Синхронный генератор

Генераторы постоянного тока
Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.
В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.
Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.
Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена заводом-изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Они указываются в каталогах и выбиваются на табличке, прикрепленной к станине машины.
Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 5.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолиро­ванным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору сколь­зят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором обра­зует вращающуюся часть машины постоянного тока — якорь.
Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:
e = 2Blu
г де В — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость переме­щения пазовых сторон витка.
Рис. 5.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнит­ной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверх­ностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет макси­мальные значения (рис. 5.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходя­щей через середину межполисного пространства, магнитная индук­ция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рас­сматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=B_maxsin£. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 3.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрица­тельное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 3.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в на­грузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положитель­ными, как и в течение первой половины оборота якоря.
Рис. 5.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а — различные поло­жения витка обмотки; б — преобразование переменного тока якоря в постоян­ный ток внешней цепи; 1 — ток в обмотке якоря; 2 — ток во внешней цепи
Д ействительно, при a = 90° щетка А соприкасается с коллектор­ной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В — отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неиз­менной свою полярность, так как полукольца коллектора также по­менялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллек­торной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полю­сом N₉ а щетка В — с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внеш­ней цепи не изменяет своего направления (рис. 5.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишь по па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.
Р ис. 5.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря: a — схема генератора; б — пульса­ция тока; 1,2 — ток в обмот­ках якоря; 3 — ток во внеш­ней цепи
Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря вы­полнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сер­дечника витков и увеличить соответст­венно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердеч­нике якоря (четырех пазовых сторо­нах), оси которых смещены относи­тельно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 5.4, а). В этом случае ток во внешней цепи ге­нератора пульсирует с удвоенной часто­той, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 5.4, б). Если витков в об­мотке якоря от 12 до 16, то ток на выхо­де генератора практически постоянен.
На рис. 5.5 представлена конструк­ция генератора постоянного тока.

Рис. 5.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 — крышки; 2 и 12 — шариковые подшипники; 3 и 10 —масленки; 4 — корпус; 5 — соединительный провод; 6 — защитная лента; 7 и 11 — стяжные болты; 8 — щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25— уплотнительные манжеты; 13 — защитный колпачок; 14— отра­жательная шайба; 15— отрицательная щетка; 17 — щеткодержатель отрицатель­ной щетки; 18— коллектор; 19 — обмотка якоря; 20— конец обмотки возбужде­ния; 21 — сердечник якоря; 22 — вал якоря; 23 — полюсный сердечник; 24 — ка­тушка обмотки возбуждения; 26— крыльчатка шкива; 27— шкив.