Gazmarket59.ru

Газ Маркет 59
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое генератор тепловоза постоянного тока

Принцип действия и устройство генераторов постоянного тока

Генератор постоянного тока – это электротехническое оборудование, которое продуцирует напряжение постоянной величины. Устройство имеет довольно сложное техническое строение, которое можно назвать совершенством технической мысли.

  1. Принцип действия
  2. Характеристики и строение
  3. Электродвижущая сила
  4. Мощность оборудования и КПД
  5. Разновидности по способу возбуждения
  6. Область применения

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.

Читайте так же:
Генераторы переменного тока синхронные генераторы для тепловозов

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…

Генератор постоянного тока – принцип работы

Картинка ниже показывает одну петлю проводника прямоугольной формы, которая помещается между двумя противоположно расположенными полюсами магнита.

Упрощённая схема устройства генерации электричества: N, S – магнитные полюса; N, N1 – ось вращения рамочного проводника; A, B, C, D – контур рамочного проводника

Условно предполагается, что прямоугольная петля проводника (ABCD) вращается внутри магнитного поля вокруг собственной оси N – N1.

Момент, когда вращением петля проводника перемещается от вертикального положения в положение горизонтальное, происходит «разрез» линии потока магнитного поля. Учитывая наличие двух сторон петли проводника (AB и CD), «обрезка» линий магнитного потока формирует ЭДС по обеим сторонам.

Читайте так же:
Расположение выключателя для теплого пола

По мере прохождения цикла, естественным образом образуется циркуляция энергии. Направление тока, в данном случае, устанавливает правило правой руки Флеминга. Этот закон электродинамики гласит:

Если разложить ладонь правой руки большим, указательным, средним пальцами перпендикулярно относительно каждого из пальцев, направление большого пальца укажет движение проводника, указательного пальца — магнитного поля, среднего пальца — направление тока, текущего через проводник.

Наглядный пример применения правила Флеминга для правой руки, определяющего направление движения силовых полей. 1 – направление движения проводника, 2 – движение магнитного потока; 3 – движение энергии внутри проводника; 4, 5 – магнитные полюса

Теперь, когда учитывается применение правила Флеминга для правой руки, горизонтальное положение петли отметится протеканием энергии от зоны A к зоне B, тогда как на другой стороне контура энергетический потенциал фиксируется на участке от зоны C к зоне D.

При условии дальнейшего продолжения цикла (движения петли проводника), логичным видится возврат контура из горизонтального в вертикальное положение. Однако наверху теперь окажется сторона контура CD, тогда как сторона AB будет находиться внизу.

Тангенциальное движение сторон ротора

При таком положении контура, тангенциальное движение сторон петли отмечается параллельно линиям потока магнитного поля. Следовательно, «разрез» линий магнитного поля фиксироваться не будет. Такое состояние контура логически исключает появление тока в проводнике.

Продолжением цикла контур вновь переходит в горизонтальное положение. Однако теперь сторона AB петли контура окажется в зоне N полюса, а сторона CD в области полюса S. Выстраивается положение прямо противоположное предыдущему горизонтальному положению, как показано на картинке ниже.

Схематичный упрощённый пример, наглядно показывающий направление силовых потоков при горизонтальном расположении рамочного проводника. 1 – направление магнитного потока; 2 – движение энергии в зоне A – B; 3 – движение энергии в зоне C — D

Здесь тангенциальное движение сторон петли перпендикулярно линиям потока, поэтому скорость «обрезки» магнитного потока максимальна.

Тогда, исходя из правила правой руки Флеминга, указанное положение формирует ток, который течёт от зоны B к зоне A одной стороны контура и от зоны D к зоне C другой стороны контура.

Теперь, если цикл вращения рамки вокруг собственной оси продолжается, каждый раз, когда сторона АВ попадает в область полюса S, энергия течёт от зоны A к зоне B. Когда же эта сторона контура приходит в область полюса N, ток течёт от зоны B к зоне A. Аналогично процесс выглядит для противоположной стороны рамки.

Если обобщить это явление с учётом разных путей, напрашивается логичный вывод. Когда любая сторона петли попадает в область N полюса, энергия течёт через эту часть контура в одном направлении и продолжает своё движение в области S полюса, но уже в другом направлении.

В результате полного вращения, рамка контура по всему периметру находится под током, который можно снять для питания нагрузки.

Съём тока с генератора для питания нагрузки

Картинка ниже демонстрирует, как на первой половине оборота контура ток течёт через проводник (AB), снимается на щётку (1) и подаётся к нагрузке (LM) от которой следует далее к щётке (2) генератора.

Читайте так же:
Тепловое действие тока механизм применение

Следующая половина оборота контура меняет направление индуцированного тока на противоположное. В то же время положение сегментов a и b также меняется на противоположное.

Эта смена способствует вхождению щётки (2) в контакт с сегментом b. Следовательно, ток от сопротивления нагрузки течёт через щётку (2) и далее к проводнику CD. Волна от тока через цепь нагрузки показана на рисунке. Этот ток является однонаправленным.

Это базовый принцип работы генератора постоянного тока на основе модели с одним контуром. Положение щеток генератора постоянного тока фиксируется следующим образом:

Смена сегментов a и b и переход от одной щетки к другой происходит, когда плоскость вращающегося контура находится под прямым углом к плоскости магнитных линий. Если контур располагается в этом положении, индуцированная электродвижущая сила равна нулю.

Как возбудить генератор

Что же потребуется для возбуждения генератора. Как упоминалось ранее следует первым делом снять «шоколадку», так как причина поломки кроется в ней. Затем соединяются плюсовые контакты на обоих устройствах, а минусовые в регуляторе разрезается и соединяется с «массой» щеток.

На клемме «30» генератора заизолировать провод. К выводной цепи «15» подключить индикатор не менее 15 Ватт. Это относится к генераторам серии Г222. На других моделях агрегатов возбуждение проводится способом подключения к выводу «В».

Схема самовозбуждения генератора.

На схеме отмечены диоды, которые бывают только на современных типах генераторов, на более ранних версиях их нет. Правильнее сказать, что схема в которой нет этих диодов – классическая, с ними – более новая.

У некоторых моделей генераторов якоря имеют в конструкции щетки. Их тоже нужно снять, а таблетку высверлить. Один из контактов подключается к плюсу якоря через диод, второй – к минусу.

Ток начинает поступать не сразу, а только после набора определенного числа оборотов. Исходя из показаний тахометра можно определить, что подача пойдет только после 4 тыс. оборотов в минуту. То есть разгоняем двигатель до 4 000 появляется напряжение, сбрасываем обороты до 1 000 напряжение пропадет. Это и есть принцип выработки тока при самовозбуждении.

Некоторые марки авто имеют малооборотистую силовую установку. В таком случае для увеличения начально скорости вращения придется что-то проделать со шкивом. На обычных моторах проблем возникнуть не должно.

Разбираем далее. Важно знать, что на выходе генератора мы получим не 12 В. При отсутствии регулятора (таблетки) агрегат выдаст все, что сможет в зависимости от оборотов, временами даже до 30 В. Например, при старте этот показатель подпрыгивает до 36 В. Увидеть это можно, подключив лампу под соответствующее напряжение на вывода генератора. А после, постепенно падает до 20 вольт.

Конечно, схему можно и доработать. Например, путем добавления конденсатора на плюсовый провод идущий к якорю. Это нужно для того, чтобы при снижении числа оборотов мотора не падало напряжение. Качественный конденсатор также будет не лишним на выходе, это обеспечит сглаживание первого скачка напряжения и регулирование последующих спадов.

Читайте так же:
Тепловое реле или автоматический выключатель

Собирая такую схему стоит помнить о выдаче большого напряжения. Оно значительно выше нормальных 12 В, поэтому существует опасность спалить лампочку, ЭБУ и другую электронику автомобиля.

Помните! При работе от самовозбуждения генератор будет передавать всю выделяемую электроэнергию, которую сможет выработать, а это может вызвать сильный перегрев и самого агрегата. Небольшая перегрузка и можно идти за новым агрегатом. Соответственно применять такой способ рекомендуется только в случае крайней необходимости.

Принцип работы

Теперь разберем подробнее работу генератора переменного тока в автомобиле. При включении зажигания, на щеточный узел подается ток от аккумуляторной батареи. Через щеточный узел он попадает на медные контактные кольца, а затем на обмотку возбуждения ротора. Напомним, что ротор, по сути, является электромагнитом, который создает магнитное поле. Коленчатый вал через шкив и ременную передачу начинает вращать ротор. Вокруг ротора расположен статор, который от вращения начинает вырабатывать переменный ток. Когда вращение ротора достигает определенной частоты, обмотка возбуждения питается от самого генератора.

Через диодный мост переменный ток “выпрямляется” и преобразуется в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Так автомобильный генератор обеспечивает питание потребителей и подзаряжает аккумулятор. Регулятор напряжения изменяет работу обмотки возбуждения при возрастании частоты вращения ротора. Таким образом поддерживается стабильная нагрузка.

В салоне автомобиля на приборной панели есть контрольная лампа генератора, которая показывает состояние устройства. Например, лампа может загореться при обрыве ремня. Тогда питание сети будет идти только через аккумулятор. Продолжительность работы в этом случае будет зависеть от уровня заряда АКБ.

Виды тахогенераторов

Щеточный

Большинство используемых сегодня тахогенераторов — это щеточные устройства постоянного тока со статором с постоянным магнитом и намотанным вращающимся якорем.

Один конец якоря прикреплен к объекту, скорость которого измеряется, и якорь вращается в магнитном поле статора. Когда измеряемый объект вращается, вращение якоря тахогенератора индуцирует напряжение, и амплитуда напряжения пропорциональна скорости вращения.

Коммутатор преобразует переменный ток, генерируемый вращением, в постоянный ток, который может быть интерпретирован схемой вольтметра и преобразован в скорость. При изменении направления вращения изменяется полярность напряжения, поэтому тахогенераторы постоянного тока могут определять как скорость, так и направление вращения.

Схема — Устройство тахогенератора постоянного тока

Пример таких тахогенераторов:

К преимуществам генераторов постоянного тока относят:

  • Небольшой вес и компактность агрегата;
  • Возможность использовать в экстремальных условиях;
  • Отсутствие потерь, связанных с вихревыми токами.
  • Нелинейность выходной характеристики, малая мощность на выходе

Бесщеточный тахогенератор переменного тока

В тахогенераторах переменного тока нет щеток, и вместо них используются стационарный статор с обмоткой и ротор с постоянными магнитами. В этом случае вращающееся магнитное поле ротора вызывает напряжение в трехфазных обмотках статора.

Амплитуда и частота наведенного напряжения пропорциональны скорости вращения. Выходной переменный ток выпрямляется до постоянного напряжения, амплитуда которого пропорциональна скорости вращения, а выпрямленный выход проходит через сглаживающий фильтр для уменьшения пульсаций напряжения.

Поскольку переменный ток меняет полярность дважды за электрический цикл, тахогенератор переменного тока не может определять направление вращения вала. Но поскольку для них не требуются механические щетки, версии с переменным током обычно демонстрируют более длительный срок службы и более низкие требования к обслуживанию, чем тахогенераторы постоянного тока.

Читайте так же:
Тепловое реле по силе тока

Все эти устройства имеют намотанный статор. Эти модели также могут использоваться в качестве генераторов энергии, их качество позволяет использовать их для управления приводом. Отсутствие контакта (колец и щеток) придает этим генераторам хорошую стабильность и хорошую линейность выходного напряжения, но вариации концентричности и симметрии, а также неровности магнитной цепи могут вносить определенную степень искажения.

Некоторые генераторы переменного тока могут быть оснащены выпрямителем, с помощью которого можно обеспечить постоянный ток, пропорциональный скорости; в этом случае полярность постоянна и не зависит от направления вращения, поэтому привод не может установить направление вращения.

На линейность влияет выпрямитель, и наилучшие результаты достигаются при скорости выше определенного предела, который зависит от используемого выпрямителя, подаваемой мощности и выходного тока.

Схема — устройство тахогенератора переменного тока

  • Тахогенератор с тяговой крышкой генерирует выходное напряжение без пульсаций.
  • Стоимость генератора меньше.
  • Нелинейная зависимость возникает между выходным напряжением и входной скоростью, когда ротор вращается с высокой скоростью.

Основные конструктивные элементы

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

  • Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
  • Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

6. Расшифровка

Таблица 1 – Расшифровка буквенных и цифровых обозначений наименования турбогенератора

1. ТурбогенераторТ
2. Тип первичного двигателя
паровая турбинаГ
газовая турбинаВ
3. Охлаждение
газовоеГ
водородноеВ
форсированноеФ
Мощность, МВт[число]
Количество полюсов[число]

Примечание: буквенные обозначения в названии генератора записываются слитно, а числовые — через тире.

Примеры расшифровки наименований турбогенераторов:

  • Т-6-2 — турбогенератор мощностью 6 МВт с двумя полюсами;
  • ТП-12-2 — турбогенератор приводимый паровой турбиной, мощностью 12 МВт с двумя полюсами;
  • ТВС-30 — турбогенератор с водяным охлаждением, серия С, мощностью 30 МВт;
  • ТВ-60-2 — турбогенератор с водяным охлаждением, мощностью 60 и двумя полюсами;
  • ТВ2-100-2 — турбогенератор с водяным охлаждением, серия 2, мощностью 100 МВт, двумя полюсами;
  • ТВФ-63-2 — турбогенератор с водяным форсированным охлаждением, мощностью 63 МВт и двумя полюсами;
  • ТВВ-160-2 — турбогенератор с водородно-водяным охлаждением, мощностью 160 МВт и двумя полюсами;
  • ТГВ-300 — турбогенератор с газовым водородным охлаждением, мощностью 300 МВт.
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector