Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы получить электрический генератор, создающий во внешней цепи постоянный ток, необходимо контактные кольца заменить особым приспособлением -коллектором.

Из рис. 5.3 видно, что за один оборот рамки проводники АБ и ВГ дважды пересекают магнитное поле. В момент, когда рамка проходит нейтральное положение, направление э.д.с. в проводниках АБ и ВГ меняется. Чтобы получить постоянное направление тока во внешней цепи, необходимо в этот момент переключить концы рамки к проводам внешней цепи. Роль автоматического переключателя концов рамки и выполняет коллектор.

На рис. 5.3 изображен простейший коллектор, который состоит из двух полуколец, изолированных между собой и от вала. К одному полукольцу присоединяется один конец рамки (витка), к другому - другой. По полукольцам при вращении скользят неподвижные щётки Щ₁ и Щ₂. При вращении рамки по часовой стрелке в проводнике АБ (рис. 5.3.а), когда он проходит около северного полюса, индуктируется э.д.с., на­правленная от А к Б. В это время проводник ВГ проходит около южного полюса и в нем индуктируется э.д.с., направленная от В к Г. Обе эти э.д.с. складываются и создают ток во внешней цепи, направленный от щётки Щ₁ через нагрузку к щётке Щ₂. По мере вращения рамки наводимая в ней э.д.с. уменьшается. В момент, когда рамка займет вертикальное положение, э.д.с. будет равна нулю.

Щётки при этом находятся на изолирующих прокладках, которые разделяют полукольца.

При дальнейшем вращении рамки проводник ВГ будет проходить около северного полюса, а проводник АБ - около южного. Следовательно, проводники поменялись местами и направление э.д.с. в рамке изменилось. Казалось бы, направление тока во внешней цепи тоже должно измениться, но благодаря коллектору этого не происходит. При повороте рамки повернулись и полукольца. Щётка Щ₁ скользит теперь по полукольцу2, а щётка Щ₂- по полукольцу1. Вследствие этого ток во внешней цепи не изменяет своего направления и по-прежнему проходит от щётки Щ₁ через нагрузку к щётке Щ₂.

Рисунок 5.3. Принцип преобразования переменного

тока в постоянный при помощи коллектора:

а - исходное положение рамки; б - положение рамки после поворота на 180°

Так как величина индуктируемой э.д.с. в рамке меняется, то меняется и величина тока в цепи. Изменение тока в зависимости от положения рамки можно изобразить кривой, приведенной на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Кривая тока, выпрямленного при помощи коллектора

В электрических генераторах, применяемых для практиче­ских целей, вместо рамки используется катушка, состоящая из большого числа витков (рис. 5.5). Эти витки наматываются на стальной цилиндр, который вращается между полюсами магнита. Все это приводит к тому, что э.д.с. такой машины резко возрастает.

Стальной цилиндр вместе с намотанными витками называется якорем.

Если в машине используется одна катушка, то хотя напряжение на зажимах, а следовательно, и ток в цепи получаются постоянными по направлению, их величины меняются, или, как принято говорить, пульсируют в широких пределах - от нуля до какого-то наибольшего значения и снова до нуля (рис. 5.4). Для уменьшения пульсаций тока в цепи на стальной цилиндр наматывают несколько катушек, взаимно смещенных на определенный угол.

Рис. 5.5. Рис. 5.6.

Принцип устройства однокатушечного Принцип устройства двухкатушечного

генератора постоянного тока генератора по­стоянного тока

На рис. 5.6 схематически изображен якорь с двумя катушками (1-1 и2-2), смещенными на 90°. В данном случае коллектор состоит не из двух полуколец, а из четырех пластин (сегментов), изолированных между собой и от вала. По этим пластинам скользят при вращении якоря неподвижные щётки. К каждой пластине присоединяются концы катушек. Кривая изменения э.д.с. на зажимах щёток для этого случая показана на рис. 5.7.

Если сравнить кривые, изображенные на рис. 5.4 и 5.7, то видно, что во втором случае пульсация э.д.с. (а значит, и тока в цепи) меньше, чем в первом. При большем числе катушек, намотанных на якоре, можно получить еще менее пульсирующую э.д.с.

Для повышения напряжения на зажимах щеток необходимо катушки соединить в одну обмотку так, чтобы все катушки, намотанные на якорь, участвовали одновременно в создании э.д.с. Такие обмотки обычно используют в электрических генераторах промышленных типов.

Рис. 5.7. Кривая изменения э. д. с. на зажимах двухкатушечного генератора

Характерным для работы электрического генератора является:

· совпадение по направлению тока i и э.д.с. ев проводниках обмотки якоря; это указывает на то, что машина отдаёт электрическую энергию;

· возникновение электромагнитного тормозного момента, направленного против вращающегося якоря; из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.

Рисунок 5.8.

Генераторный режим

1 – щётки; 2 – полукольца; 3 – рамка; 4 – полюса магнита; 5 – приёмник

Контрольные вопросы

1. Опишите принцип работы генератора постоянного тока.

2. Для чего предназначен коллектор в генераторе?

3. С какой целью наматывают несколько катушек?

4. Как уменьшить пульсацию тока?

5. Способ увеличения напряжения на зажимах щёток.

6. Как возникает электромагнитный момент при работе генератора?

7. Как направлен электромагнитный момент при работе генератора?

8. Каковы условия нормальной работы генератора