Схема, особливості, принцип дії і пристрій генератора постійного струму

Епоха електрифікації почалася не так давно і за пару століть повністю змінила наш спосіб життя. Подивіться навколо, скрізь, де тільки падає око, обов'язково побачите який-небудь електричний прилад. Люди настільки звикли до різних машин, які виконують за них практично всю роботу, що виникає ілюзія, ніби так було завжди. Але заглянемо за бік завіси, що приховує від нас процес життєдіяльності електричних друзів. Розглянемо принцип дії і пристрій генератора постійного струму.

Трохи історії

Електрика спостерігали ще стародавні греки. Було помічено властивість бурштину притягати до себе різні частинки. Люди вважали це магнетизмом, властивим смолі. Але пізніше помітили здатність та інших матеріалів набувати магнетизм. Наприклад, скло при натиранні теж починало залучати до себе дрібні легкі елементи: частки папери, волоски і пил. Так стало зрозумілим, що магнітний ефект виникає за якимось законом. Згодом, у XVIII столітті, був створений прототип сучасного конденсатора, названий по імені винахідника «лейденської банкою». Цей нескладний механізм вмів накопичувати заряд, який на той час вважали своєрідною рідиною, що насичує тверді тіла і здатною перетікати від одного тіла до іншого з вражаючою швидкістю – на кілька миль за частки секунд. Коли був відкритий атом і його складові ядро і електрон, все стало на свої місця. Люди зрозуміли, що саме електрони і є тими зарядами, які створювали такі незрозумілі явища, як електричні розряди. Але поки це були лише статичні заряди. З дослідів Фарадея і Ерстеда бере свій початок електрика, яке ми знаємо зараз. Вони винайшли макет-генератор постійного струму, пристрій і принцип дії якого засновано на явищі електрорушійної сили ЕРС.

Сила руху електрики

Як води ріки приводить в рух тяжіння землі, так заряджені частинки у провіднику змушує переміщатися ЕРС. Ця сила тісно пов'язана з магнітним явищем, а саме з'являється, як тільки змінюється потік, створюваний магнітом. ЕРС здатна працювати тільки в речовині, де завжди в наявності є вільні заряди. Такою властивістю володіють метали та сольові розчини. ЕРС тим більше, чим швидше змінюється інтенсивність магнітних хвиль. Як відомо, магніт має два полюси завжди. У відповідності з тим, у якому напрямку змінюється потік відносно провідника, струм у провіднику тече в ту або іншу сторону. Позитивні і негативні заряди самі створюють між собою енергетичне поле, яке ми називаємо напругою, воно тим більше, чим сильніше сумарний електричний заряд однойменного полюса.

Що таке електричний генератор?

Конструкція або машина, яка здатна перетворювати будь-яку механічну силу в електричну енергію, що отримала назву генератора електрики. Принцип дії і пристрій генератора постійного струму пов'язані з магнетизмом. Якщо взяти постійний магніт і перетинати поле його напруженості провідником, то в останньому з'являється сила, що змушує рухатися в одному напрямку заряджені частинки – з'являється струм. Те ж саме буде відбуватися при нерухомому провіднику і рухомому магніті.
Експериментально вченими встановлено, що величина струму тим більше, чим більше:

Величина магнітного потоку між полюсами магніту.

Швидкість перетину ліній напруженості.

Довжина струмопровідних дроти.

Якщо ж переміщати провідник паралельно тому, як йде потік, то індукції в ньому не спостерігається. З цього вивели закон правої руки, який допомагає зрозуміти, в якому напрямку рухається струм. При розташуванні руки правої частини тіла долонею так, щоб у неї входили магнітні лінії напруженого поля, а великий палець був відігнутий і вказував туди, куди відбувається рух провідника, що залишилися чотири пальці покажуть шлях струму. В магніті вектор руху поля спрямований від півночі до півдня.

Схема роботи елементарного генератора

Принцип дії і пристрій генератора постійного струму простого типу наступні: рамка виготовлена з струмопровідних матеріалу, насаджена на вісь і виробляє обертання між полюсами магніту. Кожен вільний кінець рамки приєднаний до свого контакту, який має вигляд дугоподібної пластини. Разом контакти складають коло, розірвану в двох точках (колектор). Ці напівкруглі контакти рухомо з'єднані з пружними провідними щітками. Вони знімають струм. У просторі рамка щодо контактів орієнтована так, що при перетині кожної її половини дільниць найбільшої величини магнітного потоку щітки замкнуті на контактах. Коли ж елементи рамки проходять фазу руху вздовж ліній – щіткові контакти розімкнуті з колектором. Якщо підключити осцилограф, видно, що генератор постійного струму пристрій і принцип дії має такий, що видає чергування півхвиль, що знаходяться по одну сторону координат і змінюють своє значення від нульового до найвищого і знову до нуля. Частота проходження їх залежить від швидкості повороту рамки. Це означає, що струм в такій системі рухається в одному напрямку (постійний), але має пульсуючий вигляд.

Принцип дії і пристрій генератора постійного струму

Реальний генератор постійного струму влаштований більш складно, хоча принцип його дії нічим не відрізняється від розглянутого вище. Замість однієї рамки і пари напівкруглих контактів він має безліч рамок і контактів колектора. Це, по-перше, підвищує потужність такої машини, по-друге, згладжує пульсації струму, так як кожна рамка створює свою півхвилю, які, налаживаясь один на одного, утворюють сумарний струм. Така обертова система отримала назву якоря або ротора. Магніт генератора теж видозмінений. Його роль виконує електромагніт складається з обмотки і осердя. Використовуючи електромагніти, можна створювати великий магнітний потік, який не під силу для звичайного постійного. До того ж величину потоку можна легко міняти. Нерухома частина генератора названа статором. В залежності від режиму роботи машини під час обертання валу, між статором і ротором спостерігаються наступні процеси:

До генератора не підключена навантаження. У разі такої холостої роботи якір виробляє обертання, в ньому наводиться ЕРС, але струму в обмотці немає, так як ланцюг не замкнута.

Генератор постійного струму, схема якого підключена до ланцюга, працює в режимі навантаження. У цьому випадку в якорі тече струм і з'являється нова складова – магнітний потік, створюваний якорем (реакція якоря). Цей потік рухається в такому напрямку, що протидіє основним силовим лініям, створюваним електромагнітом. В результаті реальна ЕРС буде нижче, тобто знижується потужність генератора. І чим більше навантаження генератора, тим більше енергії витрачається на подолання реакції якоря при обертанні вала.

Щоб нівелювати магнітний потік якоря, в схему ротора вводять так звані компенсаційні обмотки, в яких утворюється магнітний потік, що послаблює реакцію якоря.

Типи генераторів, що виробляють постійне електрика

Принцип дії і пристрій генераторів постійного струму відрізняються за виконанням схеми збудження. Вони бувають:

Магнитоелектрическими. У них для створення магнітного потоку застосовують постійні магніти. Такі машини, зазвичай невеликої потужності, що мають високий ККД, так як немає втрат в обмотках збудження. Недолік пристроїв складності регулювання.

Генераторами з незалежною схемою збудження. Це пристрої, обмотка електромагнітів яких живиться від сторонніх джерел живлення: акумулятор або генератора.

Самовозбуждающимися генераторами постійного струму. Такі пристрої живлять електромагніти від свого ж якоря. Головною умовою самозбудження є залишковий магнітний потік. Конструкція, принцип дії генераторів і схема їх включення буває компаундною, шунтовой і сериесной.

Принцип роботи і пристрій генератора з електродвигуна

Принцип оборотності електричних машин говорить про те, що будь-який електродвигун може бути перетворений в генератор і навпаки. Адже обидва ці пристрої використовують ЕРС індукції, як основу своєї роботи. Тільки в двигуні на ротор подають електричний струм, який, створюючи магнітний потік, відштовхується від полюсів магніту статора, здійснюючи обертальний рух. Якщо ж вал двигуна обертати з певною швидкістю, в обмотках якоря почне наводитися ЕРС індукції і потече струм. Обмеження лише в товщині проводу обмотки якоря. Коли провід тонкий, то отримати велику потужність у такого генератора не вийде.

Де знайшов застосування джерело постійного струму?

Незважаючи на те, що постійне електрику можна отримати методом випрямлення змінного, широко використовують генератор постійного струму. Принцип дії, схема такої машини незамінні на металургійних підприємствах, в потужних електролізних установках заводів. У транспортній промисловості агрегати працюють в електровозах, пароплавних судах. Для живлення збуджуючих обмоток генераторів змінного струму на електростанціях також застосовні джерела постійної напруги. Для побутових цілей розроблені динамо-машини постійного струму. Їх можна побачити на велосипедах, де вони живлять освітлювальні фари.

Висновок

Генератори струму постійної полярності хороші тим, що можуть виробляти електрику при різній швидкості обертання вала. В них не потрібно витримувати чітку частоту, як, наприклад, у генераторів змінного струму, де вона повинна бути в 50 Гц. Такі машини дуже зручно використовувати в якості альтернативних джерел електрики, наприклад в вітрогенератори.