Меню

Для чего предназначен коллектор в генераторе постоянного тока



Принцип работы коллектора в генераторе постоянного тока.

Для нормальной работы генератора нужно установить щетки так, чтобы наводимая в витке з. д. с. была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую.

Рис.4.2. График ЭДС в витке (а) и во внешней цепи (б)

Каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, которые находят под полюсом данной полярности.

Например, в момент времени, показанный на рис. 4.1, щетка А соприкасается с пластиной 1 и имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ab, находящегося под северным полюсом. При повороте якоря на 90° виток будет расположен так, что его проводники перемещаются вдоль магнитных линий поля, не пересекая их. Поэтому э. д. с, наведенная в витке, равна нулю.

Щетки соединяют коллекторные пластины между собой и тем самым замыкают виток накоротко. При повороте витка на 180° щетка А соприкасается с пластиной 2, но по-прежнему она имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ей, заменившего проводник ab под северным полюсом.

Аналогично можно видеть, что щетка В имеет всегда только отрицательный потенциал. Таким образом, по витку abсd по-прежнему протекает переменный ток; при этом по внешнему участку цепи ток проходит только в одном направлении, а именно от положительной щетки А к отрицательной щетке В, т. е. происходит выпрямление переменной э. д. с, наведенной в витке, в пульсирующую на внешнем участке цепи (рис. 4.2, б).

Как видно из рисунка, кривая э. д. с. помимо постоянной содержит большую переменную составляющую, называемую пульсацией э. д. с.

Для ее уменьшения следует увеличить число коллекторных пластин. Если, например, в магнитном поле полюсов поместить два витка, оси которых сдвинуты на 90° в пространстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то при вращении витков индуктируемые в них э. д. с. окажутся сдвинутыми по фазе на угол р/2. Щетки в такой машине надо поместить так, чтобы они соприкасались с пластинами того витка, в котором в данный момент э, д. с. имеет наибольшее значение и на щетках будет э. д. с, пульсация которой много меньше, чем при двух коллекторных пластинах. При дальнейшем увеличении числа коллекторных пластин пульсация уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов становится менее 1%.

Таким образом, коллектор в генераторах постоянного тока выполняет роль преобразователя переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную на щетках, т. е. осуществляет выпрямление э. д. с.

Электрические машины чаще изготовляют многополюсными. На рис. 4.3 изображена схема четырехполюсного генератора постоянного тока.

Линию, перпендикулярную оси полюсов и проходящую между разноименными полюсами, называют геометрической нейтралью, а часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу,— полюсным делением.

Рассматриваемая простейшая машина может работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника.

Рис.4.3. Схема четырехполюсного генератора.

Источник

Для чего предназначен коллектор в генераторе постоянного тока

При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках его обмотки индуктируется э.д.с., переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, ка кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис. 293, в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток.

Рис. 293. Получение и использование переменного тока
Рис. 293. Получение и использование переменного тока

Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам а и б, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис. 294, в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная э.д.с. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток). Для уяснения этого обратимся к рис. 294. Начало витка Н припаяно к коллекторной пластине а, конец витка К к пластине б. К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней сетью.

Рис. 294. Применение коллектора для выпрямления тока
Рис. 294. Применение коллектора для выпрямления тока

Учитывая направление вращения якоря, определяем направление э.д.с. в витке по правилу «правой руки».

Ток в данном положении направлен от начала витка к концу его. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя сопротивление внешней цепи, ток притекает к левой щетке генератора, которую можно назвать отрицательной.

На рис. 294, б показано положение вращающегося витка, повернутого на 180° относительно его положения на рис. 294, а.

Определяя направление э. д. с, индуктированной в витке, находим, что ток теперь направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина а по-прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина б — с правой щеткой, то изменение направления тока в витке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина а и под левую щетку — пластина б.

Сравнивая первое и второе положения, легко убедиться, что в обоих случаях ток витка во внешнюю сеть притекает от правой, положительной щетки и возвращается из сети к левой, отрицательной щетке. Во внешней сети направление тока не меняется. Однако так как виток занимает различные положения в магнитном поле, то э.д.с., наводимая в витке, а вместе с ней и ток во внешней сети будут меняться по величине.

Такой ток постоянного направления и переменной величины называется пульсирующим.

Для увеличения э.д.с. генератора и получения на зажимах напряжения, постоянного не только по направлению, но и по величине, якорную обмотку выполняют из нескольких катушек, каждая из которых состоит из большого числа витков.

Коллектор в машинах постоянного тока также состоит из нескольких изолированных друг от друга медных пластин, соединенных с отдельными частями якоря.

Как указывалось выше, коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря, в постоянное напряжение на щетках генератора.

Коллектор, показанный на рис. 295, состоит из пластин твердо-тянутой меди. Между пластинами коллектора прокладываются листочки из миканита (слюды) толщиной 0,5-1 мм. Пластины коллектора имеют выступ, напоминающий форму ласточкина хвоста. На вал со стороны якоря надевают изолирующую втулку, которая своим коническим выступом входит в прорезь ласточкина хвоста. С другой стороны коллекторные пластины удерживаются нажимным изолирующим диском, выступы которого также заходят в прорези ласточкина хвоста. Чтобы коллекторные пластины не рассыпались, втулка и нажимной диск стягиваются болтами.

Рис. 295. Разрез коллектора: 1 - корпус, 2 - стяжной болт, 3 - нажимное кольцо, 4 - изоляция (миканит), 5 -
Рис. 295. Разрез коллектора: 1 — корпус, 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо, 4 — изоляция (миканит), 5 — ‘петушки’, 6 — пластины, 7 — миканит, 8 — медь

Для припаивания (оловом) проводников обмотки якоря к коллекторным пластинам служат специальные медные выступы, называемые петушками.

Источник

Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор?

Коллектор — это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .

Читайте также:  Каким током заряжать 225 аккумулятор

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .

Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.

Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.

Коллектор электрической машины

Рис. 1. Коллектор электрической машины

Упрощенное изображения коллектора

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Коллектор двигателя постоянного тока

Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока

Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.

Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.

Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.

В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.

Источник

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Принцип действия генератора постоянного тока

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinw t; e2 = -Blvsinw t; , где B магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

График тока, выработанного примитивным генератором

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Ротор генератора

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Читайте также:  Определите индукцию магнитного поля катушки если ее индуктивность 0 4 гн а сила тока

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Внешняя характеристика ГПТ

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

Читайте также:  Электрический ток проходит потенциал

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Источник

133. Назначение и устройство коллектора в генераторах постоянного тока

При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках его обмотки индуктируется э. д. с, переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на фиг. 264, в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток. На этом основано действие генераторов переменного тока.

Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на фиг. 265, в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная э. д. с. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток). Для установления этого обратимся к фиг. 266. Здесь показан якорь кольцевой формы с одним витком. Начало витка Н припаяно к коллекторной пластине а, конец витка К к пластине б. К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней сетью. Рассмотрим три характерных положения внтка в пространстве между полюсами. В положении а (фиг. 266) виток находится в зоне действия северного полюса. Учитывая направление вращения якоря, определяем направление э. д. с.

в витке по правилу правой руки. Необходимо учесть, что э. д. с. индуктируется только в той части витка, которая лежит поверх якоря. Поэтому вследствие плохого использования обмотки кольцевой якорь в настоящее время не применяется. Ток в данном положении направлен от начала витка к концу его. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя сопротивление внешней цепи, ток притекает к левой щетке генератора, которую можно назвать отрицательной.

В положении б на фиг. 266 виток находится на нейтральной линии. Нейтральной линией, или геометрической нейтралью, называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная сторона витка в этом положении скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому э. д. с. в витке не наводится и ток в цепи равен нулю. Ширина щетки больше ширины коллекторного деления, образованного пластиной н изолирующим промежутком, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетками накоротко.

В положении в виток находится в зоне действия южного полюса. Определяя направление э. д. с, индуктированной в витке,

находим, что ток направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина а по-прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина б с правой щеткой, то изменение направления тока в внтке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина а и под левую щетку — пластина б.

Сравнивая первое и третье положения, легко убедиться, что в обоих случаях ток витка во внешнюю сеть притекает от правой, положительной щетки и возвращается из сети к левой, отрицательной щетке. Во внешней сети направление тока не меняется. Так как виток занимает различные положения в магнитном поле, то э. д. с, наводимая в внтке, а вместе с ней и ток во внешней сети будут меняться по величине.

На фиг. 267 показан характер изменения тока во внешней цепи. Такой ток постоянного направления и переменной величины называется пульсирующим. Для увеличения напряжения на зажимах машины на якоре наматывают несколько витков (катушек) из большого числа витков изолированной проволоки. Располагая на якоре две катушки, как показано на фиг. 268, а, получим параллельное соединение катушек, причем напряжение генератора будет равно напряжению, создаваемому одной катушкой. Ток сети будет равен двойной величине тока, протекающего по каждой катушке. Расположим на якоре четыре катушки, сдвинутые на 90 одна относительно другой, и соединим их между собой последовательно (фиг. 268, б). Число коллекторных пластин также увеличим до четырех. Направление индуктированной э. д. с. в катушках определяем по правилу правой руки.

На фиг. 269 показаны кривые э. д. с. катушек 1 и 2. Так как катушки сдвинуты в пространстве на 90°, то кри-

вые э. д. с. также сдвинуты по фазе на 90°. Кривые э. д. с. у катушек 3 и 4 имеют тот же характер, что и у катушек 1 и 2, с той лишь разницей, что э. д. с. катушек 1 и 3, с одной стороны, и катушек 2 и 4, с другой, равны по величине, но противоположны по направлению. Поэтому для выяснения вопроса ограничимся рассмотрением кривых э. д. с. катушек 1 и 2. Поскольку катушки соединены между собой последовательно, то мгновенная величина э. д. с. , создаваемая двумя катушками, равна сумме мгновенных значений э. д. с. каждой катушки. На фиг. 270 показано сложение мгновенных значений э. д. с. обеих катушек. Кривая суммарной э. д. с. имеет меньшую пульсацию, чем кривые э. д. с. отдельных катушек. Суммарная э. д. с. катушек, находящихся под другим полюсом, имеет ту же величину, но противоположна по направлению суммарной э. д. с. верхних катушек. Обе э. д. с включены параллельно по отношению к щеткам генератора.

Восемь катушек, размещенных на якоре, при сложении их мгновенных э. д. с. дадут, как показано на фнг. 271, суммарную э. д. с. пульсации которой будут еще меньше, чем в предыдущем случае. Таким образом, размещая на якоре большое число проводников, увеличивая соответственно число коллекторных пластин, можно получить от генератора э. д. с, пульсации которой станут так незначительны, что ток, отдаваемый в сеть, практически можно считать постоянным током. Так, например, уже при 16 катушках на якоре колебания э. д. с. будут менее одного процента. В современных машинах число катушек на якоре бывает свыше ста.

Заканчивая рассмотрение действия коллектора, приходим к выводу, что коллектор в генераторах постоянного тока служит для преобразования переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную э. д. с. на щетках генератора. Здесь интересно отметить, что если якорь генератора снабдить и коллектором и контактными кольцами, то от генератора можно получить и постоянное и переменное напряжение.

Коллектор, показанный на фиг. 272, состоит из пластин твер-дотянутой меди. Между пластинами коллектора прокладываются листочки из миканита (слюды) толщиной 0,5—1 мм. Пластины коллектора имеют выступ, напоминающий форму ласточкина хвоста. На вал со стороны якоря надевают изолирующую втулку, которая своим коническим выступом входит в прорезь ласточкина хвоста. С другой стороны коллекторные пластины удерживаются нажимным изолирующим диском, выступы которого также заходят в прорези ласточкина хвоста. Чтобы коллекторные Пластины не рассыпались, втулка и нажимной диск стягиваются болтами.

Для припаивання (оловом) проводников обмотки якоря к коллекторным пластинам служат специальные медные пластины, называемые петушками.

5 Апрель, 2009 38598 ]]> Печать ]]>

Источник