Činnost generátoru je založena na použití zákona elektromagnetické indukce, podle kterého se ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli a procházejícím magnetickým tokem indukuje emf.
Jednou z hlavních částí stejnosměrného stroje je magnetický obvod, přes který se uzavírá magnetický tok. Magnetický obvod stejnosměrného stroje (obr. 1) se skládá z pevné části – statoru 1 a rotační části – rotoru 4. Stator je ocelové pouzdro, ke kterému jsou připevněny další části stroje včetně magnetických pólů 2. An na magnetických pólech 3 je namontováno budicí vinutí, napájené stejnosměrným proudem a vytvářející hlavní magnetický tok Ф0.
Rýže. 1. Čtyřpólový magnetický obvod stejnosměrného stroje
Rýže. 2. Plechy, ze kterých je sestaven magnetický obvod rotoru: a – s otevřenými drážkami, b – s polouzavřenými drážkami
Rotor stroje je sestaven z lisovaných ocelových plechů s drážkami po obvodu a s otvory pro hřídel a ventilaci (obr. 2). Ve štěrbinách (5 na obr. 1) rotoru je uloženo pracovní vinutí stejnosměrného stroje, tj. vinutí, ve kterém je indukován hlavní magnetický tok, např. d.s. Toto vinutí se nazývá vinutí kotvy (proto se rotor stejnosměrného stroje běžně nazývá kotva).
Hodnota e. d.s. DC generátor se může měnit, ale jeho polarita zůstává konstantní. Princip činnosti stejnosměrného generátoru je znázorněn na Obr. 3.
Póly permanentního magnetu vytvářejí magnetický tok. Představme si, že vinutí kotvy se skládá z jednoho závitu, jehož konce jsou připevněny k různým od sebe izolovaným polokroužkům. Tyto půlkroužky tvoří kolektor, který se otáčí s cívkou kotvy. Pevné kartáče přitom kloužou po sběrači.
Když se cívka otáčí v magnetickém poli, indukuje se v ní e. d. s
kde B je magnetická indukce, l je délka vodiče, v je jeho lineární rychlost.
Když se rovina cívky shoduje s rovinou osy pólů (cívka je umístěna svisle), vodiče protínají maximální magnetický tok a indukuje se v nich maximální hodnota e. d.s. Když cívka zaujímá vodorovnou polohu, např. d.s. ve vodičích je nula.
Směr e. d.s. ve vodiči je určeno pravidlem pravé ruky (na obr. 3 je znázorněno šipkami). Když při otáčení cívky vodič prochází pod jiným pólem, směr e. d.s. je to obrácené. Ale protože se komutátor otáčí spolu s cívkou a kartáče jsou stacionární, vodič pod severním pólem je vždy připojen k hornímu kartáči, např. d.s. který směřuje pryč od štětce. V důsledku toho zůstává polarita kartáčů nezměněna, a proto zůstává nezměněna ve směru e. d.s. na štětce – napřщ (Obr. 4).
Rýže. 3. Nejjednodušší stejnosměrný generátor
Rýže. 4. Změna v čase emf. nejjednodušší DC generátor
Ačkoli e. d.s. Nejjednodušší stejnosměrný generátor je konstantní ve směru, mění hodnotu, přičemž maximální hodnotu nabere dvakrát a dvakrát nulu v jednom otočení cívky. E. d. s. s tak velkým zvlněním je pro většinu stejnosměrných přijímačů nevhodný a v užším slova smyslu ho nelze nazvat konstantní.
Pro snížení zvlnění je vinutí kotvy stejnosměrného generátoru vyrobeno z velkého počtu závitů (cívek) a kolektor je vyroben z velkého počtu vzájemně izolovaných kolektorových desek.
Uvažujme proces vyhlazování pulsací na příkladu vinutí prstencové kotvy (obr. 5), sestávajícího ze čtyř cívek (1, 2, 3, 4), každá po dvou závitech. Kotva se otáčí ve směru hodinových ručiček s frekvencí n a e se indukuje ve vodičích vinutí kotvy umístěných na vnější straně kotvy. d.s. (směr vyznačený šipkami).
Vinutí kotvy je uzavřený obvod sestávající ze závitů zapojených do série. Ale s ohledem na kartáče jsou vinutí kotvy dvě paralelní větve. Na Obr. 5, a jedna paralelní větev se skládá z cívky 2, druhá – z cívky 4 (u cívek 1 a 3 se emf neindukuje a jsou na obou koncích spojeny s jedním kartáčem). Na Obr. 5, b, je kotva znázorněna v poloze, kterou zaujímá po 1/8 otáčky. V této poloze sestává jedna paralelní větev vinutí kotvy z cívek 1 a 2 zapojených do série a druhá sestává z cívek 3 a 4 zapojených v sérii.
Rýže. 5. Schéma nejjednoduššího stejnosměrného generátoru s prstencovou kotvou
Každá cívka během rotace kotvy vůči kartáčům má konstantní polaritu. Změna e. d.s. cívky v čase při rotaci kotvy je znázorněno na Obr. 6, a. E. d. s. na kartáčích je e. d.s. každá paralelní větev vinutí kotvy. Z Obr. 5 ukazuje, že e. d.s. paralelní větev je rovna nebo e. d.s. jedna cívka nebo součet e. d.s. dvě sousední cívky:
V důsledku této pulzace e. d.s. vinutí kotvy znatelně ubývá (obr. 6, b). Se zvýšením počtu závitů a kolektorových desek je možné získat prakticky konstantní e. d.s. kotevní vinutí.
Konstrukce stejnosměrných generátorů
V procesu technologického pokroku v elektrotechnice se konstrukce stejnosměrných strojů mění, i když hlavní detaily zůstávají stejné.
Zvažte zařízení jednoho z typů stejnosměrných strojů vyráběných průmyslem. Jak bylo naznačeno, hlavními částmi stroje jsou stator a kotva. Stator 6 (obr. 7), vyrobený ve formě ocelového válce, slouží jak k upevnění dalších dílů, tak k ochraně proti mechanickému poškození a je pevnou součástí magnetického obvodu.
Ke statoru jsou připevněny magnetické póly 4, kterými mohou být permanentní magnety (u strojů s nízkým výkonem) nebo elektromagnety. V druhém případě je budicí vinutí 5 namontováno na pólech, napájeno stejnosměrným proudem a vytváří magnetický tok, který je stacionární vůči statoru.
Při velkém počtu pólů jsou jejich vinutí zapojena paralelně nebo sériově, ale tak, aby se střídal severní a jižní pól (viz obr. 1). Mezi hlavními póly jsou přídavné póly s jejich vinutím. Ložiskové štíty 7 jsou připevněny ke statoru (obr. 7).
Kotva 3 stejnosměrného stroje je vyrobena z ocelového plechu (viz obr. 2) pro snížení výkonových ztrát a od vířivých proudů. Listy jsou od sebe izolovány. Kotva je pohyblivá (otočná) část magnetického obvodu stroje. Vinutí kotvy, neboli pracovní vinutí 9, je uloženo v drážkách kotvy.
Rýže. 6. Změna časového emf z cívek a vinutí prstencové kotvy
V současné době se vyrábí stroje s kotvovým a bubnovým vinutím. Dříve uvažované vinutí prstencové kotvy má tu nevýhodu, že např. d.s. se indukuje pouze ve vodičích umístěných na vnějším povrchu kotvy. Proto je aktivní pouze polovina vodičů. Ve vinutí bubnové kotvy jsou všechny vodiče aktivní, tzn., aby vytvořily stejný e. d.s., stejně jako u stroje s prstencovou kotvou, je zapotřebí téměř dvakrát méně materiálu vodiče.
Vodiče vinutí kotvy umístěné v drážkách jsou vzájemně propojeny čelními částmi závitů. Každý slot obvykle obsahuje několik vodičů. Vodiče jednoho slotu jsou spojeny s vodiči jiného slotu a tvoří sériové spojení nazývané cívka nebo sekce. Sekce jsou zapojeny do série a tvoří uzavřený okruh. Pořadí připojení musí být takové, aby např. d.s. ve vodičích zahrnutých v jedné paralelní větvi, měl stejný směr.
Na Obr. 8 znázorňuje nejjednodušší vinutí bubnové kotvy dvoupólového stroje. Plné čáry znázorňují napojení sekcí k sobě ze strany kolektoru a tečkované koncové spoje vodičů z opačné strany. Z míst připojení sekcí jsou provedeny odbočky ke kolektorovým deskám. Směr e. d.s. ve vodičích vinutí je znázorněno na obrázku: “+” – směr od čtečky, “•” – směr ke čtečce.
Vinutí takové kotvy má také dvě paralelní větve: první, tvořená vodiči drážek 1, 6, 3, 8, druhá – vodiči drážek 4, 7, 2, 5. Když kotva se otáčí, kombinace drážek, jejichž vodiče tvoří paralelní větev, se neustále mění, ale vždy je paralelní větev tvořena vodiči čtyř drážek, zaujímající konstantní polohu v prostoru.
Rýže. 7. Zařízení stejnosměrného stroje kotvy bubnového typu
Rýže. 8. Nejjednodušší vinutí
Továrně vyráběné stroje mají po obvodu kotvy bubnu desítky nebo stovky drážek a počet kolektorových desek se rovná počtu sekcí vinutí kotvy.
Kolektor 1 (viz obr. 7) se skládá z měděných desek navzájem izolovaných, které jsou připojeny k připojovacím bodům sekcí vinutí kotvy, a slouží k převodu proměnné e. Obr. d.s. ve vodičích vinutí kotvy na konstantní e. d.s. na kartáčích 2 generátoru nebo přeměnou stejnosměrného proudu přiváděného do motorových kartáčů ze sítě na střídavý proud ve vodičích vinutí kotvy motoru. Kolektor se otáčí s kotvou.
Při otáčení kotvy kloužou po kolektoru pevné kartáče 2. Kartáče jsou grafitové a měděné grafitové. Jsou namontovány v držákech kartáčů, které umožňují rotaci o určitý úhel. Ke kotvě je připojeno oběžné kolo 8 pro ventilaci.
Klasifikace a parametry stejnosměrných generátorů
Klasifikace stejnosměrných generátorů je založena na typu zdroje energie budícího vinutí. Rozlišovat:
1. generátory s nezávislým buzením, jejichž budicí vinutí je napájeno z externího zdroje (baterie nebo jiného zdroje stejnosměrného proudu). U generátorů s nízkým výkonem (desítky wattů) může být hlavní magnetický tok vytvořen permanentními magnety,
2. generátory s vlastním buzením, jejichž budicí vinutí je napájeno samotným generátorem. Podle schématu zapojení kotvového a budícího vinutí ve vztahu k vnějšímu obvodu existují: paralelní budicí generátory, u kterých je budicí vinutí zapojeno paralelně s vinutím kotvy (šuntové generátory), sériové budicí generátory, u kterých tyto vinutí jsou zapojena do série (sériové generátory), generátory smíšeného buzení, ve kterých je jedno budicí vinutí zapojeno paralelně s vinutím kotvy a druhé sériově (složené generátory).
Jmenovitý režim stejnosměrného generátoru je určen jmenovitým výkonem – výkonem daným generátorem přijímači, jmenovitým napětím na svorkách vinutí kotvy, jmenovitým proudem kotvy, budícím proudem, jmenovitými otáčkami kotvy. Tyto hodnoty jsou obvykle uvedeny v pasu generátoru.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
