Na úsvitu elektrifikace zůstával generátor stejnosměrného proudu jediným zdrojem elektrické energie. Poměrně rychle byly tyto alternátory nahrazeny pokročilejšími a spolehlivějšími třífázovými generátory střídavého proudu. V některých odvětvích byl stejnosměrný proud nadále žádaný, a proto byla zařízení pro jeho výrobu zdokonalována a vyvíjena.
Ani v naší době, kdy byly vynalezeny výkonné usměrňovače, generátory stejnosměrného proudu neztratily na významu. Používají se například k napájení elektrického vedení v městské elektrické dopravě, kterou používají tramvaje a trolejbusy. Takové generátory se stále používají v telekomunikační technice jako zdroje stejnosměrného proudu v nízkonapěťových obvodech.
Zařízení a princip činnosti
Činnost generátoru je založena na principu, který vyplývá ze zákona elektromagnetické indukce. Pokud je mezi póly permanentního magnetu umístěn uzavřený obvod, pak během jeho rotace protíná magnetický tok (viz obr. 1). Podle zákona elektromagnetické indukce se v okamžiku průsečíku indukuje elektromotorické pole (EMF). Elektromotorická síla se zvyšuje s přibližováním vodiče k pólu magnetu. Pokud je ke kolektoru připojena zátěž R (na obrázku dva žluté půlkruhy), pak vytvořeným elektrickým obvodem protéká proud.
Jakmile závity rámu opustí zónu magnetického toku, EMF slábne a v okamžiku, kdy je rám vodorovný, se stává nulovým. Jak se obvod dále otáčí, jeho protilehlé strany mění magnetickou polaritu: část rámu, která byla pod severním pólem, zaujme polohu nad jižním magnetickým pólem.
Hodnoty elektromotorického napětí v každém aktivním vinutí obvodu jsou určeny vzorcem: e1 = Blvsinw t; a2 = -Blvsinw tKde B – magnetická indukce, l – délka strany rámu, v – lineární rychlost otáčení obvodu, t – čas, hmotnost – úhel, pod kterým rámeček protíná magnetický tok.
Při změně pólů se mění směr proudu. Vzhledem k tomu, že se kolektor otáčí synchronně s rámem, je proud na zátěži vždy směrován jedním směrem. To znamená, že uvažovaný model zajišťuje generování stejnosměrné elektřiny. Výsledná elektromotorická síla má tvar: e = 2Blvsinw t, a to znamená, že jeho změna podléhá sinusovému zákonu.
Přesněji řečeno, tato konstrukce zajišťuje pouze polaritu stacionárních kartáčů, ale neodstraňuje pulzace EMF. Proto generovaný graf proudu vypadá podobně jako na Obr. 2.
Takový proud, s výjimkou vzácných případů, není vhodný k použití. Je nutné pulzace vyhladit na přijatelnou úroveň. K tomu se zvětší počet pólů permanentních magnetů a místo jednoduchého rámu se použije složitější konstrukce – kotva, s velkým počtem vinutí a odpovídajícím počtem sběrných desek (viz obr. 3). Kromě toho jsou vinutí zapojena různými způsoby, které budou popsány níže.
Kotva je vyrobena z ocelového plechu. Jádra kotvy mají drážky, ve kterých je umístěno několik závitů drátu, tvořících pracovní vinutí rotoru. Vodiče ve drážkách jsou zapojeny sériově a tvoří cívky (sekce), které zase vytvářejí uzavřený obvod skrze sběrné desky.
Z hlediska fyziky generačního procesu nezáleží na tom, které části se otáčejí – vinutí obvodu nebo samotný magnet. Proto jsou v praxi kotvy pro generátory s nízkým výkonem vyrobeny z permanentních magnetů a výsledný střídavý proud je usměrňován diodovými můstky a dalšími obvody.
A konečně: pokud je na kolektor přivedeno konstantní napětí, mohou generátory stejnosměrného proudu pracovat v režimu synchronního motoru.
Konstrukce motoru (také známého jako generátor) je zřejmá z obrázku 4. Stacionární stator se skládá ze dvou pólových jader sestávajících z ferimagnetických desek a budicích vinutí zapojených do série. Kartáče jsou umístěny v jedné linii proti sobě. K chlazení vinutí se používá ventilátor.
Klasifikace
Existují dva typy generátorů stejnosměrného proudu:
- s nezávislým buzením vinutí;
- se sebebuzením.
Pro samobuzení generátorů se používá elektřina generovaná samotným zařízením. Podle principu zapojení vinutí kotvy se samobuzící alternátory dělí na typy:
- paralelní budicí zařízení;
- sériově zapojené alternátory;
- zařízení smíšeného typu (generátory počítačů).
Podívejme se podrobněji na vlastnosti každého typu připojení kotevních vinutí.
S paralelním buzením
Pro zajištění normálního provozu elektrických spotřebičů je na svorkách generátoru nutné stabilní napětí, nezávislé na změnách celkového zatížení. Problém se řeší úpravou budicích parametrů. U alternátorů s paralelním buzením jsou svorky cívky připojeny přes nastavovací reostat paralelně s kotevním vinutím.
Budicí reostaty mohou vinutí uzavřít „na sebe“. Pokud se tak neučiní, pak při přerušení budicího obvodu prudce vzroste elektromotorická síla samoindukce ve vinutí, což může prorazit izolaci. Ve stavu odpovídajícím zkratu se energie rozptýlí ve formě tepla, což zabrání zničení generátoru.
Elektrické stroje s paralelním buzením nevyžadují externí zdroj energie. Vzhledem k přítomnosti zbytkového magnetismu, který je vždy přítomný v jádru elektromagnetu, dochází k samobuzení paralelních vinutí. Pro zvýšení zbytkového magnetismu v budicích cívkách jsou jádra elektromagnetů vyrobena z lité oceli.
Proces samobuzení pokračuje, dokud proud nedosáhne maximální hodnoty a elektromotorická síla nedosáhne nominálních hodnot při optimální rychlosti otáčení kotvy.
Výhoda: generátory s paralelním buzením jsou slabě ovlivněny zkratovými proudy.
S nezávislým buzením
Jako zdroj energie pro budicí vinutí se často používají baterie nebo jiná externí zařízení. U modelů strojů s nízkým výkonem se používají permanentní magnety, které zajišťují hlavní magnetický tok.
Na hřídeli výkonných generátorů je umístěn generátor-budič, který produkuje stejnosměrný proud pro buzení hlavních vinutí kotvy. Pro buzení postačuje 1 – 3 % jmenovitého proudu kotvy a nezávisí na něm. Změna EMF se provádí pomocí nastavovacího reostatu.
Výhodou nezávislého buzení je, že budicí proud není ovlivněn napětím na svorkách. To zajišťuje dobré vnější vlastnosti alternátoru.
Se sekvenčním buzením
Sériová vinutí generují proud rovný proudu generátoru. Protože je zátěž v klidovém stavu nulová, je i buzení nulové. To znamená, že charakteristiku klidového stavu nelze odstranit, tj. neexistují žádné regulační charakteristiky.
U generátorů se sériovým buzením prakticky neprotéká proud, když se rotor otáčí na volnoběh. Pro spuštění budicího procesu je nutné připojit k terminálům generátoru externí zátěž. Taková výrazná závislost napětí na zátěži je nevýhodou sériového zapojení vinutí. Taková zařízení lze použít pouze k napájení elektrických spotřebičů s konstantní zátěží.
Se smíšeným vzrušením
Užitečné vlastnosti kombinují konstrukce generátorů se smíšeným buzením. Jejich vlastnosti: zařízení mají dvě cívky – hlavní, zapojenou paralelně s kotevními vinutími, a pomocnou, která je zapojena sériově. Součástí obvodu paralelního vinutí je reostat, který slouží k regulaci budicího proudu.
Proces samobuzení alternátoru se smíšeným buzením je podobný procesu u generátoru s paralelním buzením (kvůli absenci počátečního proudu se sériové vinutí nepodílí na samobuzení). Charakteristika volnoběhu je stejná jako u alternátoru s paralelním vinutím. To umožňuje regulovat napětí na svorkách generátoru.
Smíšené buzení vyhlazuje pulzace napětí při jmenovitém zatížení. To je hlavní výhoda těchto alternátorů oproti jiným typům generátorů. Nevýhodou je složitost konstrukce, která vede ke zvýšení ceny těchto zařízení. Takové generátory netolerují zkraty.
Technické vlastnosti generátoru stejnosměrného proudu
Činnost generátoru je charakterizována závislostmi mezi hlavními veličinami, které se nazývají jeho charakteristikami. Mezi hlavní charakteristiky patří:
- závislosti mezi veličinami při provozu na volnoběh;
- charakteristiky vnějších parametrů;
- hodnoty nastavení.
V části „Klasifikace“ jsme částečně popsali některé charakteristiky nastavení a závislosti na volnoběhu. Stručně se zastavme u vnějších charakteristik, které odpovídají provozu generátoru v nominálním režimu. Vnější charakteristika je velmi důležitá, protože ukazuje závislost napětí na zátěži a je snímána při stabilních otáčkách kotvy.
Vnější charakteristika stejnosměrného generátoru s nezávislým buzením vypadá takto: jedná se o křivku závislosti napětí na zátěži (viz obr. 5). Jak je z grafu patrné, je pozorován úbytek napětí, který však příliš nezávisí na proudu zátěže (při zachování rychlosti otáčení motoru otáčejícího kotvu).
U paralelně buzených generátorů je závislost napětí na zátěži výraznější (viz obr. 6). To je způsobeno poklesem budicího proudu ve vinutích. Čím vyšší je zatěžovací proud, tím rychleji klesne napětí na svorkách generátoru. Zejména s postupným poklesem odporu na úroveň zkratu klesne napětí na nulu. Prudký zkrat v obvodu však způsobí zpětnou reakci generátoru a může být pro elektrický stroj tohoto typu destruktivní.
Zvýšení zatěžovacího proudu při sériovém buzení vede ke zvýšení elektromotorické síly (viz horní křivka na obr. 7). Napětí (dolní křivka) však za elektromotorickou silou zaostává, protože část energie je vynaložena na elektrické ztráty způsobené přítomnými vířivými proudy.
Všimněte si, že při dosažení maxima napětí začíná s rostoucí zátěží prudce klesat, i když křivka elektromotorické síly má i nadále vzestupný sklon. Toto chování je nevýhodou, která omezuje použití tohoto typu alternátoru.
U generátorů se smíšeným buzením jsou zajištěna opačná zapojení obou cívek – sériové a paralelní. Výsledná magnetizační síla s odpovídajícím zapojením se rovná vektorovému součtu magnetizačních sil těchto vinutí a s protiběžným zapojením – rozdílu těchto sil.
Během plynulého zvyšování zatížení z klidového momentu na jmenovitou úroveň bude napětí na svorkách prakticky konstantní (křivka 2 na obr. 8). Zvýšení napětí je pozorováno, pokud počet vodičů sériového vinutí překročí počet závitů odpovídající jmenovitému buzení kotvy (křivka 1).
Změnu napětí pro případ s menším počtem závitů v sériovém vinutí znázorňuje křivka 3. Opačné zapojení vinutí znázorňuje křivka 4.
Generátory s protiběžným zapojením se používají, když je nutné omezit zkratové proudy, například při připojování svářecích strojů.
U normálně buzených zařízení smíšeného typu je budicí proud konstantní a téměř nezávislý na zátěži.
Reakce kotvy
Když je k generátoru připojena externí zátěž, proudy v jeho vinutí vytvářejí vlastní magnetické pole. Vzniká magnetický odpor statorového a rotorového pole. Výsledné pole je silnější v místech, kde kotva nabíhá k pólům magnetu, a slabší tam, kde odbíhá. Jinými slovy, kotva reaguje na magnetické nasycení oceli v jádrech cívek. Intenzita reakce kotvy závisí na nasycení v magnetických obvodech. Výsledkem takové reakce je jiskření kartáčů na sběrných deskách.
Reakci kotvy lze snížit použitím kompenzačních přídavných magnetických pólů nebo posunutím kartáčů od středové osy geometrického neutrálu.
EMF
Průměrná hodnota elektromotorické síly je úměrná magnetickému toku, počtu aktivních vodičů ve vinutích a frekvenci otáčení kotvy. Zvýšením nebo snížením zadaných parametrů můžete řídit velikost EMF, a tedy i napětí. Nejjednodušší způsob, jak dosáhnout požadovaného výsledku, je upravit frekvenci otáčení kotvy.
Moc
Rozlišuje se mezi celkovým a užitečným výkonem generátoru. Při konstantním elektromotorickém napětí je celkový výkon úměrný proudu: P = EIa. Užitečný výkon dodávaný do obvodu P1 = Uživatelské rozhraní.
Účinnost
Důležitou charakteristikou alternátoru je jeho účinnost – poměr užitečného výkonu k celkovému výkonu. Označme tuto hodnotu symbolem ηePak: ηe=P1/P.
Při volnoběhu ηe = 0. maximální hodnota účinnosti – při jmenovitém zatížení. Účinnost u výkonných generátorů se blíží 90 %.
přihláška
Až donedávna bylo v železniční dopravě jedinou alternativou použití stejnosměrných trakčních generátorů. Proces nahrazování těchto generátorů synchronními třífázovými zařízeními však již začal. Střídavý proud synchronního alternátoru se usměrňuje pomocí usměrňovacích polovodičových jednotek.
Některé ruské lokomotivy nové generace již používají asynchronní motory, které pracují na střídavý proud.
Podobná situace je pozorována u automobilových generátorů. Stejnosměrné alternátory jsou nahrazovány asynchronními generátory s následnou usměrňovací funkcí.
Snad jen přenosné svářečky s autonomním napájením zůstávají vždy spárovány se stejnosměrnými alternátory. Některá průmyslová odvětví se také nevzdala používání výkonných stejnosměrných generátorů.
Související videa
Seznam použité literatury
- Voldek A. I., Popov V. V. „Elektrické stroje. Úvod do elektromechaniky. Stejnosměrné stroje a transformátory“ 2008
- O.A.Kosareva „Taháček z obecné elektrotechniky a elektroniky“
- Kitaev V. E., Korkhov Yu. M., Svirin V. K. “Elektrické stroje” Část 1. Stroje na stejnosměrný proud. 1978
- Danilov I.A., Lototsky K.V. „Elektrické stroje“ 1972
