Принцип действия

Генератор постоянного тока

Каждый проводник оснащен магнитом, к концам которого подключена нагрузка. При ее подключении по ним непрерывно протекает переменный ток. Природа его происхождения объясняется тем, что во время работы полюса магнита непрерывно меняются местами. На этом принципе основывается работа генератора переменного тока.

Чтобы ток не изменял своего направления, требуется успевать соединять точки коммутации нагрузки со скоростью аналогичной скорости вращения магнита. Справиться с поставленной задачей может только контроллер – небольшое электротехническое устройство, которое состоит из нескольких токопроводящих секторов, разделенных диэлектрическими пластинами. Оно фиксируется на якоре устройства и вращается с ним синхронно.

Электрическая энергия с якоря удаляется с помощью щеток. Используются чаще всего кусочки графита, обладающие высокой электропроводностью и низким коэффициентом трения.

Все эти процессы способствуют образованию на выходе электротехнической установки пульсирующего напряжения одной величины. Для сглаживания этой пульсации применяется несколько якорных обмоток. Чем их больше установлено, тем меньше будут броски напряжения на выходе.

Характеристики и строение

Как и абсолютное большинство других электрических агрегатов, генератор постоянного тока в свой состав включает статор и якорь.

Якорь изготавливают из стальных пластин с небольшими углублениями, в них помещаются обмотки. Их концы обязательно коммутируют с коллектором, который изготовлен из медных пластин, разделенных диэлектриками. По окончании сборки вал, якорь с обмотками и коллектор становятся одним целым.

Статор выполняет не только свою непосредственную функцию, но и является корпусом, к внутренней поверхности которого крепятся электрические магниты и постоянные. Предпочтительнее первый вариант, их сердечники могут быть набраны из металлических пластин или отлиты вместе с корпусом. Еще на корпусе предусмотрены специальные отверстия для крепления токосъемных щеток.

Количество графитов будет изменяться в зависимости от количества полюсов магнитов, которыми оснащен статор. Количество щеток равно количеству пар полюсов.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила генератора постоянного тока или ЭДС представляет собой величину, которая прямо пропорциональна потоку магнитов, количеству активных проводников и частоте вращения якоря. При уменьшении или увеличении этих показателей удается управлять величиной электродвижущей силы и напряжением. Установить требуемые параметры можно с помощью регулировки частоты вращения якоря.

Основы работы устройства

Давайте же, наконец, разберем принцип действия и устройство генератора постоянного тока.

Генератора постоянного тока — устройство

Inductio

Итак, как вы уже поняли, генераторы – это электрические машины, способные преобразовывать механическую энергию в электрическую. В основу работы этих устройств положен принцип электромагнитной индукции.

Сам принцип заключается в том, что если в магнитном поле перемещается проводник (при этом его движения должно быть перпендикулярным магнитному потоку, то есть пересекать его), либо же сам постоянный магнит смещается относительно проводника, то внутри проводника возникает ЭДС (электродвижущая сила) индукции.

Принцип действия генераторов постоянного тока

Если при этом проводник включить в замкнутую цепь, то по ней потечет ток, называемый индуктивным. Опты установили, что величина этой силы изменяется в прямой зависимости от длины проводника, скорости его движения и величины индукции магнитного поля. При этом важно понимать, что ЭДС возникает только в случае пересечения  магнитного поля, а не движения вдоль него.

Правило правой руки

Вспоминайте курс физики, а именно, правило правой руки, когда большой палец указывает направление движения проводника, если в ладонь входят силовые линии магнитного поля. При этом остальные вытянутые четыре пальца укажут вам направление действия ЭДС – именно в этом направлении потечет ток в перемещаемом проводнике.

Совет! Если кто позабыл, то силовые линии магнитного поля движутся от северного полюса к южному.

Простейший генератор

Получив основные знания об электромагнитной индукции, мы можем представить себе простейший генератор постоянного тока и принцип действия этого прибора.

Принцип действия генератора на постоянном токе

Итак, на картинке выше показано следующее:

• Проводник изогнут в виде прямоугольной рамки и установлен на вращающуюся ось;
• Он помещен в магнитное поле постоянного магнита (полюса обозначены соответствующими буквами и цветами);
• Концы проводника соединяются с разбитым на два полукольца полым цилиндром – обе части изолированы друг от друга;
• В контакте с полукольцами находятся щетки (контактные пластины) и при движении они скользят по цилиндру;
• Кольцо из полуколец называется коллектором, а отдельные его части (полукольца) – пластинами (ламелями) коллектора;
• Расположение щеток устроено таким образом, чтобы они менялись полукольцами при вращении рамки как раз в тот момент, когда ЭДС на обеих сторонах рамки будет равна нулю – этот момент будет соответствовать горизонтальному положению рамки.
• Коллектор выпрямляет переменную ЭДС и во внешней цепи создается движение постоянного тока.

В этом можно убедиться, присоединив к контактным пластинам измерительный прибор (амперметр).

Углубленный анализ

Все вроде бы понятно, но не совсем! Давайте разберем принцип действия и характеристики генераторов постоянного тока более подробно.

Схема работы генератора

Для лучшей ориентации введем некоторые условные обозначения важных переменных и постоянных: t – время; Е – ЭДС; А и Б – стороны рамки.

• Итак, нужно сразу понять, что ЭДС, возникающий в стороне рамки А, всегда будет направлена в противоположном направлении второму ЭДС, которое индуцируется в половине рамки Б. Данное утверждение очень легко проверить, воспользовавшись описанным выше правилом правой руки.
• Общая Е будет равна двум сложенным ЭДС, возникающим в половинках рамки, и что самое интересное, эта величина будет постоянно изменяться в зависимости от положения лопастей.
• Наибольшая величина ЭДС будет тогда, когда рамка будет находиться в вертикальном положении (на рисунке это положения б и г). Именно в этот момент проводник пересекает большее число силовых линий.
• В горизонтальном же положении лопасти рамки будут фактически скользить вдоль этих самых линий и ЭДС индуцироваться не будет (положения а, в и д).
• Во время движения стороны рамки Б к южному полюсу (момент старта — от северного полюса) магнита, ток в ней будет двигаться в нашем направлении, применительно к картинке выше. Данный ток будет проходить от полукольца и щетки 2, через измерительный прибор, в сторону другой щетки и части рамки А. В ней же, тоже индуцируется ток, но уже в противоположном направлении, то есть от нас.
• Наивысшего значения ЭДС достигает тогда, когда стороны рамки находятся точно напротив полюсов магнита. Продолжая движение, ЭДС начинает убывать, пока не станет равной нулю, спустя четверть оборота. Именно в этот момент и происходит смена местами щеток.

График изменения ЭДС при вращении рамки

• Из-за постоянно смены щеток получается так, что за время одного полуоборота рамки, каждая контактная пластина коллектора соприкасается только с одной из щеток, и ток проходил только в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Давайте посмотрим, что произойдет дальше, если продолжить вращение.
• ЭДС начинает снова расти от нуля к пику, так как снова начинается пересечение силовых линий магнитного поля, но при этом направление Е будет противоположным, то есть на части А, оно будет таким же, что ранее на Б, и наоборот. Фактически происходит зеркальная ситуация. И, казалось бы, ток должен начать двигаться в обратном направлении и стать переменным, но не забываем, что у нас в момент падения ЭДС до нуля, щетки стали касаться других полуколец коллектора, ведь он вращается вместе с рамкой.
• То есть полукольцо, которое соединено с частью рамки А теперь касается щетки 2, а это означает только одно, ток во внешней цепи будет течь в том же направлении, что и ранее.

На фото — ротор генератора

• В этом и заключается выпрямляющая функция коллектора. Именно благодаря ему ток в цепи протекает только в одном направлении.
• Через полуоборот щетки снова меняют полукольца, и весь процесс повторяется снова, и так по бесконечному циклу, пока агрегат запущен и функционален. Главное при этом – обеспечить вращение рамки за счет какой-то силы.

Неисправности генератора и способы их устранения

Электрооборудование автомобиля имеет свойство ломаться. При этом наибольшие проблемы возникают с АКБ и генератором.

В случае выхода из строя любого из этих элементов эксплуатация ТС в нормальном режиме работы становится невозможной или же авто оказывается вовсе обездвиженным.

Все поломки генератора условно делятся на две категории:

• Механические. В этом случае проблемы возникают целостностью корпуса, пружин, ременным приводом и прочими элементами, которые не связаны с электрической составляющей.
• Электрические. Сюда относятся неисправности диодного моста, износ щеток, замыкание в обмотках, поломки реле регулятора и прочие.

Теперь рассмотрим список неисправностей и симптомы более подробно.

1. На выходе недостаточный уровень зарядного тока:

• Пробуксовка приводного ремня. Решение — натянуть ремень и проверить подшипники на факт исправности, симптомы – свист ремня генератора.
• Зависание щеток. Для начала стоит вычистить щеткодержатель и щетки от загрязнений и убедиться в достаточности усилия.
• Обрыв цепочки возбуждения, подгорание контактных колес. Первая проблема решается путем поиска и устранения обрыва, а вторая — посредством зачистки и проточки контактных колец (если это требуется).
• Выход из строя регулятора напряжения.
• Задевание ротором статорного полюса.
• Обрыв цепочки, объединяющий генератор и АКБ.

2. Вторая ситуация.

Когда автомобильный генератор выдает необходимый уровень тока, но АКБ все равно не заряжается.

Причины могут быть разными:

• Низкое качество протяжки контакта «массы» между регулятором и основным узлом. В этом случае проверьте качество контактного соединения.
• Выход из строя реле напряжения — проверьте и поменяйте его.
• Износились или зависли щетки — замените или очистите от грязи.
• Сработало защитное реле регулятора из-за наличия замыкания на «массу». Решение — отыскать место повреждения и убрать проблему.
• Прочие причины — замасливание контактов, поломка регулятора напряжения, витковое замыкание в обмотках статора, плохое натяжение ремня.

3. Генератор работает, но издает повышенный шум.

Вероятные неисправности:

• Замыкание между витками статора.
• Износ места для посадки подшипника.
• Послабление шкивной гайки.
• Разрушение подшипника.

Ремонт генератора автомобиля всегда должен начинаться с точной диагностики проблемы, после чего причина устраняется путем профилактических мер или замены вышедшего из строя узла.

Мощность оборудования и КПД

Мощность генератора постоянного тока встречается как полная, так и полезная. При постоянной электродвижущей силе генератора полная мощность пропорциональна силе тока.

Еще одной важной технической характеристикой альтернатора является его коэффициент полезного действия. Это понятие представляет собой отношение полезной мощности к полной.

На холостом ходе КПД равно нулю, максимальные показатели достигаются при номинальных нагрузках. В мощных инновационных моделях генераторов постоянного тока коэффициент полезного действия приближается к 90%.

Технические параметры

Работа генератора определяется зависимостью между основными величинами, которые являются его главными характеристиками:

• отношения между величинами на холостом ходу;
• внешние параметры;
• регулировочные значения.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока крайне важна, так как раскрывает взаимосвязь напряжения и нагрузки. Она отображена на графике. Согласно последнего наблюдается незначительное уменьшение напряжения, но оно почти не зависит от нагрузочного тока (если сохраняется скорость оборотов двигателя).

Внешняя характеристика ГПТ

В устройствах с параллельным возбуждением больше выражено влияние нагрузки на напряжение. Это объясняется уменьшением тока в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет уменьшаться напряжение на зажимах агрегата.

Свойства ГПТ с параллельным возбуждением

Если увеличить величину тока при последовательном возбуждении, то вырастет ЭДС. Но напряжение не достигнет высокого значения электродвижущей силы, так как часть энергии уйдет на потери от вихревых токов.

Свойства ГПТ с последовательным возбуждением

При достижении напряжением максимального значения и одновременным увеличением нагрузки, первое начинает стремительно снижаться в то время, как кривая электродвижущей силы продолжает подниматься. Это считается большим недостатком, ограничивающим использование генератора такого типа.

В устройствах со смешанным возбуждением предвиденные встречные подключения обеих катушек. Конечная сила при однонаправленном подключении равняется сумме векторов намагничивающих сил, при встречном — их разнице.

Вам это будет интересно  Подключение электродвигателя

При равномерном увеличении нагрузки напряжение на зажимах почти не меняется. Оно будет расти лишь тогда, если число проводов последовательной обмотки превышает число витков, которое соответствует номинальному возбуждению якоря.

Свойства ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением применяются в том случае, если нужно ограничить токи короткого замыкания. К примеру, при подсоединении аппаратов для сварки.

КПД

Важной характеристикой генератора считается его КПД — соотношение полезной и полной мощности: η = P 2 / P1. При холостом ходе такое отношение равно нулю (η=0). При номинальных нагрузках КПД достигнет максимального значения. Мощные агрегаты имеют коэффициент полезного действия около 90 %.

КПД

ЭДС

Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.

Мощность

Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.

Реакция якоря

Если к альтернатору подключить внешнюю нагрузку, то электротоки его обмотки создадут магнитное поле. Тогда возникнет сопротивление полей якоря и статора. Поле будет самым сильным в тех местах, где ротор приближается к магнитным полюсам, очень слабым — в точках максимального удаления. Ротор чувствует магнитное насыщение стальных катушечных сердечников. Сила реакции напрямую зависит от насыщенности в проводах. В результате на пластинках коллекторов будет происходить искрение щеток.

Реакция ротора

Уменьшение реакции достигается при использовании восполняющих магнитных полюсов или передвижением щеток с линии оси.

Типы подключения электрических магнитов статора

Генераторы постоянного тока различаются по типу подключения электрических магнитов статора. Они могут быть:

• с независимым возбуждением;
• параллельным;
• последовательным.

При независимом возбуждении электрические магниты статора подключаются к автономному источнику постоянного тока. Обычно это делается через реостат. Достоинством такой схемы является возможность регулировки генерируемой электрической мощности в широких пределах. Недостатком – необходимость иметь дополнительный источник питания.

Остальные два способа являются частными случаями самовозбуждения генератора, которое возможно при небольшом остаточном магнетизме статора. При параллельной работе генератора постоянного тока электромагниты статора питаются частью генерируемого напряжения. Это самая распространенная схема.

Для выбора оптимальной температуры жала инструмента вполне возможно сделать регулятор мощности для паяльника своими руками. При этом существует несколько схем сборки, у которых есть свои преимущества и недостатки.

С принципами работы симисторов познакомит эта статья. Как на таких полупроводниках собрать регулятор мощности, можно узнать тут.

При последовательном возбуждении цепь электромагнитов включается последовательно с нагрузочной цепью якоря. Величина тока, протекающего по электромагнитам, существенно зависит от нагрузки генератора. Поэтому такая схема используется только для подключения тяговых двигателей постоянного тока, которые при торможении переходят в режим генерации.

Применяется и смешанная схема подключения обмотки возбуждения – параллельно-последовательная. Для этого на каждом полюсе электромагнита должно быть две изолированные обмотки (включаемая последовательно обычно состоит всего из двух–трех витков). Такие электрические машины применяются в том случае, если требуется ограничить ток короткого замыкания в нагрузке. Например, в мобильных сварочных агрегатах.
Наличие коллекторно-щеточного узла существенно усложняет конструкцию электрической машины. Кроме того, передача генерируемой энергии через него осуществляется с большими потерями и физическими нагрузками. Поэтому, там где это возможно, машины постоянного тока заменяют асинхронными генераторами с выпрямительным мостом. Таковы, например, все автомобильные источники электроэнергии.

Устройство генератора постоянного тока

Чтобы узнать, что такое генератор постоянного тока, устройство и принцип действия вернёмся немного назад. Мы уже выяснили, как работает генератор переменного тока. Давайте подробнее рассмотрим процесс возникновения ЭДС. Поскольку ротор вращается, у нас есть цикл равный одному обороту ротора или 360°. Давайте узнаем, что происходит в этом цикле:

• 0° — ЭДС =0
• 90° — ЭДС достигает максимального значения со знаком «+»
• 180° — ЭДС снова равна 0
• 270° — ЭДС достигает пикового значения со знаком «-»

Как же сделать так, чтобы не менялась полярность напряжения? Великие умы придумали следующее – применить коллектор, то есть, снимать напряжение только нужной полярности. Помните, мы говорили, что в генераторе переменного тока, рабочей является обмотка статора, а на роторе находится обмотка возбуждения. Так вот, в генераторе постоянного тока напряжение снимается только с ротора, который называется якорем.

Схема генератора постоянного тока

Если такой генератор будет иметь только одну пару полюсов, как на картинке, то мы получим пульсирующее постоянное напряжение, где частота будет в два раза больше скорости вращения. То есть, если скорость вращения будет 50 оборотов в секунду, то частота пульсации будет 100 Гц. Чтобы снизить пульсацию напряжения увеличивают количество пар полюсов.

С момента изобретения генератора постоянного тока схематично и по принципу действия он практически не изменился, изменилась лишь технология изготовления и сейчас он выглядит так:

Основные виды генераторов постоянного тока

В настоящее время набирают популярность двигатели постоянного тока без коллектора. Возможен ли вариант бесколлекторного генератора? К сожалению, пока решить эту задачу не удалось. Так что, если вы где-то увидите название «Бесколлекторный генератор постоянного тока», знайте, что это генератор переменного тока с выпрямительным блоком.

По этой причине, генераторы постоянного тока характеризуют только по типу возбуждения:

1. Генераторы, возбуждаемые магнитами. Большую мощность такие генераторы развить не могут, поэтому нашли применение только там, где требуются небольшие мощности. Ну и, конечно же, применение магнитов ощутимо удешевляет стоимость таких генераторов.
2. Независимое возбуждение. Точно так же, как и у генераторов переменного тока, для возбуждения применяется внешний источник питания, не связанный с генератором.
3. Зависимое возбуждение, которое делится на три типа:
   • Параллельное возбуждение. Как можно понять из названия, обмотка возбуждения в таком генераторе подключена параллельно обмотке якоря. Иногда такой вид возбуждения называют шунтовый.
   • Последовательное возбуждение. Здесь обмотка возбуждения подключается как гирлянда, последовательно обмотке якоря. Такой вид иногда называют сериесным.
   • Смешанное возбуждение или компаундное. Обмотка возбуждения таких генераторов состоит из двух частей, первая подключается шунтовым методом, вторая сериесным.

Генераторы с независимым возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора независимого возбуждения

Принцип работы этого генератора довольно прост. Однако простота генератора является его же недостатком – он требует внешнего независимого источника питания. Якорь генератора разгоняют до необходимой скорости, затем с помощью реостата начинают возбуждать генератор. На обмотках якоря возникает ЭДС и при подключении нагрузки начинает протекать ток.

Нагрузочная способность такого генератора очень хорошая. Как правило, разница между напряжением холостого хода, когда нагрузка не подключена и напряжением при номинальной нагрузке генератора, когда потребитель загружает полностью – составляет всего 5-10%.

Преимущество генератора с независимым возбуждением ещё и в том, что его можно запускать под нагрузкой, то есть, с присоединенными электроприборами.

Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора параллельного возбуждения

У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 Iн, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора последовательного возбуждения

Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.

Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

Разновидности по способу возбуждения

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на два вида:

• с самовозбуждением;
• с независимым возбуждением обмоток.

Для самовозбуждения оборудования обязательно требуется электричество, которое им же и вырабатывается. По принципу коммутации обмоток самовозбуждающиеся якоря альтернаторов делятся на следующие разновидности:

• оборудование с параллельным возбуждением;
• устройства с последовательным возбуждением;
• генераторы смешанного типа, которые получили название – компудные.

Каждая разновидность имеет свои конструктивные особенности, преимущества и недостатки.

Для обеспечения оптимальных условий для работы оборудования требуется наличие стабильного напряжения на зажимах. Особенность устройства заключается в параллельном возбуждении выводов катушки, которые подсоединены через регулировочный реостат, расположенный параллельно обмотке якоря.

Для оборудования с независимым возбуждением источником питания выступают внешние устройства или аккумуляторные батареи. В маломощных модификациях устанавливаются постоянные магниты, обеспечивающие создание основного магнитного потока. Основное достоинство заключается в том, что на напряжение на зажимах не влияет возбуждающий ток.

Устройства со смешанным возбуждением сочетают положительные качества вышеописанных разновидностей. Конструктивные особенности – две катушки индуктивности, основная и вспомогательная. Цепь параллельной обмотки включает в себя реостат, который используется для регуляции силы тока возбуждения.

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.

Немного истории

Электричество наблюдали еще древние греки. Было замечено свойство янтаря притягивать к себе разные частицы. Люди считали это магнетизмом, присущим смоле. Но позже заметили способность и других материалов приобретать магнетизм. Например, стекло при натирании тоже начинало привлекать к себе мелкие легкие элементы: частицы бумаги, волоски и пыль. Так стало понятным, что магнитный эффект возникает по какому-то закону.

Впоследствии, в XVIII веке, был создан прототип современного конденсатора, окрещенный по имени изобретателя «лейденской банкой». Этот несложный механизм умел накапливать заряд, который в то время считали своеобразной жидкостью, насыщающей твердые тела и способной перетекать от одного тела к другому с поразительной скоростью – на несколько миль за доли секунд.

Когда был открыт атом и его составляющие ядро и электрон, все стало на свои места. Люди поняли, что именно электроны и являются теми зарядами, которые создавали такие необъяснимые явления, как электрические разряды. Но пока это были лишь статические заряды. С опытов Фарадея и Эрстеда берет свое начало электричество, которое мы знаем сейчас. Они изобрели макет-генератор постоянного тока, устройство и принцип действия которого основаны на явлении электродвижущей силы ЭДС.

Классификация

Есть два типа генераторов постоянного тока:

• независимое возбуждение обмоток;
• самопробуждение.

Электроэнергия, вырабатываемая самим устройством, используется для самовозбуждения генераторов. По принципу соединения обмоток якоря генераторы с самовозбуждением делятся на следующие типы:

• Устройства с параллельным возбуждением;
• генераторы переменного тока с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (комбинированные генераторы).

С параллельным возбуждением

Рассмотрим подробнее особенности каждого типа соединения обмоток якоря.

Для обеспечения нормальной работы электроприборов необходимо стабильное напряжение на выводах генератора, независимо от изменения общей нагрузки. Эта проблема решается регулировкой параметров возбуждения. В генераторах переменного тока с параллельным возбуждением выводы катушки подключаются через регулирующий реостат параллельно обмотке якоря.

Полевые реостаты могут блокировать намотку поля на себя. В противном случае при разрыве цепи возбуждения резко возрастет самоиндукция ЭДС в обмотке, что может привести к разрыву изоляции. В состоянии короткого замыкания энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая повреждение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не требуют внешнего источника питания. Из-за остаточного магнетизма, всегда присутствующего в сердечнике электромагнита, параллельные обмотки самовозбуждаются. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов изготовлены из литой стали.

С независимым возбуждением

Процесс возбуждения продолжается до тех пор, пока ток не достигнет предельного значения и ЭДС не достигнет номинального значения при оптимальной скорости вращения якоря.

Преимущество: генераторы, возбуждаемые параллельно, не подвергаются токам короткого замыкания.

Батареи или другие внешние устройства часто используются в качестве источника питания для обмоток возбуждения. В машинах малой мощности используются постоянные магниты, обеспечивающие наличие основного магнитного потока.

С последовательным возбуждением

У мощных генераторов переменного тока есть возбудитель на валу, который производит постоянный ток, возбуждающий обмотки основного корпуса. Возбуждения достаточно для 1–3% номинального тока якоря и не зависит от тока якоря. Изменчивость ЭДС управляется регулируемым реостатом.

Преимущество независимого возбуждения заключается в том, что ток возбуждения не зависит от напряжения на клеммах. Это обеспечивает хорошие внешние характеристики генератора.

Со смешанным возбуждением

Последовательные обмотки производят ток, равный току генератора. Поскольку на холостом ходу нагрузка равна нулю, возникает нулевое возбуждение. Это означает, что характеристика холостого хода не может быть удалена, т.е. отсутствует характеристика регулирования.

В генераторах переменного тока с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, когда ротор работает на холостом ходу. Чтобы инициировать процесс возбуждения, к клеммам генератора необходимо подключить внешнюю нагрузку. Эта четкая зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Эти устройства можно использовать только для питания электрических устройств с постоянной нагрузкой.

Конструкции генераторов смешанного возбуждения сочетают в себе полезные свойства. Их характеристики: эти устройства имеют две катушки — основную, включенную параллельно обмотке якоря, и вспомогательную, включенную последовательно. В цепь параллельной обмотки включен реостат для регулирования тока возбуждения.

Более сложные схемы генераторов

Несмотря на то, что ток протекает только в одном направлении, и поэтому называется громко постоянным, постоянно изменяется его величина, из-за чего подобные схемы практически неприменимы на практике. Давайте теперь рассмотрим строение более сложных генераторов, которые позволяют получить ток с меньшей пульсацией.

Двухвитковый генератор

• Давайте представим себе такую конструкцию генератора, в которой перпендикулярно друг другу расположены две рамки, соединенные в свою очередь с коллектором, который теперь сделан не из полу, а четвертьколец.
• При вращении рамок или витков, в них также как и в предыдущем случае возникает ЭДС. Однако максимальное и минимальное значение «Е» теперь достигается не через пол оборота всей рамки, а через четверть, то есть поворот одного витка на 90 градусов.
• На представленном выше рисунке хорошо видно, что через сторону витка 1, ровно, как и через сторону 3 (считаем в примере по часовой стрелке) протекает максимальный ток, тогда как на частях 2 и 4 ЭДС будет равна нулю, так как эти проводники скользят вдоль силовых линий.
• Соответственно конструкция всего генератора делается таким образом, чтобы именно в этот момент щетки касались контактных пластин коллектора 1 и 3.
• Представим вращение генератора. При этом значение ЭДС на витке 1 начинает убывать, тогда как на 2, наоборот, возрастать. Когда будет совершена 18 полного оборота, Е1 будет минимальна, но она не будет соответствовать нулю, так как проводник до сих пор при движении  пересекает силовые линии.
• Именно в этот момент и происходит перемена щеток на противоположные, и ЭДС начинает снова расти, так и не упав до нуля. Теперь ток начинает течь по витку, постепенно возрастая до своего максимума. Спустя четверть оборота снова происходит смена щеток, и так далее. Подробнее понять изменившиеся величины ЭДС можно из следующего графика.

Пульсации ЭДС на четырехвитковом генераторе

Получается, что щетки постоянно соединены с «активными проводниками», в которых ЭДС постоянно колеблется от Еmin до Еmax.

Во внешней цепи при этом ничего не меняется, из-за разбитого на четыре части коллектора. Ток продолжает течь все в том же направлении от щетки 2 к щетке 1. Он, как и прежде, будет пульсировать, и пульсации станут происходить в два раза чаще, однако разница максимальных и минимальных величин ЭДС будет значительно меньше, чем в предыдущем случае.

Идя дальше по этому принципу, и увеличивая количество вращающихся витков и коллекторных пластин можно добиться минимальной пульсации постоянного тока, то есть он действительно станет практически постоянным.

Интересно знать! Например, при количестве коллекторных пластин в 20 штук, колебание ЭДС не превысит 1%, что считается отличным показателем.

Продолжаем усложнять схему

Рассматривая предложенные схемы генераторов, не сложно догадаться, что хоть увеличенное количество витков и уменьшает пульсации, сам генератор становится все менее эффективным. Так как фактически щетки одномоментно контактируют только с одной рамкой, когда другие остаются неиспользуемыми. ЭДС одного витка невелика, поэтому и мощность генератора будет невысокой.

Чтобы использовать весь потенциал генератора, витки соединяют друг с другом последовательно по определенной схеме, а количество коллекторных пластин уменьшают до числа витков обмотки.

К каждой коллекторной пластине будет подходить начало одного витка и конец другого. При этом витки представляют собой источники тока, соединенные последовательно, и все вместе это называется обмотка якоря или ротора генератора. При таком соединении сумма ЭДС будет равна индуктируемым значениям в витках, включенных между щетками.

При этом количество витков делается достаточно большим, чтобы можно было получить требуемую мощность генератора. Именно по этой причине, особо мощные генераторы, например, от тепловозов, имеют очень большое количество пластин.

Выясняем, как устроен агрегат

Как любая электрическая машина, генератор постоянного тока состоит из якоря и статора.

Якорь собирается из стальных пластин с углублениями, в которые укладываются обмотки. Их концы подсоединяются к коллектору, состоящему из медных пластин, разделенных диэлектриком. Коллектор, якорь с обмотками и вал электрической машины после сборки становятся единым целым.

Статор генератора является одновременно и его корпусом, на внутренней поверхности которого закрепляется несколько пар постоянных или электрических магнитов. Обычно используются электрические, сердечники которых могут быть отлиты вместе с корпусом (для машин малой мощности) или набраны из металлических пластин.

Также на корпусе предусматривается место для крепления токосъемных щеток.
В зависимости от количества полюсов магнитов на статоре меняется и количество графитовых элементов. Сколько пар полюсов, столько и щеток.