Генератор постійного струму: пристрій, застосування

У цій статті розглянемо генератор постійного струму і його застосування в різних сферах. Генератор – це, простіше кажучи, “творець” “енергії, яка застосовується згодом у приладах, призначених для перетворення цієї енергії в кінцевому рахунку з користю для людини. А яка користь для нас може бути від цього генератора? І де, власне, його застосовують, і для чого?

Користь від генератора

Його основне застосування може бути на заводах, фабриках, у будівництві об ‘єктів. Також на електростанціях і навіть на суднах застосовується постійний струм. Генератор постійного струму є затребуваним, і його застосування зростає, тільки тому, що його потужність, на відміну від змінного типу, більше при однакових габаритних розмірах. А найголовніше – це висока надійність його простої схеми, що дозволяє працювати набагато довше і значно збільшує термін служби.

Пристрій

Видів зазначеного приладу існує величезна кількість, але принцип завжди один і той же. Ось якраз і слід розглянути принцип дії генератора постійного струму. Спочатку ми його порівняємо з генератором змінного типу, щоб зрозуміти, чим же вони розрізняються. Генератор постійного струму має ротор з конструкцією барабанного типу. А кріплення індуктора знаходиться в статорі, який нерухомий і зроблений з чавуну або сталі. Правда, зі сталі відливається в рідкісних випадках, тому що даний сплав призначений для металургійних заводів вузького профілю.

Всередині статора є спеціальні кріплення, на які намотуються дроти зі сплаву міді, від яких ми отримуємо магнітне поле. У принципі відмінностей небагато, але для отримання постійного струму, без випрямлювачів, даний вид набагато ефективніший, ніж пристрій змінного типу. Генератор постійного струму має найбільш поширену модель, звану колекторною, яка, на відміну від змінного типу, має роздільні кільця. До них приєднуються кінці обмотки якоря генератора. Ці роздільні кільця мають ізоляцію між собою і знаходяться на загальному циліндрі, тобто обертаються на загальній осі, а також на них притискаються щітки зі сплаву на основі міді і графіту. І власне, з цих щіток виводиться постійний струм у зовнішній ланцюг.

Зварювальний генератор

Головним чином постійний струм застосовується у зварювальних апаратах. Зварювальний генератор постійного струму найчастіше використовують у місцях, де відсутній електричний змінний струм.

Існують дані пристрою і змінного струму. Але як показує практика, їх менше використовують у зв ‘язку з меншою універсальністю для харчування зварювальної дуги. Як паливо для зварювального постійного генератора може служити дизель або бензин. Бензинові бувають більш компактні і тому їх зручно використовувати в домашньому господарстві або на присадибній ділянці.

Генератори постійного струму

Генератором постійного струму називають обертову електричну машину, яка перетворює механічну енергію в електричну енергію постійного струму. Нерухома частина машини постійного струму – статор (індуктор), обертова частина – ротор (якір).

Статор складається зі станини, на внутрішній поверхні якої кріпляться головні і додаткові полюси з обмотками. Головні полюси служать для створення в машині основного магнітного потоку, а додаткові – для поліпшення умов комутації машини.

Якір машини постійного струму складається з валу, осердя, обмотки і колектора. Кінці валу закріплені в підшипниках, розташованих в підшипникових щитах. Для кращого охолодження в більшості машин є вентилятор.

Колектор машини виконують із пластин холоднокатаної міді (колекторна мідь), які ізолюють одну від одної прокладками з колекторного міканіту. Для одержання електричного контакту з поверхнею колектора в машині постійного струму є щітки. Для встановлення щіток в машині слугує щітковий пристрій. Крім зазначених частин машина має два підшипникових щити: передній (з боку колектора) і задній.

Для приєднання обмоток машини до електричної мережі машина забезпечується коробкою виводів, де на ізоляційній панелі кріпляться виводи кінців обмоток. Лк правило панель з виводами розташовують на станині.

Для розуміння принципу роботи колекторної машини постійного струму доцільно розглянути роботу найпростішої моделі машини змінного струму. Ця модель складається з двох нерухомих у просторі полюсів, між якими обертається рамка, кінці якої з’єднані з контактними кільцями, рис. 5.26.

В наведеній моделі, при обертанні рамки, в провідниках ab і cd індукується ЕРС, напрямок якої (для даного моменту часу) визначається за правилом правої руки. З рис. 5.26 видно, що для розглянутого стану, якщо вважати, що модель працює генератором, щітка А має полярність “+”, а щітка В має полярність “-“, тому що в генераторі струм тече від “+” у зовнішньому колі до “-“. Якщо повернути рамку на 180°, видно, що полярність щіток зміниться на протилежну. Таким чином, в цій моделі знімається з щіток змінна в часі ЕРС. Установлюючи закон зміни ЕРС в часі, враховуємо, що миттєве значення ЕРС провідників визначається як:

Рисунок 5.26 – Принципова схема машини змінного струму

де – індукція в місці розташування провідника в даний момент часу; – довжина активної частини провідника; v- лінійна швидкість переміщення провідника відносно поля.

Якщо врахувати, що довжина провідника , то при рівномірному обертанні рамки v = const ЕРС провідника . Таким чином, зміна ЕРС провідників в часі і, відповідно, зміна ЕРС на виході генератора відбувається за тим же законом, що і розподіл індукції уздовж кола руху рамки на кожному полюсному поділу. Якщо прийняти, що магнітна індукція в часі змінюється за синусоїдальнім законом, то і ЕРС буде також змінюватися за синусоїдальнім законом (рис. 5.27). На практиці, магнітне коло машини завжди трохи насичене, тому закон зміни індукції і ЕРС не відповідають синусоїдальному закону.

Змінимо конструкцію моделі (див. рис. 5.26) у такий спосіб – замінимо кільця двома сегментами, рис. 5.28.

При обертанні рамки, в провідниках ab і cd, як і у попередньої моделі (рис. 5.26), індукується змінна в часі ЕРС. Однак, в цій моделі при будь- якому положенні рамки, щітка “А” завжди з’єднана з тим

Рисунок 5.27 – Зміна Індукції і ЕРС витка в повітряному проміжку

Рисунок 5.28 – Принципова схема машини постійного струму

проводом, що розташований під полюсом “S“, а щітка “В” – під полюсом “N“.

Таким чином, в новій моделі полярність щіток не змінюється, тобто при зазначеному на рис. 5.29 напрямку обертання рамки, щітка “А” є позитивною, а щітка “B” негативною. За допомогою двох сегментів, що представляють найпростіший комутатор, здійснюється випрямлення змінної в часі ЕРС у постійну. Тому з щіток “A” і “В” знімається ЕРС, що пульсує в часі за законом (рис. 5.29, а). Якщо ми накладемо на якір два витки (дві котушки) під кутом 90° один до одного, то пульсації напруги на щітках значно зменшаться (рис. 5.29, б). Підрахунок показує, що вже при восьми колекторних пластинах на полюс пульсації напруги на щітках не перевищують 1% від середнього значення цієї напруги; тому струм, що тече по зовнішньому колі, можна вважати практично постійним струмом.

Рисунок 5.29 – Пульсуюча ЕРС при одному (а) і двох (б) витках на якорі

У загальному випадку генератори постійного струму за способом збудження поділяють на генератори зі збудженням від постійних магнітів і генератори з електромагнітним збудженням. В теперешній час основний метод збудження генераторів постійного струму – це збудження електромагнітним шляхом. Ці генератори поділяють на:

• – генератори незалежного збудження;
• – генератори із самозбудженням.

Генератори незалежного збудження – рис. 5.30. На рисунку позначено: , – – коло обмотки якоря; – коло обмотки збудження; U – напруга в колі якоря; 1 – струм навантаження; – струм якоря; – напруга на обмотці збудження; – струм збудження.

В генераторах незалежного збудження обмотка збудження підключена до незалежного джерела постійного струму. Струм збудження залежить тільки від напруги на затискачах кола збудження й опору цього кола. Потужність, що втрачається на збудження, як правило не перевищує 2-3% від потужності генератора. Незалежне збудження досить розповсюджене і застосовується в машинах низької напруги (4. 12 В), високої напруги (понад 500 В), в машинах великої потужності й у тих випадках, коли потрібно широке регулювання напруги. Відповідно до схеми, у загальному випадку і /

Генератори постійного струму із самозбудженням поділяють на машини з паралельним, послідовним і змішаним збудженням.

Генератори паралельного збудження (шунтові), рис. 5.31. На рисунку позначено; – коло обмотки збудження. Відповідно до схеми , /

В генераторах паралельного збудження обмотка збудження підключена до затискачів обмотки якоря. Зі схеми видно, що струм збудження залежить від напруги на затискачах якоря і що струм якоря

Рисунок 5.30 – Принципова схема генератора незалежного збудження

дорівнює сумі струму навантаження 1 і струму збудження . Генератори паралельного збудження не вимагають окремого джерела струму для збудження і дають в межах нормального навантаження досить стійку напругу.

Генератори послідовного збудження (серіє сні), рис. 5.32. На рисунку позначено: – коло обмотки збудження. Відповідно до схеми . Зі схеми видно, що струм збудження дорівнює струму якоря , тобто цілком залежить від навантаження генератора. Ця обставина негативно впливає на робочі властивості генератора, тому що його напруга змінюється в залежності від струму навантаження 1, тоді, як потрібно, щоб вона залишалася більш-менш постійною. На практиці такий вид збудження майже не застосовується.

Рисунок 5.31 – Принципова схема генератора паралельного

Рисунок 5.32 – Принципова схема генератора послідовного збудження

Генератори змішаного збудження (компаундні), рис. 5.33. Генератори змішаного збудження мають дві обмотки збудження паралельну ( ) і послідовну ( ). Як правило, головною є паралельна обмотка, а послідовна відіграє роль додаткової обмотки.

Незалежно від способу збудження для генераторів постійного струму справедливі наступні основні рівняння:

1. Рівняння напруг кола якоря:

де U – вихідна напруга генератора;

– ЕРС обмотки якоря, – постійна машини; р – число пар полюсів; N – число провідників обмотки якоря; а – число паралельних віток обмотки якоря; – спад напруги в колі обмотки якоря та в обмотках, включених послідовно з обмоткою якоря (обмотка додаткових полюсів, компенсаційна обмотка); – струм якоря; – активний опір кола обмотки якоря.

З наведеного рівняння випливає, що вихідна напруга генератора залежить від навантаження, а також від частоти обертання машини n. Величину цієї напруги можливо регулювати, насамперед, зміною магнітного потоку Ф на кожному полюсному поділу, що практично зводиться до регулювання струму збудження.

2. Електромагнітний момент генератора визначається як:

де – постійна машини.

Електромагнітний момент генератора є гальмовим і в сталому

Рисунок 5.33 – Принципова схема генератора змішаного збудження

режимі врівноважується обертальним моментом приводного двигуна:

де – обертальний момент приводного двигуна; – електромагнітний момент генератора; – момент холостого ходу генератора, що відповідає механічним втратам генератора і втратам в сталі його якоря.

До робочих характеристик, що описують генератори в сталому режимі роботи під навантаженням, відносяться:

• 1. Навантажувальна характеристика при , . В окремому випадку при , залежність – є характеристикою холостого ходу генератора.
• 2. Зовнішня характеристика при
• ( ), .
• 3. Регулювальна характеристика при , . В окремому випадку при залежність – є характеристикою короткого замикання генератора.

У генераторів паралельного, послідовного і змішаного збудження вихідна напруга утвориться в процесі самозбудження. Процес самозбудження заснований на тому, що в машині практично завжди існує невеликий – до 1-3% від нормального – потік залишкового намагнічування . Якщо ми приведемо якір в обертання з будь-якою, наприклад номінальною, частотою обертання, то під дією цього потоку в обмотці якоря виникає невелика ЕРС і по колу збудження потече невеликий струм, що створить додатковий потік намагнічування В залежності від напрямку струму в обмотці збудження потік може бути спрямований зустрічно щодо потоку або узгоджено з ним. Генератор може самозбуджуватися тільки при узгодженому напрямку обох потоків, іншими словами, процес самозбудження генератора може йти тільки в один бік, обумовлений напрямком потоку .

При узгодженому напрямку потоків результуючий потік машини збільшується, що призводить до збільшення ЕРС в якорі і викликає подальше збільшення струму збудження і потоку машини.

Таким чином, щоб виник процес самозбудження необхідні наступні умови:

• 1. В магнітному колі генератора має існувати потік залишкового намагнічування.
• 2. Обмотка збудження повинна бути включена так, щоб створюваний нею магнітний потік був спрямований узгоджено з потоком залишкового намагнічування.
• 3. Опір кола збудження повинний бути менше деякого критичного значення .

Необхідність виконання останньої умови розглянемо на прикладі генератора паралельного збудження, що працює в режимі холостого ходу (рис. 5.34).

Коли генератор приводиться в обертання, починається процес самозбудження. У цьому перехідному процесі для кола збудження справедливе наступне рівняння напруг:

де – миттєве значення напруги збудження; – миттєве значення струму збудження; – опір кола збудження; – активний опір обмотки збудження; – опір регулювального реостата в колі збудження; – індуктивність обмотки збудження.

Рисунок 5.34 – Схема генератора паралельного збудження

Коли процес самозбудження закінчиться, то в сталому режимі: , – стале значення напруги і струму в колі збудження.

З огляду на те, що для генератора паралельного збудження , стале значення напруги і струму в колі збудження можна визначити по точці перетину характеристик і .

Щоб визначити, до якої межі йде процес самозбудження, припустимо, що коло якоря розімкнуте, тобто , і опір кола збудження, обумовлений сумою ( ) залишається постійним. Припустимо, що генератор збудився до напруги , що відповідає на характеристиці холостого ходу точці А (рис. 5.35). Але буде і напругою кола збудження , тобто

Відповідно до умови маємо:

тобто опір кола збудження визначається тангенсом кута, утвореного віссю абсцис з прямою, що проходить через початок координат і точку напруги, до якої машина збудилася на холостому ході.

Опір кола збудження, при якому машина вже не самозбуджується, називають критичним опором. Так само відбувається самозбу-

Рисунок 5.35 – Самозбудження генератора паралельного збудження

дження і генераторів змішаного збудження, тому що в них головною є паралельна обмотка збудження. При самозбудженні генератора послідовного збудження зовнішнє коло повинно бути обов’язково замкнуте, тому що в противному випадку навантажувальний струм, а стало бути, і струм збудження будуть дорівнювати нулю.