Принцип действия генератора

СОДЕРЖАНИЕ:

Автомобильный генератор. Виды и устройство. Работа и особенности

Любой автомобиль имеет свою электрическую сеть, выполняющую несколько функций: запуск двигателя стартером, обеспечение стабильного образования разряда искр для воспламенения бензиновой смеси, звуковой и световой сигнализации, а также освещения и создания комфортных условий в салоне.

Для обеспечения электрической энергией потребителей автомобильной электрической сети предусмотрены два источника питания: генератор и аккумуляторная батарея, которая питает энергией бортовую сеть до момента запуска двигателя. Ее особенностью является неспособность выработки электрического тока, а только его удержания внутри себя, и отдачи потребителям при необходимости. Поэтому аккумуляторная батарея не сможет одна долго обеспечивать электроэнергией сеть автомобиля, так как быстро разрядится, отдав всю энергию. Чем чаще запускается двигатель, и используются мощные потребители тока, тем быстрее произойдет ее разряд.

Для восстановления заряда батареи и обеспечения электричеством остальных потребителей автомобиля применяется автомобильный генератор, который постоянно вырабатывает электроэнергию во время работы двигателя.

Виды автогенераторов
Существует два вида генераторов, применяемых на автомобилях:
  1. Генератор постоянного тока на современных автомобилях не используется. Для его работы не требуется выпрямление тока. Ранее применялся на автомобилях Победа, ГАЗ-51 и некоторых других марках, выпущенных до 1960 года.
  2. Генератор переменного тока широко применяется на автомобилях в настоящее время. Первые такие генераторы были разработаны в Америке в 1946 году. Это более надежная и современная конструкция. На выходе генератора встроен полупроводниковый выпрямитель.
Устройство и работа

Оба вида генераторов служат для выработки электрического тока, необходимого для эксплуатации автомобиля. Их устройство и принцип работы имеют отличительные особенности, так как они вырабатывают разные виды тока. Рассмотрим конструктивные особенности и принцип действия, которые имеет автомобильный генератор каждого вида.

Автомобильный генератор постоянного тока
Такой автомобильный генератор имеет много недостатков:
  • Малая эффективность работы.
  • Недостаточная мощность.
  • Несовершенная схема подключения.
  • Необходим постоянный контроль.
  • Частое техническое обслуживание.
  • Малый срок службы.

Аналогичные конструкции, включающие в себя коллектор, могут одновременно функционировать в режиме генератора или двигателя. В гибридных автомобилях они нашли широкое применение.

Их отличием от автогенераторов переменного тока является то, что создающие магнитное поле электромагниты абсолютно неподвижны. Электродвижущая сила находится во вращающихся обмотках ротора. Электрический ток снимается с полуколец, изолированных между собой. На каждой щетке имеется напряжение одной полярности.

Автомобильный генератор переменного тока

Это популярная модель современных автогенераторов. Любая конструкция автогенератора включает в себя обмотку, расположенную в неподвижном статоре, который зафиксирован между двумя крышками: задней и передней. Со стороны задней крышки находятся контактные кольца ротора. Со стороны передней крышки находится привод со шкивом. Автомобильный генератор расположен впереди двигателя и крепится с помощью болтового соединения на специальные кронштейны. Натяжная проушина и крепежные лапы расположены на крышках генератора.

Крышки генератора изготовлены литьем из алюминиевых сплавов. Они имеют окна для вентиляции корпуса генератора. В разных конструкциях такие окна могут выполняться как в торцевой части генератора, так и на цилиндрической части над обмотками статора.

На задней крышке закреплен щеточный узел, объединенный с регулятором напряжения, а также блок выпрямителя. Крышки генератора стягиваются длинными винтами, зажимая между собой корпус статора с обмотками.

Статор автогенератора состоит:

Статор изготавливается из листовой стали толщиной 1 мм. Для экономии металла конструкторы создали статор, состоящий из отдельных сегментов в виде подковы. Листы статора скреплены между собой в одну конструкцию с помощью заклепок или сварки. Все основные виды конструкций статора содержат 36 пазов, в которых находится обмотка. Пазы статора изолированы эпоксидным компаундом или специальной пленкой.

Ротор генератора состоит:

Автомобильный генератор имеет особенный вид системы полюсов ротора , состоящей из двух половин, имеющих выступы в виде клюва. На каждой половине имеется шесть полюсов, которые изготавливаются методом штамповки. Полюсные половины напрессовываются на вал. Между ними устанавливается втулка, на которой расположена обмотка возбуждения. Вал ротора обычно изготавливается из автоматной стали низкой твердости. Но при использовании роликового подшипника, который работает на конце вала со стороны задней крышки, вал изготавливают из твердой легированной стали, при этом цапфу вала подвергают закалке. Конец вала имеет резьбу, шпоночный паз для фиксации шкива.

В современных генераторах шпонка не применяется. Шкив фиксируется на валу усилием затяжки гайки. Для облегчения разборки на валу имеется шестигранный выступ для ключа, или углубление.

Щетки автогенератора расположены в щеточном узле и прижимаются к кольцам с помощью пружин.

Автомобильный генератор может оснащаться двумя типами щеток:
  1. Меднографитовые.
  2. Электрографитовые.

Второй тип обладает значительной потерей напряжения при контакте с кольцом. Это отрицательно влияет на выходные параметры генератора. Положительным моментом является длительный срок службы колец и щеток.

Узел выпрямления используется двух типов:
  1. Теплоотводящие пластины, в которые запрессованы силовые диоды выпрямителя.
  2. Конструкция с большими ребрами охлаждения, на которые припаиваются таблеточные диоды.

Вспомогательный выпрямитель включает в себя диоды в пластиковом корпусе формой в виде горошины или цилиндра, а также могут изготавливаться отдельным герметичным блоком, подключаемым к схеме специальными шинами.

Большую опасность для автогенератора может вызвать короткое замыкание теплоотводящих пластин положительного и отрицательного полюса. Это может произойти из-за случайного попадания металлического предмета или токопроводящей грязи. При этом в цепи аккумулятора возникает замыкание, которое может привести к пожару. Чтобы этого не произошло, многие токопроводящие элементы выпрямителя покрывают слоем изоляции.

В генераторе используются шариковые радиальные подшипники с заложенной в них разовой смазкой и уплотнением. Роликовые подшипники иногда применяются на импортных генераторах.

Охлаждение автогенератора происходит за счет закрепленных на валу лопастей вентилятора. Воздух засасывается в отверстия задней крышки. Существуют и другие способы охлаждения.

На автомобилях, у которых подкапотное пространство слишком плотное, и имеющее большую температуру, используют генераторы с особым кожухом, по которому отдельно поступает прохладный воздух для охлаждения.

Регулятор напряжения

Служит для поддержания напряжения автогенератора в необходимом диапазоне для нормальной работы электрооборудования автомобиля.

Такие регуляторы работают на основе полупроводниковых элементов. Их конструктивное исполнение может быть различным, но принцип их действия не отличается.

Регуляторы напряжения имеют свойство термокомпенсации. Это способность изменять величину напряжения в зависимости от температуры рабочего пространства для наилучшей зарядки аккумулятора. Чем прохладнее воздух, тем выше должно быть подводимое к аккумулятору напряжение.

Работа генератора

При запуске двигателя автомобиля главным потребителем электричества является стартер. При этом сила тока может достичь нескольких сотен ампер. В таком режиме электрооборудование работает только от аккумулятора, который подвержен сильному разряду. После запуска мотора автомобильный генератор является основным источником питания.

Во время работы двигателя происходит непрерывная дозарядка аккумулятора и обеспечивается работа электрических потребителей, подключенных к бортовой сети автомобиля. Если генератор выйдет из строя, то аккумуляторная батарея быстро разрядится. После зарядки напряжение аккумулятора и генератора отличается незначительно, поэтому зарядный ток уменьшается.

При работе мощных электроприборов автомобиля и низких оборотах двигателя, общий ток потребления становится выше способности генератора, поэтому реле напряжения переключает питание на аккумулятор.

Крепление и привод

Генератор приводится в действие с помощью шкива двигателя через ременную передачу. Обороты вращения генератора зависят от диаметра шкива генератора и шкива коленвала двигателя.

Современные автомобили оснащены поликлиновым ремнем, так как он обладает большей гибкостью и может приводить в действие шкивы небольшого диаметра. Это позволяет получить большие обороты генератора. Ремень может натягиваться разными способами, в зависимости от марки автомобиля и конструкции натяжителя. Чаще всего в качестве натяжителя используют специальные ролики.

Неисправности
Автогенераторы представляют собой надежное устройство, однако у них также случаются некоторые неисправности, которые делятся на два вида:
  1. Механические неисправности чаще всего возникают вследствие износа деталей: шкива, приводного ремня, подшипников качения, меднографитных щеток. Такие неисправности легко обнаруживаются, так как возникают посторонние шумы, стуки со стороны генератора. Эти поломки устраняют путем замены изношенных деталей, так как восстановлению они не подлежат.
  2. Электрические неисправности возникают гораздо чаще. Они могут выражаться в замыкании обмоток статора или ротора, поломке регулятора напряжения, пробое выпрямителя и т.д. До выявления неисправностей такие поломки могут отрицательно повлиять на аккумуляторную батарею. Например, пробитый регулятор напряжения будет постоянно перезаряжать батарею. При этом нет особых внешних признаков. Это выявляется только с помощью замеров напряжения выхода генератора.

Электрические неисправности также устраняются путем замены неисправных деталей новыми. Замыкание в обмотках требует их перемотки, что значительно повышает стоимость ремонта. В торговой сети можно найти запчасти к генераторам, в том числе и корпус статора с обмотками.

В чем секрет работы генератора постоянного тока: устройство и его принцип действия?

Генератор постоянного тока – это электрическая машина, производящая напряжение постоянной величины.

За этим вполне банальным определением кроется очень сложное устройство, являющееся практически совершенством технической мысли. Ведь с момента изобретения в конце XIX века устройство генератора постоянного тока не претерпело существенных изменений.

Никакая энергия не возникает просто так, ниоткуда. Она — всегда порождение другой силы. Это касается и электрического тока. Чтобы он возник, нужно магнитное поле, позволяющее использовать эффект электромагнитной индукции — возбуждение ЭДС во вращающемся проводнике.

Принцип работы генератора постоянного тока

Если к концам петли проводника, внутри которой вращается постоянный магнит, подключить нагрузку, то в ней потечет переменный ток. Произойдет это потому, что полюса магнита меняются местами. На этом эффекте основан принцип работы генераторов переменного тока, являющихся братьями-близнецами машин постоянного напряжения.

Вся хитрость, благодаря которой получаемый ток не меняет направления, заключается в том, чтобы успевать коммутировать точки подключения нагрузки с той же скоростью, с какой вращается магнит. Осуществить эту задачу может только коллектор – особое устройство, состоящее из нескольких токопроводящих секторов, разделенных диэлектрическими пластинами. Оно закрепляется на якоре электрической машины и вращается синхронно с ним.

Съем электрической энергии с якоря осуществляется щетками – кусочками графита, имеющего высокую электропроводность и низкий коэффициент трения скольжения. В тот момент, когда токопроводящие сектора коллектора меняются местами, индуцируемая ЭДС становится нулевой, но изменить знак она не успевает, поскольку щетка передана токосъемному сектору, подключенному к другому концу проводника.

Как находить возможные неисправности генераторов и чинить их — подскажет подробная инструкция.

В результате, на выходе устройства получается пульсирующее напряжение одной величины. Чтобы сгладить пульсацию напряжения используется несколько якорных обмоток. Чем их больше, тем меньше броски напряжения на выходе генератора. Количество токосъемных секторов на коллекторе всегда в два раза больше, чем обмоток якоря.

Съем генерируемого напряжения с обмотки якоря, а не статора, является коренным отличием машины постоянного тока от переменного. Это же предопределило и их существенный недостаток: потери на трение между щетками и коллектором, искрение и нагрев.

Выясняем, как устроен агрегат

Как любая электрическая машина, генератор постоянного тока состоит из якоря и статора.

Якорь собирается из стальных пластин с углублениями, в которые укладываются обмотки. Их концы подсоединяются к коллектору, состоящему из медных пластин, разделенных диэлектриком. Коллектор, якорь с обмотками и вал электрической машины после сборки становятся единым целым.

Статор генератора является одновременно и его корпусом, на внутренней поверхности которого закрепляется несколько пар постоянных или электрических магнитов. Обычно используются электрические, сердечники которых могут быть отлиты вместе с корпусом (для машин малой мощности) или набраны из металлических пластин.

Также на корпусе предусматривается место для крепления токосъемных щеток.
В зависимости от количества полюсов магнитов на статоре меняется и количество графитовых элементов. Сколько пар полюсов, столько и щеток.

Типы подключения электрических магнитов статора

Генераторы постоянного тока различаются по типу подключения электрических магнитов статора. Они могут быть:

  • с независимым возбуждением;
  • параллельным;
  • последовательным.

При независимом возбуждении электрические магниты статора подключаются к автономному источнику постоянного тока. Обычно это делается через реостат. Достоинством такой схемы является возможность регулировки генерируемой электрической мощности в широких пределах. Недостатком – необходимость иметь дополнительный источник питания.

Остальные два способа являются частными случаями самовозбуждения генератора, которое возможно при небольшом остаточном магнетизме статора. При параллельной работе генератора постоянного тока электромагниты статора питаются частью генерируемого напряжения. Это самая распространенная схема.

С принципами работы симисторов познакомит эта статья. Как на таких полупроводниках собрать регулятор мощности, можно узнать тут.

При последовательном возбуждении цепь электромагнитов включается последовательно с нагрузочной цепью якоря. Величина тока, протекающего по электромагнитам, существенно зависит от нагрузки генератора. Поэтому такая схема используется только для подключения тяговых двигателей постоянного тока, которые при торможении переходят в режим генерации.

Применяется и смешанная схема подключения обмотки возбуждения – параллельно-последовательная. Для этого на каждом полюсе электромагнита должно быть две изолированные обмотки (включаемая последовательно обычно состоит всего из двух–трех витков). Такие электрические машины применяются в том случае, если требуется ограничить ток короткого замыкания в нагрузке. Например, в мобильных сварочных агрегатах.
Наличие коллекторно-щеточного узла существенно усложняет конструкцию электрической машины. Кроме того, передача генерируемой энергии через него осуществляется с большими потерями и физическими нагрузками. Поэтому, там где это возможно, машины постоянного тока заменяют асинхронными генераторами с выпрямительным мостом. Таковы, например, все автомобильные источники электроэнергии.

Принцип работы синхронного генератора

Генератор (альтернатор) переменного тока предназначен для того, чтобы преобразовывать механическую энергию в электрическую. Его ротор вращается от первичного двигателя, в качестве которого может служить турбина, ДВС, электродвигатель.

Как выглядит синхронный генератор

К синхронным машинам относятся те, у которых ротор имеет одинаковую частоту вращения с магнитным полем:

f – частота сети;

p – количество пар полюсов статора.

Принцип работы

Статор и ротор – главные составные части синхронного генератора (СГ).

Принцип действия синхронного генератора

Как изображено на рисунке, синхронный генератор чаще всего вырабатывает энергию, когда ротор вращается вместе с магнитным полем, линии которого пересекают статорную обмотку, расположенную неподвижно. Поле создаётся от дополнительного возбудителя (дополнительного генератора, аккумулятора и др. источников).

Процесс может происходить наоборот – вращающийся проводник находится в неподвижном магнитном поле. Здесь появляется проблема токосъёма через коллекторный узел. Для генераторов переменного тока небольшой мощности эта схема вполне подходит. Обычно она применяется в передвижных установках.

В СГ вырабатывается ЭДС:

B – магнитная индукция;

l – длина паза статора;

w – количество витков в статорной обмотке;

D – внутренний диаметр статора.

Основная электроэнергетика построена на напряжении 15-40 кВ. Передача энергии через коллектор СГ затруднительна. К тому же подвижная обмотка подвержена ударным нагрузкам и вращению с переменной скоростью, что создаёт проблемы с изоляцией. Из-за этого, обмотки якоря делают неподвижными, поскольку через них проходит основная энергия. Мощность возбудителя не превышает 5% от общей мощности СГ. Это позволяет проводить ток через подвижный узел.

В машинах переменного тока небольшой мощности (несколько киловатт) ротор изготавливают с постоянными магнитами (неодимовыми и др.). Здесь не требуется установка подвижных контактов, но тогда возникают сложности с регулированием напряжения на выходе.

Устройство генератора

Статор имеет общий принцип действия с асинхронником и мало отличается от него. Его железо собирается из пластин электротехнической стали, разделённых изолирующими слоями. В пазах размещается обмотка переменного тока. Наиболее распространён трёхфазный синхронный генератор. Провода обмоток надёжно крепятся и изолируются, поскольку через них подключается нагрузка.

Ротор выполняется с явно выраженными полюсами или без выступающих полюсов.

Виды полюсов синхронного генератора: а) – выступающие; б – неявно выраженные

Первые делаются для тихоходных машин, например, с гидравлическими турбинами. Для вращающихся с большой скоростью генераторов переменного тока принцип действия заключается в применении более прочных неявно выраженных полюсов.

СГ может работать в режимах двигателя или генератора переменного тока. Важно, какой здесь применяется способ охлаждения. Обычно на валу устанавливаются крыльчатки, охлаждающие ротор с обеих сторон. Воздух перед вентиляцией проходит через фильтр. В замкнутой системе циркулирует один и тот же воздух, проходя через теплообменники.

Более эффективным охлаждающим агентом является водород, в 14,5 раз более лёгкий, чем воздух. Принцип охлаждения у него аналогичный.

Обмотки генератора переменного тока выводятся концами на его распределительную коробку. Для трёхфазных – соединение производится в звезду или в треугольник.

Синхронный генератор преимущественно обеспечивает поддерживание синусоидального переменного напряжения. Это достигается изменением формы полюсных наконечников, а неявнополюсный ротор имеет определённое расположение витков в его пазах.

Реакция якоря

При соединении выхода с внешней нагрузкой в обмотках статора протекает электрический ток. Образующееся магнитное поле накладывается на поле, которое создаёт ротор.

Реакция якоря при разных видах нагрузки

При активной нагрузке ток и ЭДС совпадают по фазам (изображено на рисунке выше – а). Он становится максимальным, если полюса ротора располагаются напротив якорных обмоток. Основной магнитный поток и образующийся от реакции якоря перпендикулярны и при наложении образуют несколько больший результирующий поток, увеличивающий ЭДС.

Индуктивная нагрузка приводит к снижению ЭДС, поскольку потоки направлены встречно (изображено на рисунке выше – б).

Ёмкостная нагрузка вызывает совпадение направлений потоков, в результате чего ЭДС увеличивается.

Увеличение нагрузки приводит к большей реакции якоря, приводящей к изменению выходного напряжения, что нежелательно. На практике этот процесс управляется изменением возбуждения, что снижает степень воздействия реакции якоря на основное поле.

Режимы работы СГ

Нормальные режимы работы характеризуются сколько угодно длительными периодами времени. В их число входят отклонения коэффициентов мощности, выходного напряжения до 5% и частоты до 2,5% от номиналов и т. п. Допуски на отклонения определяются нагревом агрегатов и задаются стандартами или гарантируются производителями.

А нормальные режимы функционирования неприемлемы для продолжительной работы и связаны с появлением перегрузок, с недовозбуждением, переходами в асинхронные режимы. Этот режим работы связан с отклонениями в сети: короткими замыканиями, нагрузками переменного действия, неравномерностью загрузки фаз.

На нормально работающее устройство оказывает влияние подключённая сеть, где нарушения функционирования отдельных потребителей вызывают несимметрию и искажения формы сигнала. Из-за этого могут перегреваться обмотки или конструкция генератора.

Продолжительная работа генератора возможна при различии фазных токов на турбогенераторах до 10% и до 20% на синхронных компенсаторах и гидрогенераторах.

Искажение синусоиды на СГ происходит из-за мощных выпрямителей, преобразователей, электротранспорта и т. д.

Важно для синхронных машин, чтобы нормально работала система охлаждения. Если затраты охлаждающей воды достигают 70% от номинала, срабатывает сигнализация предупреждения. Если расход охладителя снижается наполовину, устройство должно разгружаться за 2 мин, а затем отключаться не более чем за 4 мин.

Характеристики генератора:

  1. при холостом ходе, когда обмотка якоря не замкнута, устанавливается зависимость ЭДС от токов возбуждения, а также определяется показатель намагничивания сердечников машины;
  2. внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения от нагрузочных токов;
  3. регулировочные характеристики, проявляющиеся в зависимости токов возбуждения от нагрузочных при автоматическом поддерживании заданных выходных параметров.

Виды генераторов

Генераторы отличаются способами возбуждения. В автономных установках на транспорте, в авиации, на судах применяется самовозбуждение за счёт остаточного намагничивания. Способ отличается надёжностью и удобством применения. Распространённым вариантом здесь является отбор энергии от статорной обмотки, которая проходит через понижающий трансформатор и полупроводниковый преобразователь ПП, в результате чего на обмотку возбуждения через коллектор поступает постоянный ток (изображено на рисунке ниже – а).

Принцип самовозбуждения синхронного генератора

Другая схема реализует самовозбуждение также путём подачи переменного тока со статорной обмотки через выпрямительный трансформатор ВТ и тиристор ТП в обмотку возбуждения ОВ (изображено на рисунке выше – б). Тиристором автоматически управляет регулятор возбуждения АРВ по сигналам от входа генератора СГ через трансформаторы напряжения ТН и тока ТТ. Блок защиты БЗ не допускает образования на обмотке возбуждения повышенного напряжения и перегрузочного тока.

Другая конструкция содержит дополнительную синхронную или асинхронную машину с возбуждением от статорных обмоток. На рисунке ниже изображена такая система СГ с обмоткой возбуждения ОВ и трёхфазной обмоткой статора. При этом ротор основного генератора имеет общий вал с якорными обмотками возбуждения ОВ1 и ОВ2 дополнительного подвозбудителя ПВ. Ток возбуждения регулируется реостатами r1 и r2. Устройство не уступает по быстродействию установкам с самовозбуждением, но конструкция у него более сложная, а габариты больше.

Система возбуждения с дополнительным генератором

Применяется также бесконтактная система возбуждения, где у СГ нет подвижных контактов для передачи энергии. Щётки с коллектором имеют только подвозбудитель ПВ, который питает пост

Бесконтактная система возбуждения синхронного генератора

оянным током обмотку I возбудителя В.

Видео. Синхронные машины

Можно отметить следующие современные направления в развитии технологии производства синхронных машин:

  • улучшение конструкций;
  • использование новых материалов, позволяющих уменьшить толщину изоляции и повысить мощность до 10%;
  • применения микропроцессоров для контроля состояния машин;
  • совершенствование режимов воздушного охлаждения.

Принцип работы генератора переменного и постоянного тока

Как известно, при прохождении тока через проводник (катушку) образуется магнитное поле. И, наоборот, при движении проводника вверх-вниз через линии магнитного поля возникает электродвижущая сила. Если движение проводника медленное, то соответственно возникающий электрический ток будет слабым. Значение тока прямо пропорционально напряженности магнитного поля, числу проводников, и соответственно скорости их движения.

Простейший генератор тока состоит из катушки, изготовленной в виде барабана, на которую намотана проволока. Катушка крепится на валу. Барабан с проволочной обмоткой еще называют якорем.

Для снятия тока с катушки, конец каждого провода припаивается к токособирающим щеткам. Эти щетки должны быть полностью изолированы друг от друга.

Генератор переменного тока

При вращении якоря вокруг своей оси происходит изменение электродвижущей силы. Когда виток поворачивается на девяносто градусов сила тока максимальная. При следующем повороте падает к значению нуля.

генератор переменного тока

Полный оборот витка в генераторе тока создает период тока или, другими словами, переменный ток.

Генератор постоянного тока

Для получения постоянного тока используется переключатель. Он представляет собой разрезанное кольцо на две части, каждая из которых присоединена к разным виткам якоря. При правильной установке половинок кольца и токособирающих щеток, за каждый период изменения силы тока в устройстве, во внешнюю среду будет поступать постоянный ток.

Каждый электрик должен знать:  Прибор безопасности для мостовых и козловых кранов ОНК-160 М

Крупный промышленный генератор тока имеет неподвижный якорь, именуемый статором. Внутри статора вращается ротор, создающий магнитное поле.

Обязательно прочитайте статьи про автомобильные генераторы:

В любом автомобиле есть генератор тока, работающий при движении машины для питания электрической энергией аккумулятора, систем зажигания, фар, радиоприемника и т.д. Обмотка возбуждения ротора является источником магнитного поля. Для того чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился без потерь к обмотке статора, катушки помещают в специальные пазы стальной конструкции.

автомобильный генератор тока

Таким образом, генератор тока является современным устройством, способный преобразовывать энергию механического движения в электрическую.

Все про автомобильный генератор — устройство, принцип работы

Любому транспортному средству требуется электросеть для запуска мотора, воспламенения топлива, питания осветительной и звуковой системы, обеспечения комфорта в салоне. Электроэнергию поставляют аккумулятор и генератор. В первом держится постоянный ток, который сравнительно быстро потребляется. Второй во время работы мотора энергию вырабатывает, поддерживает постоянный уровень напряжения и тока. От него заряжается аккумулятор, питаются приборы.

Виды автомобильных генераторов

Для транспортных средств разработаны генераторы, выдающие постоянный и переменный ток. Первыми транспортные средства комплектовались до 1960 года. На данный момент они полностью заменены более современными, надежными, дающими постоянный ток благодаря полупроводниковым выпрямителям.

Генератор постоянного тока

Эти агрегаты соответствовали требованиям, предъявляемым к транспортным средствам до начала шестидесятых. Электромагниты в них неподвижные, ЭДС (электродвижущая сила) в роторе, напряжение на щетках одной полярности, ток снимается с заизолированных друг от друга полуколец.

Существует 3 вида этих электрогенераторов:

  • с обмоткой, соединенной с аккумуляторной батареей;
  • с параллельным возбуждением (шунтовой схемой);
  • с последовательной схемой для подключения статора, обмоток якоря.

Благодаря возможности работать как двигатель, если ток подается на якорь, современные электрогенераторы постоянного тока устанавливаются на гибридные автомобили.

Прогресс производства машин с двигателями внутреннего сгорания потребовал более высоких мощностей, оптимизации технических характеристик, уменьшения габаритов, длительного срока службы.

У оборудования постоянного тока оказалось много недостатков:

  • небольшая мощность;
  • низкий КПД;
  • неудобная схема для подключения;
  • большие габариты и вес;
  • частое техобслуживание;
  • необходимость в постоянном контроле

Дольше всего оборудование постоянного тока использовалось на железной дороге, однако со временем было заменено трехфазным переменным агрегатами.

Генератор переменного тока

Для разработки компактных, мощных, долговечных электрогенераторов для машин было потрачено немало времени. Новое оборудование сравнительно легкое, снижена стартовая частота вращений, увеличена надежность, срок эксплуатации более длительный, меньше затраты на техобслуживание.

Основные параметры и характеристики

Для любого электрогенератора важны такие характеристики как:

  1. КПД, %;
  2. напряжение, В;
  3. выдаваемый ток, А;
  4. частота и направление вращения ротора, об/мин;
  5. мощность, Вт (Ватты).

Устройство генератора

Все электрогенераторы выдают ток, но он разный, поэтому отличается конструкция.

Устройство генератора постоянного тока

У агрегата постоянного тока массивный корпус служит статором, обмотки полюсные, за счет смещенных пазов размещения обмоток магнитное поле постоянное, шумность невысокая. Якорь с токосъемной частью монтируется между обмотками, опирается на подшипники, закрепленные на крышках. Щеткодержатели крепятся к задней стенке, положительная щетка не заизолирована.

Существуют модели, укомплектованные дополнительными обмотками и второй парой щеток. Разработаны 3 схемы подключения, отличающиеся по типу возбуждения:

Устройство генератора переменного тока

Трехфазные электрогенераторы выпускаются в 2-х вариантах: стандартные и компактные, но устройство отличается мало:

  1. корпус (две крышки), элементы для крепления на мотор;
  2. магнитопровод, трехфазные медные намотки;
  3. шкив, через ремень передающий на ротор вращение;
  4. ротор;
  5. щетки;
  6. регулятор напряжения;
  7. выпрямитель из силовых диодных элементов.

Для производства компактных моделей электрогенераторов используются современные технологии и материалы.

Генератор располагается перед мотором, через проушины на крышках закрепляется болтами на кронштейны. Ротор с контактными кольцами у задней крышки, привод и шкив — у передней. Крышки производятся из сплавов алюминия, оснащаются окнами для вентиляции на цилиндрической или торцевой части. Щетки закреплены на задней крышке вместе с выпрямителем, регулятором напряжения. Крышки при помощи длинных винтов зажимают статор. Щетки производятся из графита, монтируются в диэлектрические держатели.

Для изготовления статоров используются листы стали. Элементы соединяются заклепками или сваркой. Для намотки создается 36 пазов, заизолированных пленкой или эпоксидкой.

Ротор состоит из системы полюсов, поделенных на две части, оснащенных «клювами» (выступами). У каждой части 6 полюсов, напрессованы на вал из нетвердой автоматной стали. Посередине монтируется втулка. Твердая сталь для изготовления вала используется, если на концах монтируются цапфа закаливания, подшипники. Для фиксации шкива имеется паз и резьба.

Щетки прижимаются пружинами, существует 2 вида этих элементов:

Первый вид служит дольше, но теряет напряжение во время контакта с кольцом, снижая параметры на выходе.

Также существует 2 вида диодных мостов:

  • диоды таблеточные, припаянные к системе охлаждения с большими ребрами;
  • диоды силовые, запрессованные в пластины, отводящие тепло.

Вспомогательный узел для выпрямления состоит из цилиндрических или шарообразных диодов или герметичного блока, подключенного при помощи шин. Все элементы выпрямителя покрываются составом, предотвращающим короткое замыкания.

Для охлаждения используется вентилятор. Регуляторы напряжения состоят из полупроводников, меняют напряжение одновременно с колебаниями температуры среды. Принцип действия не зависит от конструктивного исполнения.

Напряжение в сети «скачет», если меняется частота оборотов ротора и коленчатого вала. Это оказывает отрицательное воздействие на потребителей. Чтобы избежать скачков, требуется ограничение тока возбуждения, передаваемого через щетки. Эту функцию выполняет регулятор, меняющий время для подключения обмотки, базируясь на общую нагрузку сети.

Принцип работы автомобильного генератора

Принцип действия автомобильного генератора, вырабатывающего постоянный ток, основан на индукции ЭДС под воздействием магнитного поля. Напряжение снимается прямо с полуколец, так как выпрямление тока не требуется.

Этот тип генераторов крепится на картер или при помощи кронштейнов, в нижнеклапанных двигателях на головку блока. Такая схема установки требует привода из ремня и шкива, установленного на коленчатом вале. Натяжение ремня обеспечивается опорой. На больших двигателях монтировался привод, работающий от шестерен распределителя газа.

Короткое и подробное учебное видео конструкции и принципа работы генератора автомобильного

Генератор переменного тока характеризуется:

  • напряжением (7,14-28 вольт);
  • током, ампер (А);
  • частотой самовозбуждения, возбуждения;
  • мощностью (средне значение 1380 ватт);
  • КПД (в современных моделях 50-60%).

Ток на статоре в момент запуска двигателя достигает сотни ампер. Все оборудование работает за счет аккумулятора, который быстро разряжается. Генератор начинает работать сразу после запуска, превращаясь в главный источник питания электросети и приборов.

Важно знать, как он работает. Якорь, соединенный с аккумулятором через контактные кольца и щетки, начинает вращаться, образуется электромагнитное поле. Оно создает переменный ток на обмотках. Далее он передается на выпрямитель, на выходе ток уже постоянный.

Электроэнергия используется для дозаряда аккумулятора и работы потребителей, подключенных к сети. Если обороты двигателя не достаточно высокие, а приборы мощные, реле подключает к питанию аккумулятор.

Схема подключения автомобильного генератора

Электрическая схема генераторов для транспортных средств «звезда» или «треугольник». При втором варианте ток в 1,7 раз больше, поэтому он используется на машинах с большой мощностью.
«Плюс» генератора присоединяется к аккумулятору, через регулятор напряжения к монтажному блоку, лампе на приборной доске, показывающей уровень заряда аккумулятора, вольтметру, включателю зажигания.

Основные неисправности автомобильного генератор

Электрогенераторы для автомобилей надежные, но неисправности все же случаются. Они бывают:

К механическим относится:

  • износ ремня привода, щеток, контактных колец, шкива, подшипников;
  • разрушение корпуса, болтов крепления, пружин.

Обнаружить их просто по стукам и другим посторонним шумам. Ремонт сводится к замене неисправных деталей.

Чаще случаются электрические неисправности:

  • нарушение функциональности или выход из строя регулятора напряжения;
  • обрывы, замыкания обмоток на роторе/статоре;
  • пробой выпрямителя;
  • сбои функциональности реле.

Для определения неисправностей необходимо знать характерные признаки:

  • на панели мигает и горит непрерывно лампа разряда аккумуляторной батареи;
  • фары горят тускло, во время работы двигателя слышен дребезжащий звук;
  • из генератора слышен звук, напоминающий писк, вой.

Неисправную деталь желательно выявить сразу. Если пробит регулятор напряжения, аккумуляторная батарея постоянно перезаряжается. При неисправных кольцах или щетках аккумулятор перезаряжается или недозаряжается, быстро требуется замена.

Чтобы самостоятельно провести диагностику и ремонт, необходимо хорошо знать, из чего состоит генератор, как расположены детали, для чего каждая предназначена, как работает. Сначала проверяется предохранитель, потом расположение агрегата, целостность корпуса, ремня, проводки, вращение ротора, контактные кольца, щетки.

Из механических повреждений самым частым считается износ подшипников. Необходимо их снять, оценить состояние посадочных мест, при необходимости заменить на новые. Свист во время разгона свидетельствует о проблемах с ремнем. Заменить его тоже не совсем просто.

Проверка обмоток ротора проводится мультиметром, сопротивление должно быть 1,8-5 Ом. Если цифра меньше, на витках короткое замыкание, если больше, обмотка оборвана. Чтобы проверить обмотки статора, необходимо отсоединить их от выпрямителя. Об отсутствии у обмоток контакта с корпусом свидетельствует бесконечное значение на приборе.

Диоды выпрямителя тоже проверяются мультиметром, меняя щупы местами. Полупроводниковая деталь неисправна, если показания при проверке не зависят от расположения щупов. Диодный мост нужно менять полностью, если окислились контакты.

Современный автомобильный генератор достаточно сложный, для проверки, диагностики, ремонта лучше обратиться к опытным специалистам, обладающим необходимыми знаниями, использующим при работе специальный стенд, заменяющим неисправные детали на соответствующие оригинальные.

Как работает и устроен генератор тока

Генератор тока— это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Они могут генерировать как постоянный, так и переменный ток.

До второй половины XX века на автотранспорте применялись генераторы постоянного тока. Затем широкое распространение получили полупроводниковые диоды, которые позволяли выпрямить переменный ток или сделать его постоянным. Поэтому и в этой сферы генераторы постоянного тока заменили более надежные и компактные трехфазные генераторы переменного тока.

В прошлой статье Я подробно рассмотрел вопросы работы электродвигателя, сейчас будут изложены общие принципы работы и устройства генератора тока. Я не буду подробно останавливаться на машинах постоянного тока, потому что в быту, гаражах и на автотранспорте они сегодня не применяются. Они лишь широко используются в городском электротранспорте: троллейбусах и трамваях .

Принцип действия генератора тока

Генератор работает на основе закона электромагнитной индукции Фарадея— электродвижущая сила (ЭДС) индуцируется в прямоугольном контуре (проволочной рамке), вращающимся в однородном вращающемся магнитном поле.

ЭДС также возникает в неподвижной прямоугольной рамке, если в ней вращать магнит.

Простейший генератор представляет собой прямоугольную рамку, размешенную между 2 магнитами с разными полюсами. Для того что бы снять с вращающейся рамки напряжение используются токосъемные кольца. На практике же используются электромагниты, которые представляют собой катушки индуктивности или обмотки из медного провода в электроизоляционном лаке. При прохождении электрического тока по обмоткам, они начинают обладать электромагнитными свойствами. Для их возбуждения необходим дополнительный источник тока- в автомобилях это аккумуляторная батарея. В бытовых электростанциях возбуждение при заводке происходит в результате самовозбуждения или от дополнительного маломощного генератора постоянного тока, который приводится в движение валом генератора.

По принципу работы генераторы могут быть синхронными или асинхронными.

  1. Асинхронные генераторы конструктивно просто устроены и недороги в изготовлении, более устойчивы к токам короткого замыкания и перегрузок. Асинхронный электрогенератор идеально подходит для питания активной нагрузки: ламп накаливания, электронагревателей, электроники, электрических конфорок и т. д. Но даже кратковременная перегрузка для них недопустима, поэтому при подключении электродвигателей, не электронного типа сварочного аппарата, электроинструмента и других индуктивных нагрузок- запас по мощности должен быть минимум трехкратным, а лучше четырехкратным.
  2. Синхронный генератор прекрасно подойдет для индуктивных потребителей с высокими значениями пусковых токов. Они способны в течении одной секунды выдерживать пятикратную токовую перегрузку.

Устройство генератора переменного тока

Для примера рассмотрения устройства возьмем автомобильный трехфазный генератор.

Автомобильный генератор состоит из корпуса и двух крышек с отверстиями для вентиляции. Ротор вращается в 2 подшипниках и приводится в движение при помощи шкива. По своей сути ротор является электромагнитом, состоящий из одной обмотки. Ток на нее подается при помощи двух медных колец и графитовых щеток, которые соединены с электронным реле-регулятором. Оно отвечает за то, что бы выдаваемое напряжение генератором всегда было в допустимыми пределах 12 Вольт с допустимыми отклонениями и не зависело от частоты вращения шкива. Реле-регулятор может быть как встроено в корпус генератора, так и находится за его пределами.

Статор состоит из трех медных обмоток, соединенных между собой в треугольник. К точкам их соединения подключен выпрямительный мост из 6 полупроводниковых диодов, которые преобразуют напряжение из переменного в постоянное.

Бензиновый электрогенератор состоит из двигателя и приводящего им в движение на прямую- генератора тока, который может быть как синхронного, так и асинхронного типа.

Двигатель оснащен системами: запуска, впрыска топлива, охлаждения, смазки, стабилизации оборотов. Вибрацию и шум поглощают глушитель, виброгасители и амортизаторы.

Блок автоматики и управления следит за работой электростанции и при необходимости корректирует и защищает в аварийных ситуациях.

В более дешевых электростанциях происходит ручной запуск, а в более дорогих- автозапуск при помощи стартера и аккумуляторной батареи.

Более подробно об электростанциях Вы сможете узнать из нашей следующей статьи «Как выбрать электростанцию для дома или гаража».

Принцип работы синхронного генератора

Электрогенератор (альтернатор) электротока переменного типа предназначается для процедуры преобразования кинетической и потенциальной энергии в электроэнергию. Ротор такой машины приводится в движение, а именно вращается, от двигателя первичного типа, в роли которого могут выступать ДВС (топливные двигатели), электродвигатели, турбины.

Если альтернатор переменного тока характеризуется тем, что частота вращения его ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля, то такие машины называются синхронными. Произвести расчет частоты вращения можно по формуле:

  • f – частота тока в электросети;
  • p – количество пар статорных полюсов.

Часто многие неосведомленные в области электроустановок люди задаются вопросом о том, какой принцип работы синхронного генератора.

Принцип работы СГ

Конструкция генерирующей машины переменного тока достаточна проста. Статор и ротор – это основные компоненты синхронного генератора (СГ).

Синхронный альтернатор, в основном, вырабатывает электроэнергию тогда, когда ротор синхронного генератора движется по кругу вместе с магнитным полем, линии которого встречаются в неподвижной обмотке статора. Поле образуется посредством возбуждения дополнительным устройством, например:

  • вспомогательным генератором;
  • аккумулятором;
  • разнообразными энергетическими преобразователями;
  • и другими энергоисточниками.

Стоит отметить, что процесс преобразования энергий в СГ может происходить и по-другому – вращающееся части проводникового элемента могут располагаться в обездвиженном магнитном поле. В этом случае возникает трудность токосъема через щеточно-коллекторный узел электрической машины, какой соединяет ротор с цепями ее неподвижной части. Для генераторных машин невысокой мощности подобная схема может успешно применяться. Зачастую она встречается в установках передвижного типа.

В рассматриваемом генераторе продуцируется электродвижущая сила (ЭДС), расчет которой совершается по формуле:

  • π – константа;
  • B – индукция магнитного поля;
  • l – длина паза статорного элемента;
  • w – число витков в обмотке статорного компонента;
  • Dn – диаметр статора внутри.

Электроэнергетика с такими устройствами построена, в основном, на электронапряжении в диапазоне 15 000-40 000 В. Энергообмен через коллектор альтернатора затруднителен. К тому же обмоточная катушка подвижного типа подвергается ударным нагрузкам большой силы и вращательным движениям с попеременной скоростью, что формирует проблематику с изоляционной составляющей. По этой причине якорные элементы производят обездвиженными, так как именно через них пропускается основная масса энергии.

Мощность устройства-возбудителя обычно не превосходит 4-5% от совокупной производительной мощности синхронного генератора – это дает возможность пропускать электроток через динамический узел.

Для информации. В механизмах переменного тока малой мощности (до нескольких кВт) роторный элемент изготавливается с магнитными деталями постоянного типа (ферритовыми, неодимовыми, полимерными магнитопластами и другими). В них не нужно устанавливать подвижные контакты, однако из-за этого существуют трудности с регулировкой выходного напряжения.

Устройство СГ

Статор СГ имеет почти такое же устройство и принцип функционирования, как и у асинхронного варианта. Его железные компоненты компилируются из стальных пластин (сталь применяется электротехнического назначения), которые отделаются друг от друга слоями изоляции. Обмотка переменного электротока располагается в его пазах. Провода обмоток отделяются друг от друга изолирующим слоем и закрепляются надежно, так как через них вводится нагрузка. Ротор может исполняться без выпирающих полюсов либо с ярко выраженными полюсами.

На заметку. Наибольшую популярность имеет трехфазный синхронный генератор, применяемый во многих областях жизнедеятельности человека и предприятий. Однофазные варианты обычно применяется в быту.

Синхронные генераторы с явно полюсным ротором производятся для тихоходных машин, к примеру, для установок с гидротурбинами. А СГ с не явно полюсными роторами подходят для механизмов переменного тока, вращающихся с высокой скоростью.

Синхронные генерирующие устройства могут работать в двух режимах: двигательном либо генерирующем переменный электроток. Здесь важно то, какой метод охлаждения применяется, так как генерация чего-либо всегда более требовательна. В основном, на вал монтируются крыльчатки, какие охлаждают ротор с двух сторон воздухом, проходящем через фильтрующий элемент. Потоки воздуха в такой системе охлаждения вращаются одни и те же. При работе СГ в усиленном режиме подобная система нежелательна.

Важно! Эффективнее при высоких нагрузках применять в качестве охлаждающего агента водород, какой более чем в 14 раз легче воздуха.

Обмотки рассматриваемого генератора отводятся концами на его распредкоробку. Трёхфазная машина имеет иное соединение обмотки – отвод совершается звездой или треугольником.

Преимущественно все синхронные генерирующие устройства поддерживают синусоидальное переменное электронапряжение. Этого можно достичь посредством изменения формы наконечников на полюсах и особым месторасположением витков в пазах не явно полюсного ротора.

Реакция якоря

В обмотках статорного элемента при присоединении выхода с наружной нагрузкой начинает протекать электроток. Образующееся при этом силовое магнитное поле совмещается с полем, что формируется роторным элементом. Такое взаимодействие полей именуется реакцией якоря.

При активной нагрузке электроток и ЭДС имеют одни и те же фазы. Предельная сила электротока проявляется в тот момент, когда полюса роторного элемента находятся на противоположной стороне от якорных обмоток. Главный магнитный поток и второстепенный поток, который формируется во время реакции якоря, перпендикулярны друг другу, а при сопоставлении формируют увеличенный итоговый поток, что увеличивает в тот момент ЭДС.

Нагрузка индуктивного вида, имея потоки, направленные навстречу друг к другу, наоборот, приводит к значительному снижению электродвижущей силы.

Нагрузка емкостного типа вызывает совмещение потоков, движущихся в одну сторону, итог – увеличение ЭДС.

Любое повышение нагрузки увеличивает влияние реакции якоря на выходное электронапряжение, которое из-за этого изменяется в ту или иную сторону, что крайне нежелательно в электросетях. Практично такой процесс можно контролировать: просто изменять возбудитель, что снизит уровень влияния реакции якоря на главное силовое поле.

Режимы работы СГ

Нормальный режим работы СГ можно охарактеризовать любым числом рабочих периодов, какой угодно длительности, при которых главные параметры не выходят за диапазон допустимых значений. При таком режиме работы допустимы отклонения электронапряжения на выходе и частоты в пределах 4-5% и 2,5% от номинального значения, коэффициентов мощности и тому подобные. Допуски на отклонения задаются нормативными документами и определяются нагревом машин либо же гарантируются фирмой-производителем.

Нормальные рабочие режимы недопустимы для долгого функционирования устройства при таких обстоятельствах, как перевозбуждение или недовозбуждение, переход в режимы асинхронного типа, перегрузки. На возникновение таких обстоятельств влияют следующие отклонения в электросети:

  • неравномерность фазной загрузки;
  • короткое замыкание;
  • нагрузки попеременного действия.

Стоит отметить, что на нормальное функционирование механизма воздействует подключенная к нему электросеть, в которой любые нарушения работоспособности отдельно взятых источников потребления вызывают искажение формы и несимметрию электросигнала.

Важно! Длительная работа генерирующего энергию устройства допустима при разнице токов на фазах турбогенератора до 10% и водяных генераторов, синхронных компенсирующих машин до 15-20%.

Искривление синусоиды на СГ может случаться из-за высокомощных преобразователей, выпрямляющих устройств и прочих.

Необходимо учесть, что нормальное функционирование синхронных устройств возможно только при качественной работе охлаждающей системы. Так, при затратах охлаждающего агента в объеме более 70% от номинального значения, должна срабатывать предупреждающая сигнализация о том, что устройство нужно отключить от сети, в противном случае может произойти выход оборудования из строя. Когда расход охлаждающего агента уменьшается на 50%, то устройство должно разгрузиться порядка двух минут, после чего отключиться за максимум четыре минуты.

Характерные черты СГ

СГ обладают нижеследующими характерными чертами:

  • при нулевой нагрузке (холостом ходе), когда якорная обмотка находится в не замкнутом виде, задается зависимость электродвижущей силы от электротоков возбуждения, а также устанавливается значение уровня намагничивания сердечников генератора;
  • выходное электронапряжение зависит от нагрузочных электротоков – этот признак является внешней характеристикой СГ;
  • регулировочные характеристики синхронной машины проявляются в зависимости возбуждающих электротоков от нагрузочных аналогов при поддерживании установленных параметров на выходе в автоматическом режиме.

Синхронные генераторы нашли широкое применение в промышленности и энергообеспечении, так как имеют простую конструкцию, понятный принцип работы и могут выдерживать кратковременные перегрузки.

Для правильной эксплуатации и проведения ремонтных работ над СГ переменного тока необходимо знать их принцип работы (одинаковое по частоте вращение ротора и магнитного поля) и устройство. Эти знания пригодятся инженерам производственных предприятий и специалистам в области энергетики, а также обычным людям, которые используют подобную технику в бытовых целях.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия электрического генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (э.д.с), называемая э.д.с индукции (Индукция от латинского слова inductio — наведение, побуждение) , или индуктированной э.д.с. Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Явление возникновения индуктированной э.д.с. в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуктируется э.д.с, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием э.д.с. по цепи потечет ток, называемый индуктированным током.
Опытным путем установлено, что величина индуктированной э.д.с., возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, возрастает с увеличением индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его перемещения. Индуктированная э.д.с. возникает только тогда, когда проводник пересекает магнитное поле. При движении проводника вдоль магнитных силовых линий э.д.с. в нем не индуктируется. Направление индуктированной э.д.с. и тока проще всего определить по правилу правой руки (рис. 131): если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, отогнутый большой палец показывал бы направление движения проводника, то остальные вытянутые пальцы укажут направление действия индуктированной э.д.с. и направление тока в проводнике. Магнитные силовые линии направлены от северного полюса магнита к южному.

Рис. 131. Определение направления индуктированной э.д.с. по правилу правой руки

Имея общее представление об электромагнитной индукции, рассмотрим принцип действия простейшего генератора (рис. 132). Проводник в виде рамки из медной проволоки укреплен на оси и помещен в магнитное поле. Концы рамки присоединены к двум изолированным одна от другой половинам (полукольцам) одного кольца. Контактные пластины (щетки) скользят по этому кольцу. Такое кольцо, состоящее из изолированных полуколец, называют коллектором, а каждое полукольцо — пластиной коллектора. Щетки на коллекторе должны быть расположены таким образом, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда э.д.с, индуктируемая в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение.

Каждый электрик должен знать:  Хищение света, схема проводки

Рис. 132. Простейший генератор постоянного тока

С помощью коллектора переменная э.д.с, индуктируемая в рамке, выпрямляется, и во внешней цепи создается постоянный по направлению ток.
Присоединив к контактным пластинам внешнюю цепь с электроизмерительным прибором, фиксирующим величину индуктируемого тока, убедимся, что рассмотренное устройство действительно является генератором постоянного тока.
В любой момент времени t э.д.с. Е (рис 133), возникающая в рабочей стороне Л рамки, противоположна по направлению э.д.с, возникающей в рабочей стороне Б. Направление э.д.с. в каждой стороне рамки легко определить, воспользовавшись правилом правой руки. Э.д.с, индуктируемая всей рамкой, равна сумме э.д.с, возникающих в каждой ее рабочей стороне. Величина э.д.с в рамке непрерывно изменяется. В то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению, количество силовых линий, пересекаемых проводниками в 1 с, будет наибольшим и в рамке индуктируется максимальная э.д.с. Когда рамка проходит горизонтальное положение, ее рабочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и э.д.с. не индуктируется. В период движения стороны Б рамки к южному полюсу магнита (рис. 133, а, б) ток в ней направлен на нас. Этот ток проходит через полукольцо, щетку 2, измерительный прибор к щетке /ив сторону А рамки. В этой стороне рамки ток индуктируется в направлении от нас. Своего наибольшего значения э.д.с. в рамке достигает тогда, когда стороны ее расположены непосредственно под полюсами (рис. 133, б).

Рис. 133. Схема работы генератора постоянного тока

При дальнейшем вращении рамки э.д.с. в ней убывает и через четверть оборота становится равной нулю (рис. 133, в). В это время щетки переходят с одного полукольца на другое. Таким образом, за первую половину оборота рамки каждое полукольцо коллектора соприкасалось только с одной щеткой. Ток проходил по внешней цепи в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Будем продолжать вращать рамку. Электродвижущая сила в рамке снова начинает возрастать, так как ее рабочие стороны будут пересекать магнитные силовые линии. Однако направление э.д.с. изменяется на противоположное, потому что проводники пересекают магнитный поток в обратном направлении. Ток, индуктируемый в стороне А рамки, направлен теперь на нас. Но ввиду того, что рамка вращается вместе с коллектором, полукольцо, соединенное со стороной А рамки, соприкасается теперь не со щеткой 1, а со щеткой 2 (рис. 133, г) и по внешней цепи проходит ток того же направления, как и во время первой половины оборота. Следовательно, коллектор выпрямляет ток, т. е. обеспечивает прохождение индуктируемого тока во внешней цепи в одном направлении. К концу последней четверти оборота (рис. 133, д) рамка возвращается в первоначальное положение (см. рис. 133, а), после чего весь процесс изменения тока в цепи повторяется.
Таким образом, между щетками 2 и 1 действует постоянная по направлению э.д.с, и ток по внешней цепи всегда проходит в одном направлении — от щетки 2 к щетке 1. Хотя этот ток остается постоянным по направлению, он меняется по величине, т. е. пульсирует. Такой ток практически трудно использовать.
Рассмотрим, как можно получить ток с небольшой пульсацией, т. е. ток, величина которого при работе генератора мало изменяется. Представим себе генератор, состоящий из двух расположенных перпендикулярно один к другому витков (рис. 134). Начало и конец каждого витка присоединены к коллектору, состоящему теперь из четырех коллекторных пластин.

Рис. 134. Двухвитковый генератор постоянного тока

При вращении этих витков в магнитном поле в них возникает э.д.с. Однако индуктированные в каждом витке э.д.с. достигают своих нулевых и максимальных значений не одновременно, а позднее одна другой на время, соответствующее повороту витков на четверть полного оборота, т. е. на 90°. В положении, изображенном на рис. 134, в витке 1 возникает максимальная э.д.с, равная Емах. В витке 2 э. д. с. не индуктируется, так как его рабочие стороны скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. Величины э.д.с витков показаны на рис. 135. По мере поворота витков э.д.с витка 1 убывает. Когда витки повернутся на 1/8 оборота , э.д.с. витка 1 станет равной Emin. В этот момент происходит переход щеток на вторую пару коллекторных пластин, соединенных с витком 2. Виток 2 уже повернулся на 1/8 оборота, пересекает магнитные силовые линии и в нем индуктируется э.д.с, равная той же величине Емах. При дальнейшем повороте витков э.д.с. витка 2 возрастает до наибольшей величины Емах. Таким образом, щетки оказываются все время соединенными с витками, в которых индуктируется э.д.с величиной от Emin до Емах.

Рис. 135. Кривые пульсации электродвижущей силы двухвиткового генератора

Ток во внешней цепи генератора возникает в результате действия суммарной э.д.с. Поэтому он протекает непрерывно и только в одном направлении. Ток, как и прежде, будет пульсирующим, однако пульсация получается значительно меньше, чем при одном витке, так как э.д.с. генератора не снижается до нуля.
Увеличивая число проводников (витков) генератора и соответственно число коллекторных пластин, можно сделать пульсации тока очень малыми, т. е. ток по величине станет практически постоянным. Например, уже при 20 коллекторных пластинах колебания э.д.с. генератора не превысят 1 % среднего значения. Во внешней цепи получим ток, практически постоянный по величине.
Вместе с тем легко видеть, что генератор, изображенный на рис. 134, имеет и очень существенный недостаток. В каждый определенный момент времени внешняя цепь присоединена посредством щеток лишь к одному витку генератора. Второй виток в этот же момент времени совершенно не используется. Электродвижущая сила, индуктируемая в одном витке, весьма мала, а значит и мощность генератора будет небольшой.
Для непрерывного использования всех витков их соединяют между собой последовательно. С этой же целью число коллекторных пластин уменьшают до количества витков обмотки. К каждой коллекторной пластине присоединяют конец одного и начало следующего витка обмотки. Витки в этом случае представляют собой последовательно соединенные источники электрического тока и образуют обмотку якоря генератора. Теперь электродвижущая сила генератора равна сумме э.д.с, индуктируемых в витках, включенных между щетками. Кроме последовательной, существуют и другие схемы соединения витков обмотки. Число витков берется достаточно большим, чтобы получить необходимую величину э.д.с. генератора. Поэтому и коллекторы тепловозных электрических машин получаются с большим количеством пластин.
Таким образом, благодаря большому числу витков обмотки удается не только сгладить пульсации напряжения и тока, но и повысить значение индуктируемой генератором э.д.с.
Выше был рассмотрен электрический генератор, состоящий из постоянных магнитов и одного или нескольких витков, в которых возникает ток. Для практических целей такие генераторы непригодны, так как от них невозможно получить большую мощность. Объясняется это тем, что создаваемый постоянным магнитом магнитный поток очень мал. Кроме того, пространство между полюсами создает для магнитного потока значительное сопротивление. Магнитный поток еще более ослабляется. Поэтому в мощных генераторах, к которым относятся и тепловозные, применяются электромагниты, создающие сильный магнитный поток возбуждения (рис. 136). Для уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода генератора витки обмотки размещают на стальном цилиндре, который заполняет почти все пространство между полюсами.
Этот цилиндр с помещенной на нем обмоткой и коллектором называется якорем генератора.

Рис. 136. Схема генератора с электромагнитной системой возбуждения и стальным массивным якорем

Обмотка возбуждения генератора расположена на сердечниках главных полюсов. При прохождении по ней тока создается магнитное поле, называемое полем главных полюсов. При разомкнутой внешней цепи генератора магнитные силовые линии располагаются в полюсах и якоре симметрично вертикальной оси (рис. 137, а). Для уяснения особенностей работы электрической машины введем понятия о геометрической и физической нейтралях.
Геометрической нейтралью называется линия, проведенная через центр якоря перпендикулярно оси противоположных полюсов (горизонтальная линия 01—01). Физическая нейтраль представляет собой условную линию, которая разделяет зоны влияния северного и южного полюсов на обмотку якоря и проходит перпендикулярно направлению магнитного потока электромашины.
В проводнике обмотки, который при вращении якоря проходит физическую нейтраль, э.д.с. не индуктируется, так как такой проводник скользит вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. В случае отсутствия тока в якоре (см. рис. 137, а) физическая нейтраль n—n совпадает с геометрической нейтралью.

Рис. 137. Реакция якоря.
а — магнитный поток главных полюсов; б — магнитный поток, создаваемый обмоткой якоря; в — суммарный магнитный поток нагруженного генератора

При замыкании внешней цепи электрической машины ток пойдет и по обмотке якоря. Весь якорь в этом случае будет представлять собой мощный электромагнит, состоящий из стального сердечника и обмотки, по которой проходит ток. Следовательно, кроме потока полюсов, в нагруженном генераторе существует второй магнитный поток, называемый потоком якоря (рис. 137, б). Магнитный поток якоря направлен перпендикулярно потоку главных полюсов. Оба магнитных потока накладываются друг на друга и образуют суммарное, или результирующее, поле, показанное на рис. 137, в. Направление магнитного поля генератора в результате действия поля якоря смещается в сторону вращения якоря. В ту же сторону смещается и физическая нейтраль, которая занимает в этом случае положение n1-n1.
Влияние магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря. Реакция якоря отрицательно сказывается на работе генератора. Щетки М—М электрической машины должны быть всегда установлены по направлению физической нейтрали. Поэтому приходится смещать щетки генератора по отношению к геометрической нейтрали на некоторый угол Р (рис. 137, в), так как в противном случае между щетками и коллектором возникает сильное искрение. Искрение вызывает подгар поверхности коллектора и щеток и выводит их из строя. Чем больше ток якоря, тем сильнее проявляется реакция якоря, тем на больший угол необходимо сдвигать щетки. При частых изменениях нагрузки тепловозного генератора пришлось бы почти непрерывно менять положение его щеток.
Реакция якоря не только смещает магнитное поле главных полюсов, но и частично ослабляет его, что приводит к уменьшению индуктируемой генератором э. д. с.
Для ослабления реакции якоря в генераторах между основными полюсами устанавливаются добавочные полюсы, а иногда с этой же целью в полюсные наконечники главных полюсов закладывают компенсационную обмотку. Добавочные полюсы создают дополнительное магнитное поле, которое в зонах установки щеток направлено навстречу полю якоря, вследствие чего действие его нейтрализуется (рис. 138).

Рис. 138. Схема генератора с добавочными полюсами

Однако этим не органичивается положительное влияние добавочных полюсов на работу генератора. После прохода через нейтраль генератора направление тока в каждом витке обмотки (см. рис. 137) очень быстро изменяется на противоположное. На нейтрали виток оказывается замкнутым накоротко щетками. Такой виток называют коммутирующим (Коммутация от латинского слова commutatio — изменение, перемена). В коммутирующих витках (секциях) обмотки якоря вследствие очень быстрого изменения направления тока возникает довольно большая э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции, которую называют реактивной э.д.с. Эта э.д.с. в коммутирующих секциях усиливается действием магнитного потока якоря, который они пересекают. Действие реактивной э.д.с. приводит к сильному искрению щеток. Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы их магнитный поток был несколько больше магнитного потока якоря. Благодаря этому в коммутирующих секциях индуктируется дополнительная э.д.с. Новая э.д.с. имеет направление, противоположное реактивной э.д.с, и гасит ее, предотвращая интенсивное искрение.
Магнитное поле якоря изменяется с изменением нагрузки (тока) генератора, поэтому для его нейтрализации необходимо изменять и поле компенсационных устройств. Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, и по ней проходит весь ток якоря. С увеличением тока генератора возрастает магнитный поток якоря, но вместе с этим возрастает и компенсирующий его магнитный поток добавочных полюсов.
Компенсационная обмотка позволяет дополнительно улучшить распределение магнитного потока в электрической машине. Так, из рис. 137 легко видеть, что в результате действия реакции якоря магнитный поток главных полюсов становится неравномерным — с одной стороны полюса он усиливается, а с другой — ослабляется. Это приводит к неравномерной нагрузке якорной обмотки, часть витков окажется перегруженной, ухудшаются условия работы щеток.
С помощью компенсационной обмотки, расположенной на главных полюсах, устраняется искажение магнитного потока непосредственно под главными полюсами. Однако одновременное применение добавочных полюсов и компенсационной обмотки значительно усложняет конструкцию электрических машин. Если удается осуществить удовлетворительную работу электрической машины посредством применения добавочных полюсов, то компенсационную обмотку стараются не применять. Компенсационные обмотки нашли практическое применение лишь в мощных электрических машинах. Первоначально тяговый генератор тепловоза ТЭЗ имел как добавочные полюсы, так и компенсационную обмотку. Впоследствии магнитная система тягового генератора была изменена и на тепловозах ТЭЗ отказались от компенсационной обмотки.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

Величина э.д.с, индуктируемой генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения якоря п:

где С — постоянный коэффициент, учитывающий число витков обмотки якоря, число пар полюсов и другие постоянные величины, характеризующие данный генератор. Напряжение на выводах генератора меньше его э.д.с. на величину падения напряжения в цепи якоря. Падение напряжения в цепи якоря определяется по закону Ома и равно произведению тока якоря Iя на сопротивление цепи якоря Rя. Следовательно, напряжение на выводах генератора

Общее сопротивление цепи якоря состоит из сопротивлений обмотки якоря, последовательной обмотки возбуждения, обмотки добавочных полюсов, щеток и переходов между коллектором и щетками.
Падение напряжения в цепи якоря очень небольшое, так как сопротивление обмотки якоря мало. Поэтому напряжение генератора бывает лишь незначительно меньше его э.д.с. Из этих двух формул также следует, что величину э.д.с. генератора и напряжения на его зажимах можно изменять двумя способами: изменением магнитного потока полюсов или частоты вращения якоря.
Отдаваемая во внешнюю цепь мощность генератора в киловаттах:

Мощность, отдаваемая генератором, всегда меньше мощности, затрачиваемой на вращение якоря и возбуждение, потому что внутри генератора происходят потери энергии. К этим потерям относятся механические потери (трение в подшипниках, трение коллектора о щетки), потери на нагрев проводов обмотки якоря и обмотки возбуждения, магнитные потери и т. д.
Отношение полезной мощности генератора, т. е. той, которую он отдает во внешнюю цепь, к мощности, затрачиваемой для привода генератора и его возбуждения, называют коэффициентом полезного действия генератора. Если тяговый генератор тепловоза работает с полной нагрузкой, его к.п.д. достигает 94—95%, т. е. потери в нем весьма малы.
Для возбуждения (cсоздания рабочего магнитного потока в электрических машинах) генератора по обмотке его главных полюсов пропускают ток, называемый током возбуждения. По способу возбуждения генераторы разделяются на два типа: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.
В генераторах с независимым возбуждением обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника электрической энергии, обычно от другого генератора постоянного тока или реже от аккумуляторной батареи (рис. 139, а).

Рис. 139. Схемы возбуждения генератора:
а -независимое возбуждение; б — параллельное возбуждение; в — последовательное возбуждение; г — смешанное возбуждение

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора, т. е. током, вырабатываемым в его якоре. При этом используется явление остаточного магнетизма, которым обладает, например, мягкая сталь. Полюсные сердечники из мягкой стали являются постоянными магнитами, хотя и очень слабыми.
В обмотке вращающегося якоря генератора за счет остаточного магнетизма индуктируется небольшая э.д.с. Под действием этой э.д.с. в обмотке возбуждения возникает незначительный ток. Магнитный поток, создаваемый током возбуждения, усилит остаточный магнитный поток полюсов, и э. д. с. якоря возрастет, что в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению тока возбуждения. Так последовательно магнитный поток полюсов достигает расчетной величины. Генератор индуктирует необходимую э. д. с. и сам питает током свою обмотку возбуждения.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения с якорем разделяются на три основных типа (рис. 139, б, в, г). В генераторе параллельного возбуждения обмотка главных полюсов включается параллельно силовой цепи.
Ток, вырабатываемый в обмотке якоря, разветвляется: основной ток проходит в силовую цепь, а небольшая часть тока — по обмотке возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения обмотка главных полюсов включается последовательно с якорем и по ней проходит весь ток, вырабатываемый генератором. В генераторе со смешанным возбуждением имеются параллельная и последовательная обмотки возбуждения. Сила тока в параллельных обмотках возбуждения обычно ограничивается с помощью резисторов R (см. рис. 139, б, г).
Характеристики генератора, а значит, области его применения зависят от схемы возбуждения. О свойствах генератора прежде всего позволяет судить его внешняя характеристика. Внешней характеристикой генератора называют зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при неизменной частоте вращения якоря и заданных условиях возбуждения.
Рассмотрим более подробно условия работы генератора на тепловозе, свойства, которыми он должен обладать, и необходимую его внешнюю характеристику.

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Тяговый генератор тепловоза обеспечивает использование номинальной мощности дизеля тепловоза. Дизель развивает такую мощность вплоть до номинальной, какую требует от него генератор. Если генератор по каким-то причинам будет развивать небольшую мощность, то регулятор двигателя, поддерживая постоянной частоту вращения коленчатого вала, с помощью реек топливных насосов уменьшит подачу топлива в цилиндры. Дизель будет недогружен. Тепловоз совсем не сможет вести поезд, либо поведет его с пониженной скоростью. Следовательно, характеристика тягового генератора в значительной мере определяет тяговые качества локомотива. Какой же она должна быть, чтобы обеспечить реализацию номинальной мощности дизеля и, значит, тепловоза?
Мощность, вырабатываемая генератором, как указывалось выше, равна произведению тока нагрузки на напряжение на его выводах. Тепловоз с поездом движется по различному профилю пути. В процессе движения на подъеме скорость поезда обычно уменьшается, на уклоне или площадке после подъема — увеличивается. При этом скорость может изменяться в несколько раз. Изменение скорости движения приводит к изменению в широких пределах режима работы и тока, потребляемого тяговыми электродвигателями от генератора. Следовательно, ток /г генератора при работе дизеля на номинальной мощности будет значительно изменяться в зависимости от скорости движения локомотива. Легко догадаться, что для поддержания постоянства мощности тягового генератора в случае изменения тока необходимо обратно пропорционально изменять напряжение Ur генератора. Например, если скорость тепловоза уменьшилась и ток в тяговых двигателях и генераторе увеличился в два раза, то напряжение генератора должно снизиться также в два раза. Произведение тока генератора на его напряжение останется прежним, следовательно, мощность, вырабатываемая тяговым генератором, также останется постоянной.
Однако ток и напряжение тягового генератора могут меняться лишь в определенных пределах. Максимальное напряжение генератора не может быть превышено по условиям магнитного насыщения системы возбуждения, прочности изоляции электрической машины, допускаемому напряжению между коллекторными пластинами. Ток генератора также ограничен определенным предельным значением. В случае дальнейшего увеличения тока произойдет перегрев обмотки якоря, коллектора, начнется искрение под щетками, генератор может выйти из строя.
Изобразим требуемую внешнюю характеристику тягового генератора, т. е. зависимость его напряжения от тока, графически в системе прямоугольных координат (рис. 140). На горизонтальной прямой (оси абсцисс) будем откладывать ток генератора Iг на вертикальной прямой (ось ординат) — напряжение генератора Ur.

Рис. 140. Внешняя характеристика тягового генератора тепловоза

Например, генератор вырабатывает ток величиной I’г, а его напряжение в этот момент времени равно U’г. Точка Д1 определит графически данный режим работы генератора. Отложив на осях координат целый ряд значений тока генератора и соответствующие им напряжения генератора, аналогичным способом найдем ряд точек Д2, Дз и т. д. Соединив эти точки линией, мы получим графическое изображение внешней характеристики тягового генератора.
Требуемая внешняя характеристика тягового генератора может быть представлена кривой АБВГ. Основной рабочей частью характеристики является участок БВ, на котором напряжение тягового генератора изменяется обратно пропорционально току генератора и его мощность сохраняется постоянной. Эта кривая носит название гиперболы. После того как ток уменьшился до величины Iг1 (точка Б характеристики), а напряжение возросло до предельно допустимого значения Uг1, дальнейшего возрастания напряжения с уменьшением тока не происходит. Участок кривой АБ характеризует ограничение мощности генератора по напряжению. В случае когда ток достигает предельно допустимой величины, напряжение генератора начинает резко уменьшаться, предупреждая дальнейшее увеличение тока. Участок характеристики ВТ является ограничением по величине максимального тока генератора.
Рассмотренная внешняя характеристика тягового генератора является теоретической. В реальных условиях с целью упрощения систем регулирования генераторов допускают некоторые отклонения фактических характеристик от теоретической. Однако сближение реальной и теоретической характеристик является необходимым и служит критерием оценки систем регулирования.
Внешняя характеристика тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 141) приближается к гиперболе при токе генератора 2600—5800 А.

Рис. 141. Внешняя характеристика и изменение мощности тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л при номинальном режиме работы в зависимости от тока

В гиперболической части внешней характеристики мощность генератора практически поддерживается постоянной. При меньших токах наступает ограничение мощности по возбуждению: напряжение почти не повышается и мощность с уменьшением тока снижается. Величина максимального тока также строго ограничивается.
Посмотрим, можно ли получить такую внешнюю характеристику у генератора с самовозбуждением. Напряжение генератора параллельного возбуждения (кривая 2, рис. 142) несколько падает с увеличением тока нагрузки.

Рис. 142. Внешние характеристики генератопров с возбуждением:
1 — независимым; 2- параллельным; 3 — последовательным; 4 — смешанным согласованным; 5 — смешанным встречным

Это происходит за счет возрастания внутреннего падения напряжения (в цепи якоря) и усиления реакции якоря. Кроме того, вызванное этими причинами падение напряжения приводит к уменьшению тока возбуждения и дополнительному понижению напряжения генератора. У генератора последовательного возбуждения (кривая 3, рис. 142) в аналогичных условиях напряжение растет, так как весь ток якоря проходит по обмоткам его главных полюсов.
Генератор со смешанным возбуждением (кривая 4, рис. 142) в случае, если магнитные потоки обеих обмоток его возбуждения имеют одинаковые направления, может поддерживать на своих выводах напряжение близкое к постоянному. При встречном направлении магнитных потоков обмоток возбуждения напряжение генератора с увеличением тока нагрузки резко снижается за счет размагничивания последовательной обмоткой. Но его внешняя характеристика представляет собой выпуклую кривую (кривая 5, рис. 142), отличающуюся от гиперболы.
Если напряжение на выводах обмотки возбуждения генератора независимого возбуждения сохраняется постоянным, то его внешняя характеристика изображается почти горизонтальной линией (кривая 1, рис. 142).
Следовательно, генераторы с самовозбуждением и рассмотренный генератор независимого возбуждения не удовлетворяют по своим характеристикам требованиям, предъявляемым к тяговому генератору тепловоза. Поэтому генераторы мощных тепловозов выполняются с независимым возбуждением и специальной системой регулирования тока возбуждения, обеспечивающей реализацию необходимой внешней характеристики. Как уже отмечалось, тяговые генераторы тепловозов обычно используются для пуска дизеля. Поэтому на главных полюсах генератора, кроме обмотки независимого возбуждения, располагается еще пусковая обмотка. Пусковая обмотка обеспечивает возбуждение генератора лишь при его работе в режиме электродвигателя. На генераторном режиме она отключена. Принцип действия генератора в двигательном режиме не отличается от принципа действия других электродвигателей постоянного тока.

Каждый электрик должен знать:  Кто отвечает за опоры ЛЭП во дворе многоквартирного дома

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Принцип действия генератора

Генераторами именуются машины, модифицирующие механическую энергию в электронную. Принцип деяния генератора основан на явлении электрической индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые полосы, индуктируется ЭДС Как следует, таковой проводник может нами рассматриваться как источник электронной энергии.

Метод получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь ввысь либо вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Потому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.

Основными частями всякого генератора являются: система магнитов либо в большинстве случаев электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.

Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в предстоящем будем именовать рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если таковой рамке сказать вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые полосы и в их будет индуктироваться ЭДС.

Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле

Присоединив к рамке с помощью мягеньких проводников электронную лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка зажгется. Горение лампочки будет длиться до того времени, пока рамка будет крутиться в магнитном поле. Схожее устройство представляет собой простой генератор, модифицирующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электронную энергию.

Таковой простой генератор имеет достаточно значимый недочет. Через маленький просвет времени мягенькие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтоб избежать схожих разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся совместно с рамкой.

Эти кольца получили заглавие контактных колец. Отведение электронного тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки именуются щетками.

Рис. 2. Направление индуктированной ЭДС (и тока) в проводниках А и Б рамки, вращающейся в магнитном поле: 1 и 2 — контактные кольца, 3 и 4 — щетки.

При таком соединении вращающейся рамки с наружной цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.

Разглядим сейчас направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС либо, что то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой наружной цепи.

При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ — из-за плоскости чертежа на нас.

Потому что обе половины проводника рамки соединены меж собой поочередно, то индуктированные ЭДС в их будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.

Проследим за конфигурацией индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, оборотится на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться повдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в их закончится.

Предстоящий поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки опять будут пересекать силовые полосы магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при всем этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу ввысь, а сверху вниз, проводник же ВВ, напротив, будет пересекать силовые полосы, двигаясь снизу ввысь.

Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.

При новеньком положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ поменяется на оборотное. Это следует из того, что самое направление, в каком любой из этих проводников пересекает в данном случае магнитные силовые полосы, поменялось. В итоге полярность щеток генератора также поменяется: щетка 3 станет сейчас положительной, а щетка 4 отрицательной.

Вращая рамку далее, опять будем иметь движение проводников АА и ВВ повдоль магнитных силовых линий, а в предстоящем — повторение всех процессов поначалу.

Таким макаром, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС два раза меняла свое направление, при этом величина ее за это время также два раза достигала больших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и два раза равнялась нулю (в моменты движения проводников повдоль магнитных силовых линий).

Полностью понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой наружной цепи изменяющийся по направлению и величине электронный ток.

Так, к примеру, если к зажимам данного простого генератора присоединить электронную лампочку, то за первую половину оборота рамки электронный ток через лампочку будет идти в одном направлении, а за вторую .половину оборота — в другом.

Рис. 4. Кривая конфигурации индуктированного тока за один оборот рамки

Представление о нраве конфигурации тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электронный ток, безпрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит заглавие переменного тока.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

28.06.2013

Принцип действия и устройство генераторов постоянного тока

Работа генератора постоянного тока основана на законе электромагнитной индукции.

Рассмотрим рис. 1. При вращении в магнитном поле рамки, концы которой присоединены к двум полукольцам, вращающимся вместе с рамкой, в последней возникает переменная электродвижущая сила. Как уже известно, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле.

Наибольшая э. д. с. возникает в тот момент, когда проводник находится на оси полюсов N и S. В момент расположения проводников в плоскости, перпендикулярной оси полюсов, э. д. с. равна нулю — проводники находятся на нейтральной линии.

Предположим, что рамка вращается по часовой стрелке. Тогда ток в проводнике, находящемся под северным полюсом, направлен от нас за плоскость чертежа, а в проводнике, находящемся под южным полюсом, к нам. Пока проводника расположен под северным полюсом, соединенное с проводником полукольцо имеет контакт с неподвижной щеткой А.

Соответственно проводник б имеет контакт через свое полукольцо со щеткой Б. По щетке А течет ток положительного направления, а по щетке Б — отрицательного.

Когда проводники находятся на нейтральной линии, т. е. э. д. с. в них равна нулю, щетки замыкают оба полукольца накоротко. Пройдя нейтральную линию, проводник а вступает в зону южного полюса, направление тока в нем изменится на обратное (к нам), но в это время данный проводник входит в контакт со щеткой Б. Следовательно, несмотря на то, что направление тока в проводнике изменилось, направление тока в щетке Б не меняется и по- прежнему остается отрицательным. Аналогичная картина происходит и с проводником б, после того как он перейдет в зону действия северного полюса.

Таким образом, по внешней цепи направление тока сохраняется постоянным.

В рассмотренном случае при сохранении постоянства направления ток будет изменяться от наибольшего значения до нуля, иначе говоря, будет пульсирующим.

Если в магнитном поле расположить не два проводника, а четыре, соединенные с четырьмя изолированными друг от друга частями кольца, то пульсация тока значительно сгладится (рис. 2).

Описанное устройство из двух или четырех частей кольца, служащее для выпрямления тока, является простейшим коллектором.

Фактически коллектор состоит из значительного числа сегментов, каждый из которых соединен с двумя проводниками обмотки якоря. В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине.

Устройство генераторов постоянного тока

Электрические машины постоянного тока обратимы, т. е. могут работать в режиме генератора или в режиме двигателя.

Обратимость машин объясняется общностью явлений, используемых в генераторах и двигателях.

Ознакомление с машинами постоянного тока начнем с генераторов. Укажем, что вследствие общности принципов основные элементы конструкции генераторов и двигателей постоянного тока одни и те же.

Обратимся к рис. 3, на котором представлен чертеж продольного и поперечного разрезов генератора.

Та часть машины, в которой создается магнитный поток, называется магнитной системой (индуктором). Магнитная система состоит из основных и добавочных полюсов, ярма и стали якоря.

Основные полюсы имеют сердечники 1, собранные из листовой электротехнической стали. На сердечники надеты катушки 2, через которые пропускают ток возбуждения, создающий основной магнитный поток. Иногда на основных полюсах располагают и компенсационные обмотки, которые создают добавочный магнитный поток. Сердечники полюсов со стороны, обращенной

к якорю, заканчиваются полюсными наконечниками 3, служащими для улучшения условий прохождения потока через воздушный зазор (полюсные наконечники увеличивают сечения магнитопровода на участке «воздушный зазор» и выравнивают поле в зазоре).

Добавочные полюсы 4, имеющие катушки 5, располагаются между основными полюсами. Назначение их — создавать добавочный магнитный поток. Назначение потоков, создаваемых компенсационными обмотками и добавочными полюсами, мы разъясним ниже.

Ярмо 7 — чугунное или стальное — служит для проведения магнитного потока основных и добавочных полюсов, а также для крепления их. Ярмо является частью станины 6 (неподвижной части машины), при помощи которой машина крепится к фундаменту.
Часть электрической машины, содержащая обмотку, в которой индуктируется э. д. с., называется якорем.

Якорь представляет собой железный цилиндр 9, на поверхности которого сделаны впадины — пазы; в них укладывают обмотку 12. Поверх обмотки накладывают кольца-бандажи 13, увеличивающие надежность крепления обмотки. Чтобы уменьшить вредные вихревые токи, появляющиеся в теле якоря при вращении его в магнитном поле, якорь набирают из штампованных дисков специальной электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски изолируют друг от друга специальной бумагой или покрывают тонким слоем изолирующего лака. Для отвода тепла устроен вентиляционный канал 10. Диски укрепляются на валу машины. Постель подшипника вала обозначена цифрой 8. Для устранения чрезмерного нагрева генератора при работе в его кожухе имеется вентилятор 11.

На одном валу с якорем насажен коллектор 14. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, внутренняя сторона которых имеет вид ласточкина хвоста. Коллекторные пластины изолируют друг от друга миканитовыми прокладками (миканит — материал, изготовляемый из слюды путем склейки тонких пластин лаками).

Коллекторные пластины изолируют и от металлической втулки, на которой они крепятся, при помощи специальной миканитовой прокладки. Коллектор является одной из наиболее ответственных частей машины.

На рис. 4 представлен разрез коллектора, на котором хорошо видны медные пластины 1, крепящиеся на валу при помощи стальной муфты 2 и кольца 3. Муфта закреплена на валу шпонкой 4. Кольцо 3 прижимается к муфте гайкой 5.

Над коллектором укрепляются в щеткодержателях 15 (см. рис. 3) опирающиеся на коллектор щетки. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружиной, натяжение которой можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать повышения сопротивления и нагрева.

В электрических машинах применяются главным образом угольные, медно-графитные и графитные щетки. Общий вид щеткодержателя дан на рис. 5.

Части машины — вал, подшипники, фундаменты, плиты, станина, — не связанные с электромагнитным процессом, называются конструктивными в отличие от перечисленных выше основных частей, которые составляют активную часть машины.

Вал машины изготовляется из стали. К средней части его крепится сталь якоря. На одном конце вала укрепляется коллектор, а на второй свободный конец вала насаживается шкив или какое-либо другое устройство (муфта, зубчатое колесо и т. п.) для соединения машины с приводимым механизмом (у электродвигателя) или с первичным двигателем (у генератора).
Вал лежит в подшипниках. В электрических машинах применяют подшипники с кольцевой смазкой, шариковые и роликовые.

В подшипниках с кольцевой смазкой (рис. 6) имеются вкладыши, плотно пригнанные к цапфам и шейке вала. В больших машинах каждый вкладыш состоит из двух частей (половинок). В верхней части вкладыша имеются прорези, которые позволяют наложить на верхнюю часть вала медные кольца К.

Диаметр колец в полтора-два раза больше диаметра вала, поэтому каждое кольцо касается только верхней части вала. Нижняя часть кольца все время погружена в масло, наливаемое в корпус подшипника. При вращении вала медные кольца вследствие трения вращаются по валу. Масло, прилипая к кольцам, подается вверх к вкладышу, откуда по специальным канавкам во вкладыше растекается по всей трущейся поверхности, а затем стекает обратно в нижнюю часть корпуса подшипника.

Подшипники больших машин устанавливаются отдельно от остова машины на особых стойках, укрепленных на ее фундаментной плите, а у машин малой и средней мощности отливаются заодно с так называемыми подшипниковыми щитами, которые крепятся к остову машины болтами.

Шарикоподшипники укрепляются в расточках подшипниковых щитов.

На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения цепей машины и соединения машины с сетью.

Охлаждение всех частей машины обеспечивается соответствующей вентиляционной системой.

Большая часть современных машин имеет принудительное охлаждение — напор охлаждающего воздуха создается вентилятором. Часто вентилятор сам является частью электрической машины (см. рис. 3).

Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор.

В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система — статором.
Обмотка якоря состоит из отдельных секций (рис. 7). Секция состоит из одного или нескольких витков, концы которых присоединяются к коллекторным пластинам таким образом, чтобы все секции были соединены между собой через коллекторные пластины, т. е. к каждой коллекторной пластине присоединяются конец одной секции и начало другой. Каждая секция состоит из двух сторон (в каждой стороне в зависимости от числа витков в секции имеется один или несколько проводников). Эти стороны называются активными частями секций, в них индуктируются э. д. с. Наружные (торцовые) части секций служат только для соединения активных сторон и присоединения их к коллекторным пластинам.

Каждую секцию укладывают так, что одна ее сторона располагается в верхней части паза под полюсом одной полярности, а другая — в нижней части другого паза под полюсом другой полярности (рис. 8).

Расположение активных сторон секций под полюсами разных полярностей является основным правилом выполнения обмоток, так как только при этом условии индуктирующиеся в них э. д. с. будут складываться.

На рис. 8 для простоты показано шесть одновитковых секций; в каждой стороне секции имеется один провод. Верхние стороны секций имеют нечетные номера; нижние — четные.

Первая секция состоит из двух сторон 1 и 6; вторая — 3 и 8; третья — 5 и 10; четвертая — 7 и 12; пятая — 9 и 2; шестая 11 и 4.

Все секции соединяются через коллекторные пластины и представляют замкнутую цепь. Пунктиром показаны соединения активных сторон секции со стороны, противоположной коллектору; сплошными линиями — соединение сторон секции через коллектор.

На коллектор накладываются неподвижные щетки для отвода тока во внешнюю цепь, как показано на рис. 8. Одна щетка является положительным полюсом генератора, другая — отрицательным.

В машинах большой мощности приходится создавать значительный магнитный поток. Создание такого потока одной парой полюсов привело бы к весьма громоздким магнитным системам. Поэтому машины большой мощности обычно выполняются с несколькими парами полюсов.

Многополюсные машины являются более компактными и менее тяжелыми, чем машины той же мощности с одной парой полюсов.

Полюсы располагаются равномерно вокруг якоря, полярность их чередуется: за северным полюсом следует южный и т. д.

В многополюсных генераторах в зависимости от способа выполнения обмотки якоря устанавливаются либо две щетки, либо столько щеток, сколько полюсов имеет генератор. Положительные и отрицательные щетки соответственно соединяются вместе; в результате из генератора выходят два провода: к положительному и отрицательному зажимам.

Для определения э. д. с. в каждом проводнике, согласно закону электромагнитной индукции, необходимо и достаточно определить число магнитных линий, пересекаемых проводником в одну секунду. Зная э. д. с. в одном проводнике и способ соединения проводников между собой, можно определить э. д. с. генератора.

Пусть магнитный поток каждого полюса Ф вб, а число полюсов (которое всегда бывает четным) машины равно 2р. Тогда число магнитных линий, пересекаемых проводником в течение каждого оборота якоря, равно 2рФ. Если скорость вращения якоря n об/мин
или n/60 об/сек, то число магнитных линий, пересекаемых одним проводником в секунду, равно 2рФ n/60 и средняя э. д. с., индуктированная в одном проводнике обмотки якоря, еср = 2рФ n/60 в.

Определим э. д. с., индуктированную в обмотке, состоящей из N проводников. Если бы все проводники были соединены последовательно, э. д. с. в обмотке была бы равна средней э. д. с., индуктированной в одном проводнике, еср, умноженной на N.

Все проводники никогда не соединяются последовательно. Обычно обмотка состоит из нескольких параллельных ветвей.

Если число параллельных ветвей (всегда четное) равно 2а, то число последовательно соединенных проводников равно N/2а. Очевидно, что э. д. с. всего генератора равна средней э. д. с. одного проводника еср, умноженной на число последовательно соединенных проводников N/2а, т. е. Е = n/60 NФ p/a в.

Обозначив N p/60a буквой с, получим Е = сnФв (в этой формуле магнитный поток Ф выражается в веберах).

Процесс создания магнитного потока в генераторе называется возбуждением, а обмотка, уложенная на полюсы, называется обмоткой возбуждения.

Генератор, обмотка возбуждения которого получает ток от постороннего источника (например, аккумуляторной батареи), называется генератором с независимым возбуждением. Генератор независимого возбуждения требует наличия дополнительного (кроме самого генератора) источника э. д. с. Последним обстоятельством и объясняется предпочтительное применение генераторов с самовозбуждением, в обмотке возбуждения которых протекает ток, вырабатываемый самим генератором.

В момент пуска такого генератора величины потоков в его магнитных цепях определяются остаточной индукцией. По мере увеличения напряжения на зажимах генератора и, следовательно, роста тока в обмотке возбуждения растет индукция в магнитных цепях генератора и, следовательно, поток Ф. Поток будет расти до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы.

Обмотка возбуждения генераторов с самовозбуждением может быть включена последовательно или параллельно внешней цепи. Обмотка, включаемая параллельно якорю, называется параллельной (шунтовой). Обмотка, включаемая во внешнюю цепь последовательно нагрузке, называется последовательной (сериесной). Генераторы обычно имеют обмотку возбуждения либо включенную параллельно внешней цепи — такие генераторы называются генераторами параллельного возбуждения, либо состоящую из двух частей: параллельной и последовательной— такие генераторы называются генераторами смешанного (компаундного) возбуждения.

Генераторы с одной последовательной обмоткой возбуждения не применяются вследствие сильной зависимости тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора от тока нагрузки.

Выбор способа возбуждения генераторов (параллельного или смешанного) в каждом отдельном случае определяется предполагаемой мощностью генератора и условиями его эксплуатации.

При коротком замыкании во внешней цепи ток возбуждения в последовательной обмотке генератора смешанного возбуждения возрастает. Э. д. с., развиваемая генератором, растет, а напряжение на зажимах остается практически неизменным. Генератор вырабатывает ток, достигающий значений, при которых генератор разрушается.

При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения падает развиваемое им напряжение, ток в обмотке возбуждения и, следовательно, поток возбуждения и индуктируемая в якоре э. д. с.

Генератор выдерживает бросок тока при коротком замыкании без всяких последствий (из этого не следует, однако, что генератор выдерживает длительные перегрузки; последние приводят к обугливанию изоляции обмоток якоря и аварии генератора).

На рис. 9 показана принципиальная схема генератора смешанного возбуждения. На каждом полюсе генератора имеются две обмотки. Одна из них ВШ подключена к зажимам генератора (параллельная обмотка), другая ВС включена последовательно нагрузке (последовательная обмотка).

Для регулирования тока в параллельной обмотке ВШ последовательно с ней включается регулируемое сопротивление rш, называемое регулировочным реостатом.

Если генератор не имеет последовательной обмотки возбуждения (генератор параллельного возбуждения), то с увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается.

При наличии последовательной обмотки с увеличением тока основной поток, создаваемый совместным действием последовательной и параллельной обмоток возбуждения, увеличивается (при условии, что потоки, создаваемые токами обеих обмоток, складываются).

Соответствующим подбором числа витков последовательной обмотки можно добиться такого увеличения основного магнитного потока, что напряжение на зажимах генератора при изменяющейся нагрузке будет оставаться постоянным. Таким образом, при помощи последовательной обмотки возбуждения достигается саморегулирование напряжения на зажимах генератора.

На судах, согласно правилам Регистра, устанавливают генераторы со смешанным возбуждением. Это вызывается необходимостью иметь постоянное напряжение на зажимах генератора при изменяющейся нагрузке, например, во время работы палубных механизмов.

Напряжение на зажимах генератора определяется формулой U = E — Iяrя

В этой формуле Е — з. д. с. генератора, rя — сопротивление цепи якоря, Iя — ток в якоре.

Магнитный поток Ф, определяющий э. д. с. генератора, при холостом ходе создается только током в параллельных катушках полюсов. При нагрузке машин в обмотке якоря проходит ток.

Этот ток создает магнитное поле, называемое полем реакции якоря. От совместного действия магнитного поля полюсов и поля реакции якоря создается результирующее поле, которое и определяет э. д. с. генератора.

Реакцией якоря называется действие поля, создаваемого током обмотки якоря (поле реакции якоря), на основное магнитное поле.

Сталь якоря под действием магнитного потока, создаваемого током в обмотке якоря, намагничивается. Как легко убедиться из рис. 2, в левой части якоря образуется северный полюс, а в правой — южный, что следует из правила буравчика, если применить его к проводникам, лежащим под северным и под южным основными полюсами (при условии вращения якоря по часовой стрелке).

Таким образом, поле реакции якоря будет направлено поперек основного поля. В результате совместного действия этих полей магнитное поле в левой части основного северного полюса будет ослаблено, а в правой части — сгущено. Соответственно магнитное поле будет ослаблено в правой части южного основного полюса и сгущено в его левой части. Ось результирующего магнитного поля будет сдвинута в сторону вращения. В сторону вращения сместится и нейтральная линия.

При малом магнитном насыщении стали основных полюсов величина магнитного поля практически не изменяется (с одной стороны — разрежение, с другой — сгущение магнитных линий).

При сильном насыщении стали основных полюсов результирующее поле уменьшается, так как магнитное сопротивление в сгущенной части поля увеличивается.

Чтобы уменьшить действие реакции якоря, между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы, а на главных полюсах укладывается дополнительная, так называемая компенсационная обмотка. Обмотка добавочных полюсов и компенсационная включается последовательно с обмоткой якоря с таким расчетом, чтобы создаваемое ими поле было направлено навстречу полю реакции якоря.

Компенсационные обмотки и добавочные полюсы уменьшают также искрение под щетками, являющееся следствием реакции якоря.

Под действием поля реакции якоря в генераторах создается тормозящий момент, а в электродвигателях — вращающий момент.

Добавить комментарий