotom.
Reostati uzbude mogu kratki spojiti namotaj “za sebe”. Ako se to ne učini, onda kada se pobudni krug prekine, EMF samo-indukcije, koji može prodrijeti kroz izolaciju, dramatično će se povećati u namotu. U stanju koje odgovara kratkom spoju, energija se raspršuje kao toplina, sprečavajući generator da se razbije.
Električni strojevi s paralelnom pobudom ne trebaju vanjski izvor napajanja. Zbog prisutnosti rezidualnog magnetizma elektromagneta koji je uvijek prisutan u jezgri, javlja se samoizbunjavanje paralelnih namotaja. Da bi se povećao zaostali magnetizam u pobudnim zavojnicama, jezgre elektromagneta izrađene su od lijevanog čelika.
Proces samoubuke se nastavlja sve dok struja ne dostigne maksimalnu vrijednost, a EMF ne dostigne nominalne vrijednosti pri optimalnoj brzini vrtnje armature.
Prednost: struje pri kratkom spoju ne utječu na generatore s paralelnom pobudom.
Nezavisno uzbuđen
Baterije ili drugi vanjski uređaji često se koriste kao izvor napajanja za namotaje polja. U modelima strojeva male snage koriste se stalni magneti, koji osiguravaju prisutnost glavnog magnetskog toka.
Na osovini snažnih generatora postoji generator-pobuđivač koji generira istosmjernu struju za uzbuđivanje glavnih namotaja armature. Za pobudu je dovoljan 1–3% nazivne struje armature i ne ovisi o tome. Promjena emf-a vrši se reostatom za podešavanje.
Prednost neovisne pobude je da na pobudnu struju ni na koji način ne utječe napon na stezaljkama. I daje dobre vanjske karakteristike alternatora.
Uz dosljedno uzbuđenje
Sekvencijalni namoti proizvode struju jednaku struji generatora. Kako je na praznom hodu opterećenje jednako nuli, tada je pobuda jednaka nuli. To znači da se značajka praznog hoda ne može ukloniti, tj. Da nema značajki podešavanja.
Kod generatora s uzastopnom ekscitacijom, praktički nema struje kada se rotor okreće u praznom hodu. Za pokretanje postupka uzbude potrebno je spojiti vanjsko opterećenje na priključke generatora. Takva izražena ovisnost napona o opterećenju je nedostatak uzastopnih namota. Takvi uređaji mogu se koristiti samo za napajanje električnih uređaja s konstantnim opterećenjem.
S miješanim uzbuđenjem
Korisne značajke kombiniraju dizajne generatora s miješanom pobudom. Njihove značajke: uređaji imaju dva svitka - glavni, spojen paralelno s namotima armature i pomoćnog, koji je spojen u seriju. U paralelnom krugu namota koristi se otpornik, koji se koristi za podešavanje struje uzbude.
Proces samoizgušenja alternatora s miješanom pobudom sličan je postupku generatora s paralelnim namotima (zbog odsutnosti početne struje serijski namotaj ne sudjeluje u samouzgušavanju). Karakteristika praznog hoda je ista kao i za alternator s paralelnim namotom. To vam omogućuje podešavanje napona na priključcima generatora.
Miješano uzbude izglađuju naponske valove pri nazivnom opterećenju. To je glavna prednost takvih alternatora u odnosu na druge tipove generatora. Nedostatak je složenost dizajna, što dovodi do viših cijena tih uređaja. Nemojte tolerirati takve generatore i kratke spojeve.
Tehničke karakteristike DC generatora
Rad generatora karakteriziraju ovisnosti između glavnih veličina, koje se nazivaju njegove karakteristike. Glavne značajke uključuju:
- ovisnosti između veličina pri radu u praznom hodu;
- karakteristike vanjskih parametara;
- vrijednosti.
Neke od značajki podešavanja i ovisnost praznog hoda, djelomično smo otkrili u odjeljku "Klasifikacija". Ukratko ćemo raspraviti o vanjskim karakteristikama koje odgovaraju radu generatora u nominalnom modu. Vanjska karakteristika je vrlo važna, jer pokazuje ovisnost napona o opterećenju i uklanja se pri stabilnoj brzini rotacije armature.
Vanjska karakteristika istosmjernog generatora s neovisnom pobudom je sljedeća: to je krivulja, napon ovisi o opterećenju (vidi sliku 5). Kao što se može vidjeti na grafikonu, opaža se pad napona, ali ne ovisi u velikoj mjeri o struji opterećenja (održavajući brzinu motora, okretanjem armature).
U generatorima s paralelnom pobudom veća je ovisnost napona o opterećenju (vidi sliku 6). To je zbog pada struje uzbude u namotima. Što je veća struja opterećenja, to će brže napon na terminalima generatora pasti. Konkretno, s postupnim padom otpornosti na razinu kratkog spoja, napon pada na nulu. No, nagli krug u krugu uzrokuje povratnu reakciju generatora i može biti poguban za električni stroj ovog tipa.
Povećanje struje opterećenja uzastopnim pobudama dovodi do povećanja emf. (vidi gornju krivulju na slici 7). Međutim, napon (donja krivulja) zaostaje za EMF-om, jer se dio energije troši na električne gubitke od prisutnih vrtložnih struja.
Obratite pozornost na činjenicu da kada se dostigne maksimum, napon počinje naglo padati s povećanjem opterećenja, iako krivulja EMF-a nastavlja težiti prema gore. Takvo ponašanje je nedostatak koji ograničava uporabu ovog tipa alternatora.
Kod generatora s miješanom pobudom osigurani su protuuključci oba zavojnice - serijski i paralelni. Rezultirajuća sila magnetiziranja s dosljednim uključivanjem jednaka je vektorskom zbroju sila magnetiziranja tih namota, a sa suprotnom silom - razlika tih sila.
U procesu postepenog povećanja opterećenja od trenutka praznog hoda do nominalne razine, napon na stezaljkama će biti gotovo konstantan (krivulja 2 na slici 8). Povećava se napon ako je broj vodiča u serijskom namotu veći od broja okretaja koji odgovara nominalnom uzbuđenju armature (krivulja 1).
Promjena napona kod kućišta s manjim brojem okreta u serijskom namotu prikazana je krivuljom 3. Povezivanje poprečnog namota prikazano je krivuljom 4.
Generatori s protu-prekidačem koriste se kada je potrebno ograničiti struje kratkog spoja, primjerice pri spajanju aparata za zavarivanje.
Kod normalno pobuđenih uređaja mješovitog tipa, struja uzbude je konstantna i gotovo ne ovisi o opterećenju.
Reakcija sidra
Kada je vanjsko opterećenje povezano s generatorom, struje u njegovom namotu oblikuju vlastito magnetsko polje. Postoji magnetski otpor polja statora i rotora. Rezultirajuće polje je jače u onim točkama gdje sidro ulazi u polove magneta, a slabije tamo gdje izlazi. Drugim riječima, sidro odgovara na magnetsko zasićenje čelika u jezgrama svitaka. Intenzitet reakcije armature ovisi o zasićenju u magnetskim jezgrama. Rezultat ove reakcije su iskrenje četkica na pločama kolektora.
Odziv armature može se smanjiti primjenom kompenzirajućih dodatnih magnetskih polova ili pomicanjem četkica iz središnje linije geometrijskog neutralnog.
EMF
Prosječna vrijednost elektromotorne sile je proporcionalna magnetskom fluksu, broju aktivnih vodiča u namotima i frekvenciji rotacije armature. Povećanjem ili smanjivanjem tih parametara može se kontrolirati vrijednost EMF-a, a time i napon. Najlakši način je postići željeni rezultat podešavanjem frekvencije rotacije armature.
snaga
Razlikujte punu i korisnu snagu generatora. Pri konstantnom EMF-u, ukupna snaga je proporcionalna struji: P = EI a . Neto snaga isporučena krugu P 1 = UI .
efikasnost
Važna karakteristika alternatora je njegova učinkovitost - omjer neto snage i pune snage. Označimo tu vrijednost simbolom η e . Zatim: η e = P 1 / P.
U praznom hodu, η e = 0. Maksimalna učinkovitost je kod nazivnih opterećenja. Učinkovitost generatora velike snage približava se 90%.
primjena
Do nedavno je korištenje željezničkih generatora istosmjerne struje na željezničkom prijevozu bilo nesporno. Međutim, proces pomicanja tih generatora sinkronim trofaznim uređajima već je počeo. Sinhroni alternator izmjenične struje ispravlja se ispravljanjem poluvodičkih uređaja.
Neke ruske lokomotive nove generacije već koriste asinkrone motore koji rade na izmjeničnoj struji.
Slična je situacija i kod generatora automobila. DC alternatori zamjenjuju asinkrone generatore, nakon čega slijedi ispravljanje.
Možda su samo mobilni uređaji za zavarivanje s autonomnim napajanjem uvijek ostali upareni s istosmjernim alternatorima. Neke su industrije također odbile koristiti velike generatore istosmjerne struje.