Электрогенератор постоянного тока | EN-PROF.RU
Основное назначение электрогенераторов постоянного тока – преобразование механической энергии в электрическую с последующим выводом во внешний контур. Они представлены устройствами мощностью от 1 до 10000 кВт, способными работать в режиме генератора или двигателя. Несмотря на узкую специализацию они все незаменимы в ряде производственных отраслей, предлагаемый заводами-изготовителями ассортимент весьма широк. Основными рабочими характеристиками, учитываемыми при расчете и выборе нужного варианта, являются номинальные напряжение и ток, вырабатываемая мощность и частота вращения якоря. Все эти величины относятся к номинальным, они обязательно указываются в инструкции и в прикрепленной к неподвижной части генератора табличке.
Принцип действия и устройство
Работа основана на индукции ЭДС во вращающихся катушках возбуждения, в отличие от машин переменного тока магниты, создающие поле, полностью неподвижны. Активные концы контура подключаются к изолированным полукольцам, за счет чего происходит снятие выпрямленного, а не синусоидального напряжения. Устройство включает в себя:
- Внешний корпус для защиты от внешних повреждений и передачи магнитного потока.
- Магнитные полюсы с обмоткой.
- Остов из ферримагнитных сплавов, выполняющий роль статора. Число полюсов определяется расчетом исходя из требуемых тока и мощности.
- Якорь генератора из отдельных пластин зубчатой формы (такое исполнение снижает вихревые токи), обмотка самовозбуждения наматывается на впадины между ними.
- Коммутатор с графитовыми щетками, их число идентично количеству полюсов.
- Медные коллекторные пластины для соединения с нагрузкой.
При движении проводника в магнитном поле образовывается ЭДС, величина которой регулируется уравнением постоянного тока:
е=2 B ·V·L sin(wt),
Где B представляет собой общую величину магнитной индукции, V – линейная скорость вращения магнитов, и L – длина всех активных контуров, t – время, а w – угол вращения активных сторон, соответственно. Токосъем производится неподвижными щетками, благодаря чему ток сглаживается (для полного выпрямления требуется увеличение обмоток якоря), поэтому в расчете удобнее использовать упрощенный вариант этой формулы: Е= B·V·L. Выходное напряжение прямо пропорционально числу оборотов генератора.
Разновидности устройств
В зависимости от типа обмотки возбуждения выделяют генераторы постоянного тока:
- С независимым возбуждением – с запиткой от постороннего источника тока или аккумулятора. Достоинством этого варианта является постоянство номинальных характеристик, недостатком – зависимость от внешних факторов. Этот способ выбирается для сильноточных агрегатов с высокой мощностью.
- С самовозбуждением – с запиткой непосредственно от генератора.
Вторая разновидность разделяется на шунтовые, сериесные, смешанные (компаундные) генераторы в зависимости от используемых схем подключения к обмотке якоря. Шунтовый генератор (с параллельным возбуждением) не боится КЗ и полностью не зависит от внешних источников энергии, но его рабочие характеристики не всегда стабильны. Генераторы с последовательным подключением сильно зависят от уровня нагрузки, такая схема используется исключительно при его постоянстве (например, для электропривода станков или насосов). У компаудных генераторов минимальная зависимость пусковых и рабочих характеристик от нагрузки, но они боятся КЗ, конструкция отличается сложностью.
Функциональное назначение
Потребность в постоянном токе сохраняется прежде всего в металлургической отрасли. Эта разновидность электрогенераторов устанавливается в прокатных станах и в цехах с электролизными ванными. Постоянный ток используется для питания приборов электросвязи, троллейбусов и трамваев, запуска стартеров тепловозов, в морском транспорте (на судах используются машины со смешанным возбуждением). Распространенной практикой является использование их в качестве возбудителей синхронных генераторов на обычных ТЭС или в качестве двигателей на ветряках.
Расчет рабочих параметров генератора
Номинальный режим работы машин постоянного тока регламентируется: отдаваемой мощностью, напряжением на зажимах обмотки якоря, его током и частотой вращения. Именно эти величины считаются паспортными, от них отталкивается расчет остальных параметров. Между напряжением на зажимах, общим сопротивлением обмотки и ЭДС генератора прямая связь, выражаемая уравнением:
Е=U+Iя·∑R,
Где ∑R определяется как падение сопротивления на всех активных участках обмотки: якоря, добавочных полюсов, щеточных контактов, компенсационной и последовательной обмотки возбуждения. Получив эту величину, нетрудно провести расчет полезной мощности генератора, в частности:
P= U·I,
где I – величина тока, отдаваемого во внешнюю сеть.
Существует четкая взаимосвязь: увеличение частоты оборотов активных контуров якоря и числа его полюсов приводит к возрастанию полезной мощности и наоборот. Еще одна паспортная величина – коэффициент полезного действия машины постоянного тока определяется как отношение полезной отдаваемой мощности к полной, в идеале эта величина составляет не менее 90%. На практике отдача немного меньше, так как такой расчет не учитывает механические и магнитные потери на трение.
Работа при параллельном подключении
Для машин постоянного тока характерна низкая эффективность при работе в слабонагруженном режиме. Поэтому в сетях с частым изменением величины потребления целесообразно использовать схему с двумя и более генераторами постоянного тока с параллельным соединением. В этом случае основную нагрузку принимает первый генератор, при увеличении происходит запуск второго и последующих (при наличии и необходимости). В такой схеме важно отслеживать напряжение в общей распределительной шине, но с применением современных САУ это не является проблемой.
Недостатки конструкции: реакция якоря
Помимо того, что все электрогенераторы постоянного тока при прочих равных условиях тяжелее и крупнее переменных генераторов, они обладают таким недостатком как снижение ЭДС при работе в режиме с нагрузкой. Это явление объясняется образованием собственного магнитного поля у якоря и наложением его на основное между статором и ротором. Чем больше нагружен генератор, тем сильнее проявляется эффект, в особо тяжелых случаях щетки начинают тереться неправильно и искрить, происходит перегрев.
Для устранения или уменьшения якорной реакции используют два способа:
- В местах максимального падения магнитного поля устанавливаются дополнительные магнитные полюса с целью компенсации.
- Коллекторные графитовые щетки размещают под другим углом или просто сдвигают.
Для генераторов со средней и высокой мощностью проводится усложненный расчет компенсационной обмотки, с целью образования магнитного потока полностью компенсирующего поля якоря. Это позволяет свести искажения магнитного потока к минимуму, реакция якоря практически не заметна.
Первый генератор постоянного тока, или что такое динамо-машина?
В позапрошлом веке, динамо-машиной называли генератор постоянного тока. Со временем промышленные генераторы, были вытеснены генераторами переменного тока, пригодного для преобразования посредством трансформаторов, и очень удобного для передачи тока на большие расстояния с незначительными потерями.
Сегодня под словом «динамо», как правило, подразумевают маленькие велосипедные генераторы (для фар) или ручные генераторы (для туристических фонариков). Что касается промышленных генераторов, то на сегодняшний день все это — генераторы переменного тока. Давайте, однако, вспомним, как развивались и совершенствовались первые «динамо».
Динамо-машина для велосипеда
Первый образец генератора постоянного тока, или униполярного динамо, был предложен в далеком 1832 году Майклом Фарадеем, когда он только открыл явление электромагнитной индукции. Это был так называемый «диск Фарадея» — простейший генератор постоянного тока. Статором в нем служил подковообразный магнит, а в качестве ротора выступал вращаемый вручную медный диск, ось и край которого пребывали в контакте с токосъемными щетками.
Диск Фарадея
Когда диск вращали, то в той части диска, которая пересекала магнитный поток между полюсами магнита статора, наводилась ЭДС, приводящая, в случае если цепь между щетками была замкнута на нагрузку, к появлению радиального тока в диске. Подобные униполярные генераторы по сей день используются там, где требуются большие постоянные токи без выпрямления.
Генератор переменного тока впервые построил француз Ипполит Пикси, это произошло в том же 1832 году. Статор динамо-машины содержал включенные последовательно пару катушек, ротор представлял собой подковообразный постоянный магнит, кроме того в конструкции имелся щеточный коммутатор.
Первый генератор переменного тока
Магнит вращался, пересекал магнитным потоком сердечники катушек, наводил в них гармоническую ЭДС. А автоматический коммутатор служил для выпрямления и получения в нагрузке постоянного пульсирующего тока.
Позже, в 1842 году, Якоби предложит разместить магниты на статоре, а обмотку — на роторе, который также вращался бы через редуктор. Это сделает генератор более компактным.
В 1856 году, для питания серийных дуговых ламп Фредерика Холмса, (эти лампы использовали в прожекторах маяков), самим Фредериком Холмсом была предложена конструкция генератора, похожая на генератор Якоби, но дополненная центробежным регулятором Уатта для поддержания напряжения на лампе постоянным при разном токе нагрузки, что достигалось путем автоматического сдвига щеток.
Генератор Холмса
Статор содержал 50 магнитов, а конструкция в общем весила 4 тонны, и развивала мощность чуть больше 7 кВт. Было выпущено примерно 100 таких генераторов под маркой «Альянс».
Между тем, машины с постоянными магнитами отличались одним существенным недостатком, магниты теряли со временем намагниченность и портились от вибрации, в итоге генерируемое машиной напряжение становилось со временем все ниже и ниже. При этом намагниченностью нельзя было управлять, чтобы стабилизировать напряжение.
В качестве решения пришла идея электромагнитного возбуждения. Идея пришла в голову английского изобретателя Генри Уайльда, который в 1864 году запатентовал генератор с возбудителем на постоянном магните, — магнит возбуждения просто монтировался на валу генератора.
Позже настоящую революцию в генераторах совершит немецкий инженер Вернер Сименс, который откроет подлинный динамоэлектрический принцип, и поставит производство новых генераторов постоянного тока на поток.
Принцип самовозбуждения заключается в том, чтобы использовать остаточную намагниченность сердечника ротора для пускового возбуждения, а затем, когда генератор возбудится, использовать в качестве намагничивающего тока ток нагрузки, или включить в работу специальную обмотку возбуждения, питаемую генерируемым током параллельно нагрузке. В результате, положительная обратная связь приведет к увеличению магнитного потока возбуждения генерируемым током.
В числе первых принцип самовозбуждения, или динамоэлектрический принцип, отметит инженер из Дании Сорен Хиорт. Он упомянет в своем патенте от 1854 года возможность использования остаточной намагниченности с целью реализации явления электромагнитной индукции для получения генерации. Однако, опасаясь того, что остаточного магнитного потока будет недостаточно, Хиорт предложит дополнить конструкцию динамо постоянными магнитами. Этот генератор так и не будет воплощен.
Позже, в 1856 году, аналогичную идею выскажет Аньеш Йедлик — член Венгерской академии наук, но ничего так и не запатентует. Только спустя 10 лет Самюэль Варлей, ученик Фарадея, реализует на практике принцип самовозбуждающегося динамо. Его заявка на патент (в 1866 году) содержала описание устройства очень похожего на генератор Якоби, только постоянные магниты уже были заменены обмоткой возбуждения — электромагнитами возбуждения. Перед стартом сердечники намагничивались постоянным током.
Генератор постоянного тока Сименса
В начале 1867 года в Берлинской Академии наук с докладам выступал изобретатель Вернер Сименс. Он представил публике генератор похожий на генератор Варлея, названный «динамо-машиной». Старт машины осуществлялся в режиме двигателя, для того чтобы обмотки возбуждения намагнитились. Затем машина превращалась в генератор.
Это была настоящая революция в понимании и проектировании электрических машин. В Германии начался широкий выпуск динамо-машин Сименса — генераторов постоянного тока с самовозбуждением — первых промышленных динамо-машин.
Конструкция динамо-машин с течением времени менялась: Теофил Грамм, в том же 1867 году, предложил кольцевой якорь, а в 1872 году главный конструктор компании Сименс-Гальске, Гефнер Альтенек, предложит барабанную намотку.
Так генераторы постоянного тока примут свой окончательный облик. В 19 веке, с переходом на переменный ток, гидроэлектростанции и тепловые электростанции станут вырабатывать уже переменный ток на генераторах переменного тока. Но это уже совсем другая история…
Смотрите также по теме:
Ветрогенератор. Как выбрать, смонтировать и избежать разочарования?
Безлопастной ветрогенератор. Устройство и принцип работы.
Термогенератор, получаем электричество из тепла.
Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!
[wysija_form id=»1″]
Тяговый генератор — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
У этого термина существуют и другие значения, см. Генератор.Тяговый генератор — элемент электрической тяговой передачи тепловоза, преобразующий механическую энергию дизеля тепловоза в электрическую энергию, поступающую к тяговым электродвигателям. Тяговый генератор постоянного тока также используется для пуска дизеля от аккумуляторной батареи.
Внешней характеристикой генератора называется зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при неизменной частоте вращения якоря и заданных условиях возбуждения. Для полного использования мощности дизеля идеальная внешняя характеристика генератора должна иметь гиперболическую форму, ограниченную с одной стороны максимальным напряжением на выходе генератора и максимальным током генератора — с другой. Для получения характеристики близкой к идеальной, в тяговых генераторах используется независимое возбуждение с автоматической системой регулирования тока возбуждения. На вход системы возбуждения подаются сигналы, соответствующие напряжению тягового генератора и току нагрузки, напряжение, вырабатываемое системой, подаётся на обмотку возбуждения генератора. При движении тепловоза с поездом по лёгкому профилю пути или резервом для экономии топлива мощность дизеля уменьшается путём ступенчатого снижения частоты его вращения рукояткой контроллера машиниста. Для того чтобы система возбуждения при частичных нагрузках обеспечивала постоянство мощности генератора на уровнях, соответствующих экономичным режимам работы дизеля, на вход системы возбуждения дополнительно вводят сигнал, соответствующий частоте вращения коленчатого вала.
Тяговый генератор постоянного тока состоит из магнитной системы, якоря, щёткодержателя со щётками и вспомогательных устройств (
Якорь генератора для снижения его массы выполняется полым. Сердечник якоря набирается из пластин электротехнической стали, в пазы сердечника укладывается обмотка якоря. Поскольку при работе генератора на якорь действуют значительные центробежные силы, в пазах сердечника обмотка укрепляется клиньями из изоляционного материала, участки обмотки, выходящие из пазов сердечника, стягиваются бандажами из стальной проволоки или стеклоткани.
Коллектор генератора состоит из нескольких сотен медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Поверхность коллектора, по которой скользят щетки, изготавливается строго цилиндрическая и тщательно шлифуется, рабочая поверхность щёток притирается к поверхности коллектора. Щётки вставляются в латунные щёткодержатели, которые прижимают их к коллектору пружинами. Электрический ток от щёток отводится по гибким медным шунтам. Для охлаждения тяговых генераторов используется самовентиляция или устанавливаются дополнительные вентиляторы.
При создании тяговых генераторов постоянного тока большой мощности возникает ряд принципиальных трудностей. С увеличением мощности генератора возрастают его размеры, в то же время для надёжной работы коллекторно-щёточного узла линейная скорость поверхности коллектора не должна превышать 60—70 м/с, что ограничивает его диаметр. Для предотвращения недопустимого искрения и возникновения кругового огня напряжение между соседними пластинами коллектора не должно превышать 30—35 В, что ограничивает длину витков обмотки якоря.
Статор тягового генератора переменного тока состоит из стальной станины, в которую установлен сердечник из листов электротехнической стали. В пазы сердечника уложена обмотка из медного изолированного провода. Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения обмотка статора выполняется многофазной. Магнитная система ротора генератора — многополюсная, сердечники полюсов набраны из листовой стали и закреплены на стальном корпусе ротора. Катушки полюсов соединяются последовательно, начало и конец обмотки возбуждения присоединены к контактным кольцам, по которым скользят графитовые щётки, закреплённые в латунных щёткодержателях. Кроме того, в пазах полюсных башмаков уложены стержни, соединённые между собой в демпферную обмотку, улучшающую работу генератора в переходных режимах.
Масса тягового генератора переменного тока примерно на 30 % меньше массы генератора постоянного тока такой же мощности, а межремонтный интервал увеличен в 1,5 — 2 раза. Недостатком тягового генератора переменного тока является невозможность работы в двигательном режиме для пуска дизеля. Однако масса генератора переменного тока и стартерного двигателя остаётся меньше массы генератора постоянного тока, а стартерный двигатель при работе дизеля используется в качестве вспомогательного генератора постоянного тока.
Е. Я. Гаккель, К. И. Рудая, И. Ф. Пушкарев, А. В. Лапин, В. В. Стрекопытов, М. А. Никулин. Электрические машины и электрооборудование тепловозов. Учебник для вузов ж. д. трансп / Под ред. Е. Я Гаккель. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1981. — 256 с.
Возбудитель (электрогенератор) — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 октября 2017; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 октября 2017; проверки требует 1 правка.
Возбудитель — генератор постоянного тока сравнительно небольшой мощности, который питает обмотки возбуждения основного, более мощного генератора постоянного или переменного тока, и обычно располагается с ним на одном валу. При использовании возбудителя, основной генератор работает в режиме независимого возбуждения.
Необходимая мощность возбудителя составляет от 0,3 до 5% от номинальной мощности основной машины. Первое число относится к самым мощным машинам, вторая — к машинам мощностью около 1 кВт.
Возбудители используются с турбогенераторами и гидрогенераторами для основного или резервного возбуждения и служат для управления мощностью основного генератора — вместо непосредственной регулировки его довольно большого тока возбуждения, регулируется весьма малый ток возбуждения самого возбудителя.
Использование возбудителей с тяговыми генераторами тепловозов (в составе двухмашинного агрегата) позволяет поддерживать мощность тягового генератора на заданном уровне, при значительных изменениях его рабочего тока и напряжения.
- Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов. — СПб: «Питер», 2008. — 320 с.