Princip činnosti stejnosměrného generátoru – vzpomeňte si na kurz školní fyziky

Na úsvitu elektrifikace zůstal stejnosměrný generátor jediným zdrojem elektrické energie. Poměrně rychle byly tyto alternátory nahrazeny pokročilejšími a spolehlivějšími třífázovými alternátory. V některých odvětvích byl stejnosměrný proud nadále žádán, takže zařízení pro jeho generaci byla zdokonalována a vyvíjena.

Dokonce i v naší době, kdy byla vynalezena výkonná usměrňovací zařízení, význam generátorů stejnosměrného proudu nebyl ztracen. Používají se například k napájení elektrického vedení v městské elektrické dopravě, kterou využívají tramvaje a trolejbusy. Takové generátory se dodnes používají v telekomunikační technice jako zdroje stejnosměrného proudu v nízkonapěťových obvodech.

Zařízení a princip činnosti

Provoz generátoru je založen na principu vyplývajícím ze zákona elektromagnetické indukce. Je-li mezi póly permanentního magnetu umístěn uzavřený obvod, bude při rotaci křižovat magnetický tok (viz obr. 1). Podle zákona elektromagnetické indukce se v okamžiku protnutí indukuje EMF. Elektromotorická síla se zvyšuje, když se vodič přibližuje k pólu magnetu. Pokud je ke kolektoru připojena zátěž R (na obrázku dva žluté půlkroužky), pak vytvořeným elektrickým obvodem protéká proud.

Princip činnosti stejnosměrného generátoru

Rýže. 1. Princip činnosti stejnosměrného generátoru

Když cívky rámu opustí zónu působení magnetického toku, EMF slábne a nabývá nulové hodnoty v okamžiku, kdy je rám umístěn vodorovně. Při pokračující rotaci obrysu mění jeho opačné strany 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: e1 = Blvsinwt; a2 =-Blvsinwt; , Kde B magnetická indukce, l – délka strany rámu, v – lineární rychlost otáčení obrysu, t čas, hm. úhel, pod kterým rám protíná magnetický tok.

Obrácení pólů mění směr proudu. Ale vzhledem k tomu, že se kolektor otáčí synchronně s rámem, proud na zátěži směřuje vždy jedním směrem. To znamená, že uvažovaný model poskytuje výrobu konstantní elektřiny. Výsledné EMF má tvar: e = 2Blvsinwt, což znamená, že změna se řídí sinusovým zákonem.

Přesně řečeno, tato konstrukce zajišťuje pouze polaritu pevných kartáčů, ale neeliminuje zvlnění EMF. Proto má graf generovaného proudu tvar, jak je znázorněno na obr.2.

Graf proudu generovaného primitivním generátorem

Obrázek 2. Graf proudu generovaného primitivním generátorem

Takový proud, s výjimkou vzácných případů, není vhodný pro použití. Je nutné vyhladit pulsace na přijatelnou úroveň. K tomu se zvětšuje počet pólů permanentních magnetů a místo jednoduchého rámu se používá složitější konstrukce – kotva, s velkým počtem vinutí a odpovídajícím počtem kolektorových desek (viz obr. 3) . Kromě toho jsou vinutí připojena různými způsoby, které budou popsány níže.

Rotor generátoru

Rýže. 3. Rotor generátoru

Kotva je vyrobena z ocelového plechu. Na jádrech kotvy jsou drážky, ve kterých je umístěno několik závitů drátu, které tvoří pracovní vinutí rotoru. Vodiče v drážkách jsou zapojeny do série a tvoří cívky (úseky), které zase vytvářejí uzavřený obvod skrz kolektorové desky.

Z hlediska fyziky procesu generování je jedno, které části rotují – vinutí obvodu nebo samotný magnet. Proto se v praxi kotvy pro generátory s nízkým výkonem vyrábí z permanentních magnetů a vzniklý střídavý proud je usměrňován diodovými můstky a dalšími obvody.

A nakonec: pokud je na kolektor přivedeno stejnosměrné napětí, pak mohou stejnosměrné generátory pracovat v režimu synchronních motorů.

READ
Domácí pánev s elektrickým pohonem na špízy

Konstrukce motoru (neboli generátoru) je zřejmá z obrázku 4. Pevný stator se skládá ze dvou pólových jader, složených z ferimagnetických desek, a budicích vinutí zapojených do série. Kartáče jsou umístěny v jedné řadě proti sobě. K chlazení vinutí se používá ventilátor.

DC motor

Rýže. 4. Stejnosměrný motor

Klasifikace

Existují dva typy DC generátorů:

  • s nezávislým buzením vinutí;
  • se sebebuzením.

Pro samobuzení generátorů se využívá elektřina generovaná samotným zařízením. Podle principu připojení vinutí kotvy jsou samobuzené alternátory rozděleny do typů:

  • zařízení s paralelním buzením;
  • alternátory se sekvenčním buzením;
  • zařízení smíšeného typu (generátory sloučenin).

Podívejme se podrobněji na vlastnosti každého typu připojení kotevních vinutí.

S paralelním buzením

Pro zajištění normálního provozu elektrických spotřebičů je na svorkách generátorů zapotřebí stabilní napětí, které nezávisí na změnách celkového zatížení. Problém je vyřešen úpravou parametrů buzení. U alternátorů s paralelním buzením jsou vodiče cívek připojeny přes nastavovací reostat paralelně s vinutím kotvy.

Budicí reostaty dokážou vinutí uzavřít „na sebe“. Pokud se tak nestane, pak se při přerušení budícího obvodu prudce zvýší EMF samoindukce ve vinutí, které může prorazit izolaci. Ve stavu zkratu se energie rozptýlí jako teplo, což zabraňuje zničení generátoru.

Elektrické stroje s paralelním buzením nepotřebují externí napájení. V důsledku přítomnosti zbytkového magnetismu vždy přítomného v jádru elektromagnetu dochází k samobuzení paralelních vinutí. Pro zvýšení zbytkového magnetismu v budicích cívkách jsou jádra elektromagnetů vyrobena z ocelolitiny.

Proces samobuzení pokračuje až do okamžiku, kdy síla proudu dosáhne své mezní hodnoty a EMF dosáhne svých jmenovitých hodnot při optimálních rychlostech otáčení kotvy.

Výhoda: generátory s paralelním buzením jsou slabě ovlivněny zkratovými proudy.

S nezávislým vzrušením

Jako zdroj energie pro vinutí pole se často používají baterie nebo jiná externí zařízení. V modelech strojů s nízkým výkonem se používají permanentní magnety, které zajišťují přítomnost hlavního magnetického toku.

Na hřídeli výkonných generátorů je umístěn generátor budiče, který generuje stejnosměrný proud k buzení hlavních vinutí kotvy. Pro buzení stačí 1 – 3 % jmenovitého proudu kotvy a nezávisí na něm. Změna EMF se provádí seřizovacím reostatem.

Výhodou nezávislého buzení je, že budicí proud není ovlivněn napětím na svorkách. A to poskytuje dobré vnější vlastnosti alternátoru.

Se sekvenčním buzením

Sériová vinutí produkují proud rovný proudu generátoru. Protože při volnoběhu je zátěž nulová, pak je buzení nulové. To znamená, že charakteristiku volnoběhu nelze odstranit, to znamená, že neexistují žádné charakteristiky nastavení.

U generátorů se sériovým buzením není při otáčení rotoru na volnoběh prakticky žádný proud. Pro spuštění procesu buzení je nutné připojit externí zátěž na svorky generátoru. Tak výrazná závislost napětí na zátěži je nevýhodou sériových vinutí. Taková zařízení lze použít pouze k napájení elektrických spotřebičů s konstantní zátěží.

READ
Připojení vodou vyhřívané podlahy k topnému systému: jak se připojit ke kotli, připojit ke stávající baterii, z radiátoru

Se smíšeným vzrušením

Užitečné funkce kombinují návrhy generátorů se smíšeným buzením. Jejich vlastnosti: zařízení mají dvě cívky – hlavní, zapojenou paralelně s vinutím kotvy a pomocnou, která je zapojena do série. V obvodu paralelního vinutí je zařazen reostat, sloužící k regulaci budícího proudu.

Proces samobuzení alternátoru se smíšeným buzením je podobný jako u generátoru s paralelními vinutími (kvůli nedostatku počátečního proudu se sériové vinutí nepodílí na samobuzení). Charakteristika bez zátěže je stejná jako u alternátoru s paralelním vinutím. To umožňuje upravit napětí na svorkách generátoru.

Smíšené buzení vyhlazuje zvlnění napětí při jmenovité zátěži. To je hlavní výhoda takových alternátorů oproti jiným typům generátorů. Nevýhodou je složitost konstrukce, která vede ke zdražení těchto zařízení. Netolerujte takové generátory a zkraty.

Specifikace stejnosměrného generátoru

Provoz generátoru je charakterizován závislostmi mezi hlavními veličinami, které se nazývají jeho charakteristiky. Mezi hlavní charakteristiky patří:

  • závislosti mezi hodnotami při volnoběhu;
  • charakteristiky vnějších parametrů;
  • hodnoty úprav.

Částečně jsme zveřejnili některé nastavovací charakteristiky a závislosti na volnoběhu v sekci “Klasifikace”. Zastavme se krátce u vnějších charakteristik, které odpovídají provozu generátoru ve jmenovitém režimu. Velmi důležitá je vnější charakteristika, která ukazuje závislost napětí na zátěži a odebírá se při stabilních otáčkách kotvy.

Vnější charakteristika stejnosměrného generátoru s nezávislým buzením je následující: jedná se o křivku, závislost napětí na zátěži (viz obr. 5). Jak můžete vidět na grafu, je pozorován pokles napětí, který však není silně závislý na zatěžovacím proudu (při zachování otáček motoru otáčejícího se kotvou).

Vnější charakteristika GPT

Rýže. 5. Vnější charakteristika GPT

U generátorů s paralelním buzením je závislost napětí na zátěži výraznější (viz obr. 6). To je způsobeno poklesem budícího proudu ve vinutí. Čím vyšší je zatěžovací proud, tím rychleji bude klesat napětí na svorkách generátoru. Zejména s postupným poklesem odporu na úroveň zkratu klesne napětí na nulu. Ale prudký zkrat v obvodu způsobí vůli generátoru a může být pro elektrický stroj tohoto typu fatální.

Charakteristika HPT s paralelním buzením

Rýže. 6. Charakteristika HPT s paralelním buzením

Zvýšení zatěžovacího proudu při sériovém buzení vede ke zvýšení EMF. (viz horní křivka na obr. 7). Napětí (spodní křivka) však zaostává za EMF, protože část energie je plýtvána elektrickými ztrátami z přítomných vířivých proudů.

Vnější charakteristika generátoru se sekvenčním buzením

Rýže. 7. Vnější charakteristika generátoru se sekvenčním buzením

Vezměte prosím na vědomí, že když dosáhne svého maxima, napětí s rostoucí zátěží začne prudce klesat, ačkoli křivka EMF má nadále tendenci stoupat. Toto chování je nevýhodou, která omezuje použití tohoto typu alternátoru.

U generátorů se smíšeným buzením je zajištěno protispojení obou cívek – sériové a paralelní. Výsledná magnetizační síla se souhláskovou inkluzí se rovná vektorovému součtu magnetizačních sil těchto vinutí a naopak – rozdílu těchto sil.

READ
Parozábrana: tipy pro instalaci optimálních návrhů. 115 fotografií nejlepších moderních nápadů

V procesu plynulého nárůstu zátěže z klidového momentu na jmenovitou úroveň bude napětí na svorkách téměř konstantní (křivka 2 na obr. 8). Nárůst napětí je pozorován, 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. Protispojení vinutí znázorňuje křivka 4.

Vnější charakteristika GPT se smíšeným buzením

Rýže. 8. Vnější charakteristika HPT se smíšeným buzením

Back-to-back generátory se používají, když je potřeba omezit zkratové proudy, například při připojování svářeček.

V normálně buzených zařízeních smíšeného typu je budicí proud konstantní a téměř nezávislý na zátěži.

Reakce kotvy

Když je ke generátoru připojena externí zátěž, proudy v jeho vinutí tvoří vlastní magnetické pole. Existuje magnetický odpor polí statoru a rotoru. Výsledné pole je silnější v místech, kde kotva nabíhá do pólů magnetu, a slabší tam, kde od nich utíká. Jinými slovy, kotva reaguje na magnetické nasycení oceli v jádrech cívek. Intenzita reakce kotvy závisí na saturaci v magnetických obvodech. Výsledkem této reakce je jiskření kartáčů na kolektorových deskách.

Reakci kotvy lze snížit použitím kompenzačních přídavných magnetických pólů nebo posunutím kartáčů od středové linie geometrického neutrálu.

Průměrná hodnota elektromotorické síly je úměrná magnetickému toku, počtu aktivních vodičů ve vinutí a frekvenci otáčení kotvy. Zvýšením nebo snížením těchto parametrů můžete ovládat velikost EMF a tím i napětí. Nejjednodušší způsob, jak dosáhnout požadovaného výsledku, je upravit rychlost kotvy.

Rozlišujte mezi celkovým a užitečným výkonem generátoru. Při konstantním EMF je celkový výkon úměrný proudu: P = EIa. Čistý výkon dodávaný do obvodu P1 =UI.

Důležitou charakteristikou alternátoru je jeho účinnost – poměr užitečného výkonu k celkovému. Tuto veličinu označujeme symbolem ηe. Potom: ηe=P1/P.

Při volnoběhu ηe = 0. maximální hodnota účinnosti – při jmenovitém zatížení. Účinnost výkonných generátorů se blíží 90 %.

přihláška

Donedávna bylo použití stejnosměrných trakčních generátorů v železniční dopravě nesporné. Proces nahrazování těchto generátorů synchronními třífázovými zařízeními však již začal. Střídavý proud, synchronní alternátor je usměrněn pomocí usměrňovacích polovodičových instalací.

Některé ruské lokomotivy nové generace již využívají asynchronní motory na střídavý proud.

Podobná situace je pozorována u automobilových generátorů. Stejnosměrné alternátory jsou nahrazeny asynchronními generátory s následnou rektifikací.

Snad jen mobilní svařovací stroje s vlastním pohonem jsou vždy spárovány se stejnosměrnými alternátory. Některá průmyslová odvětví neopustila používání výkonných stejnosměrných generátorů.

Zvažte, co je generátor stejnosměrného proudu. Jednak je to tělo zařízení vyrobené z odolné oceli nebo litiny. Skříní také prochází magnetické pole vytvořené póly generátoru. Za druhé je to rotor a stator.

K feromagnetickému statoru je připevněna budicí cívka. Směr magnetického toku určují jádra statoru vybavená póly.

Pro vysokou účinnost samotného generátoru je rotor sestaven z kovových desek. Kromě toho může tato konstrukce rotoru výrazně snížit výskyt vířivých proudů.

Na kovových deskách jádra je navinuto měděné nebo poměděné vinutí – samobuzené vinutí. Počet kartáčů generátoru vyrobených z grafitu závisí na počtu pólů na něm, nejméně dvou. Na obrázku jasně vidíme konstrukci generátoru.

READ
Některé styly barevného skla

Výstup obvodu generátoru je připojen pomocí kolektorových desek. Desky jsou vyrobeny z cenově dostupného a dobrého vodiče elektrického proudu – mědi a jsou od sebe odděleny dielektrikem.

Viz také: Udělej si sám světlovod pro osvětlení místností. Solární osvětlení doma pomocí optických vláken



Typické poruchy

Mezi našimi krajany existuje názor, že jednou z hlavních poruch kotvy je nedostatek odporu. Je třeba poznamenat, že odpor je kontrolován na vinutí rotoru a rotor může být zase instalován místo induktoru a stator bude stát místo kotvy. To se provádí za účelem poskytnutí vyššího výkonu, takže odpor lze diagnostikovat pouze na rotoru.

Pokud jde o kotvu, vyznačuje se takovými poruchami:

  • nejčastěji oprava kotvy generátoru svépomocí se provádí v důsledku opotřebení sběracích kroužků;
  • také se může objevit potřeba opravit sestavu v důsledku poruchy ložiska hřídele;
  • ne tak často, ale přesto nastává problém se zkratem vinutí.

Je třeba také poznamenat, že existují poruchy, které nelze opravit:

  • opotřebení kolektoru do průměru 8.6 cm;
  • opotřebení klínové drážky.

1. Kotva instalovaná v soustruhu

2. Zapnutí kotvy na stroji



Princip

Princip činnosti stejnosměrného generátoru, stejně jako jakékoli jiné zařízení podobného typu, je založen na jevu elektromagnetické indukce známého ze školy a výskytu elektromotorické síly v zařízení – EMF. Připomeňme si školní fyziku: připojí-li se k vodiči s permanentním magnetem otáčejícím se uvnitř jakákoli zátěž, pak se v ní objeví střídavý proud. To je možné díky skutečnosti, že magnetické póly samotného magnetu změnily místo.

Pro získání konstantního proudu je nutné připojit připojovací body zátěže synchronně s rychlostí otáčení magnetu. K tomu je v generátoru navržen kolektor, který je upevněn na rotoru a otáčí se stejnou frekvencí.

Energie přijatá jako výsledek celého tohoto procesu je odváděna pomocí grafitových kartáčů, které mají dobrou vodivost a dostatečně nízké tření. Když se kolektorové desky přepnou, EMF je nulové, ale jeho polarita se nezmění v důsledku opětovného připojení k jinému vodiči.

Jak zazvonit armaturu generátoru pomocí multimetru

Samostatně stojí za to rozebrat diagnostiku problémů nebo jak zazvonit armaturu generátoru pomocí multimetru pro detekci poruch. Tato důležitá část vozu zásobuje zbytek energií, takže poruchy budou viditelné pouhým okem. Je velmi důležité najít a opravit problém včas, protože to může nepříznivě ovlivnit stav vozu.

Známky poruch armatury generátoru mohou být vybíjení baterie, hučení, silné zahřívání statoru, vzhled spáleného zápachu a záře signální lampy. Pokud se objeví alespoň jeden z těchto jevů, můžete se obrátit na ty, kteří opravují startéry automobilů, aby potvrdili a vyřešili problém.

Kontrola kotevního uzlu a dalších částí generátoru sloupků. Sondy zařízení připojíme k baterii vypnutého vozu, přičemž dodržujeme polaritu. V režimu voltmetru se podíváme na hodnoty napětí. Poté nastartujeme auto a znovu zkontrolujeme ukazatele. Velikost napětí přiváděného na svorky se u různých vozů liší, proto před zahájením postupu zkontrolujte jejich normální hodnoty.

READ
Výpočet stropu stojanu: pokyny

Zvýšení a snížení indikátoru napětí indikuje poruchy v generátorové jednotce. Prozvonění multimetrem je primární způsob, jak diagnostikovat problémy stroje a začít hledat problémy.

Klasifikace

K rozdělení generátorů do tříd dochází podle principu jejich buzení. Existují dva hlavní typy klasifikace generátorů, jedná se o samobuzené a nezávisle buzené generátory.

První třídou jsou zařízení, kde je vinutí napájeno přímo z kotvy. Lze jej rozdělit na sériové, paralelní a smíšené buzení. Druhá třída se dělí na elektromagnetické a magnetoelektrické buzení.

Jak odstranit kotvu generátoru

Abyste mohli zkontrolovat nebo vyměnit díl, musíte vědět, jak správně demontovat kotvu generátoru bez poškození dílů. Samozřejmě si to můžete udělat sami v garáži. Nebo to svěřte zaměstnancům autoservisů, kteří opravují startéry a alternátory ve vozech různých značek.

Nejprve musíte opatrně vyjmout generátor z auta. Poté sejměte kryt, oddělte diodový můstek a kartáče. Řemenici opatrně upevníme ve svěráku přes pryžová těsnění a odšroubujeme její hlavu. Práce nevyžaduje spěch, protože díly jsou poměrně křehké a při nadměrné námaze se mohou jednoduše zlomit.

Samotná kotva generátoru je vložena do ložiska. Proto je nutné jej opatrně vyklepat z uchycení, aniž by došlo k poškození hřídele. Detaily jsou v našich rukou. Poté zkontrolujeme jeho stav, podíváme se, co je třeba vyměnit, a ve skutečnosti se přímo zabýváme opravou a údržbou kotvy generátoru.

Po opravě systém smontujeme a namontujeme zpět. Pro pohodlí používejte při všech pracích WD-40. Pomůže jemně odstranit všechny detaily a nepoškodí jediný šroub. Rovněž stojí za to se předem postarat o dostupnost klíčů různých velikostí.

Fotografie stejnosměrných generátorů

Čtěte zde! Fázové řídicí relé – hlavní účel, princip činnosti a schéma zapojení. TOP nejlepší výrobci elektrozařízení!

Způsoby odstranění poruch a vad kotvy

Pokud je povrch hřídele mechanismu opotřebovaný, pak postup rýhování takový problém vyřeší. Samotný mechanismus je namontován v soustruhu a opotřebené krky jsou zpracovány. Jejich průměr se zvětší díky železu, které vychází z vytvořených prohlubní. Po dokončení zpracování je nutné postroje obrousit tak, aby jejich rozměry odpovídaly použitým.

Při opotřebení kolektoru je nutné odstranit i jeho vadné prvky. Tato součást je vystavena otáčení, po kterém je izolace řezána do desek na vzdálenost 0.8 mm. V tomto případě by šířka drážky neměla být větší než 0.6 mm, k proříznutí izolace se používá frézka.

Ocel kotvy musí být po vyfrézování ošetřena speciálním nitroglyftalovým lakem, vinutí pak izolačním. V tomto případě by mělo být sušení těchto prvků prováděno při teplotě asi 110 stupňů po dobu 10 hodin. Ne každá čerpací stanice poskytne takové podmínky pro opravu, takže nebude fungovat opravit kotvu doma.

Rating
( No ratings yet )
Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: