Принцип действия генератора постоянного тока

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

Из рис. 3.3 видно, что за один оборот рамки проводники АБ и ВГ дважды пересекают магнитное поле. В момент, когда рамка проходит нейтральное положение (рис. 3.3.д), 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. е., на­правленная от А к Б. В это время проводник ВГ проходит около южного полюса и в нем индуктируется э. д. е., направлен­ная от В к Г. Обе эти э. д. с. складываются и создают ток во внешней цепи, направленный от щётки Щ₁ через нагрузку к щёткеЩ₂.

По мере вращения рамки наводимая в ней э. д. с. умень­шается. В момент, когда рамка займет вертикальное положе­ние, э. д. с. будет равна нулю. Щетки при этом находятся на изолирующих прокладках, которые разделяют полукольца. Из рис. 5.3.б видно, что 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 скользит теперь по полукольцу 2, а щётка Щ₂ - по полукольцу 1. Вследствие этого ток во внешней цепи не изменяет своего направления и по-прежнему проходит от щётки Щ₁ через нагрузку к щётке Щ₂.

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.

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.

Рис. 5.3. Принцип преобразования переменного тока в постоянный при помощи коллектора:

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

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. 5.4. Кривая тока, выпрямленного при помощи коллектора

На рис. 5.6 схематически изображен якорь с двумя катуш­ками (1—1 и 2—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.

Рис. 5.5.

Принцип устройства однокатушечного генератора постоянного тока

Рис. 5.6.

Принцип устройства двухкатушечного генератора по­стоянного тока

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 обмоткт якоря; это указывает на то, что машина отдаёт электрическую энергию;

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

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