Основные элементы конструкции генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский Государственный Технический Университет

Энергетический факультет

Кафедра электропривода и электрического транспорта

 

 

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Основные элементы конструкции генератора постоянного тока параллельного возбуждения

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                  

 

 

 

                                                  Проверил профессор каф. ЭиЭТ :

Константинов Г.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Генератор постоянного тока — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Якорь генератора приводится во вращение двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели, двигатели внутреннего сгорания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Продольные и поперечые разрезы машины постоянного тока

Неподвижная часть машины состоит из главных полюсов, дополнительных полюсов  и станины. Главный полюс представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток. Он состоит из сердечника, обмотки возбуждения и полюсного наконечника. Полюсы крепятся на станине с помощью болта. Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса помечена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолированного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются последовательно, образуя обмотку возбуждения. Ток, протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный наконечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечивает равномерное распределение магнитного поля под полюсом. Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги. Добавочные полюсы имеют также сердечник и обмотку.

Добавочные полюсы устанавливают в средних точках меж главными полюсами, и число их может быть либо равным число главных полюсов, либо вдвое меньшим. Добавочные полюсы устанавливают в машинах больших мощностей, и они служат для уст ранения искрения под щетками. В машинах малых мощности добавочных полюсов обычно нет. Станина отливается из стали и является остовом машины, На станине крепят главные и добавочные полюсы, а также на торцовых сторонах боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины. С помощью станины машина крепится на фундаменте.

Якорь состоит из сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на станках по шаблону; они имеют пазы, в которых укладываются проводники обмотки якоря. В теле якоря делают воздушные каналы для охлаждения обмотки и сердечника якоря.

Обмотку якоря выполняют из медного изолированного провода или из медных стержней прямоугольного поперечного сечения. Она состоит из секций, изготовленных на специальных шаблонах и укладываемых в пазах сердечника якоря. Одновитковая секция состоит из двух активных проводов, соединенных между собой. Секции могут иметь не один, а много витков. Такие секции называются многовитковыми. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями. Лобовые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, соединяются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь. Провода, соединяющие две секции, следующие одна за другой по схеме обмотки, присоединяются к коллекторным пластинам.

Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдельных пластин. Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди и изолируют между собой и от корпуса прокладками из миканита. Для крепления на втулке коллекторным пластинам придают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между выступом на втулке и шайбой, имеющими форму, соответствующую форме пластины. Шайба крепится к втулке болтами.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое переходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения — бронзо-графитные щетки. Щетки помещают в щеткодержателях. Щетка, помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной  к коллектору. На каждом щеткодержателе может находиться несколько щеток, включенных параллельно.

Щеткодержатели укрепляются на щеточных болтах-пальцах, которые, в свою очередь, закреплены на траверсе. Для укрепления на щеточном пальце щеткодержатель имеет отверстие. Щеточные пальцы изолируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов. Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в машинах больших мощностей. Траверсу можно поворачивать и этим изменять положение щеток относительно полюсов. Обычно траверса устанавливается в таком положении, при котором расположение щеток в пространстве совпадает с расположением средних точек главных полюсов.

 

 

 

 

 

 

 

Принцип действия

Принцип действия генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Для рассмотрения принципа действия воспользуемся упрощённой моделью коллекторной машины.

 

 

 

 

 

 

Между двумя полюсами постоянного магнита расположена вращающаяся часть якорь. Вал якоря при помощи ременной передачи механически связан с приводным двигателем, в качестве которого может быть использован двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель. Под действием вращающего момента приводного двигателя, якорь генератора приводится во вращение. В двух продольных пазах цилиндра якоря расположена обмотка в виде витка проволоки концы которой присоедини к двум медным полукольцам изолированными друг от друга и остального цилиндра. Эти два полукольца образуют простейший коллектор. На его поверхность наложены щётки к которым присоедини внешняя цепь генератора и нагрузка. В процессе работы генератора якорь вращается и проводники его обмотки поочерёдно замыкают положение в магнитном поле с разными значениями магнитной индукции, а поэтому в обмотке якоря наводится переменное ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи генератора был бы переменным. Но по средствам коллектора и щёток, переменный ток в обмотке якоря преобразуется в пульсирующий, т.е ток не изменений по направлению. После того как якорь повернётся на 180 градусов направление токов витке измениться на обратное, однако полярность щеток, а следовательно и направление тока во внешней части цепи остаются неизменными. Объясняется это тем, что в тот момент когда ток в витке меняя свое направление происходит смена коллекторных пластин под щётками. В результате полярность щеток в процессе работы генератора остаётся неизменным независимо от положения витка в магнитном поле, благодаря этому электрический ток во внешней цепи генератора становится неизменным по направлению. Таким образом, при помощи коллектора и щеток в генераторе постоянного тока происходит преобразование переменного тока в обмотке якоря в пульсирующий ток во внешнем участке цепи. Пульсации тока во внешней цепи генератора можно уменьшить, если применить обмотку якоря из нескольких равномерно распределенных по якорю витков. Каждый из которых присоединён к соответствующей паре коллекторных пластин и уже при 16 витках в обмотке (16 коллекторных пластин) пульсация становиться не заметной и ток во внешней цепи генератора (нагрузки) можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине.

Генератора параллельного возбуждения

В генераторе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы потребителей электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора, несмотря на изменение общей нагрузки. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения. Обычно ток возбуждения у генераторов с параллельным возбуждением составляет лишь 2,5% от номинального тока якоря.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Схема генератора с параллельным возбуждением

Реостаты возбуждения имеют, как правило, холостые контакты, при помощи которых можно осуществить короткое замыкание обмотки возбуждения «на себя». Это необходимо при отключении обмотки возбуждения. Если выключить обмотку возбуждения путём разрыва её цепи, то исчезающее магнитное поле создаст очень большую ЭДС самоиндукции, способную пробить изоляцию обмотки и вывести генератор из строя. При коротком замыкании обмотки возбуждения при её отключении энергия исчезающего магнитного поля переходит в тепло, не причиняя вреда обмотке возбуждения, так как ЭДС самоиндукции не превысит номинального напряжения на зажимах генератора.

Самовозбуждение генератора возможно при выполнении трех условий:

1) наличие потока остаточного  намагничивания полюсов Фост

2) согласное направление  магнитного потока остаточного  намагничивания и магнитного  потока, создаваемого обмоткой возбуждения  генератора;

3) сопротивление цепи  возбуждения rв должно быть ниже некоторого критического значения, а частота вращения должна быть не ниже номинального значения.

 

 

В электрической машине практически всегда существует небольшой, порядка (2...5)% от номинального, поток остаточного намагничивания. Если в генераторе такой поток отсутствует, то необходимо его намагнитить, пропустив ток по обмотке возбуждения от постороннего источника. Если привести якорь генератора во вращение с частотой, равной номинальной, то под действием потока остаточного намагничивания в обмотке якоря возникает небольшая ЭДС Eост=сеnФост равная (2...5)% от Uн. Под действием этой ЭДС по цепи возбуждения потечет ток, который создает добавочный поток намагничивания Фдоб

Ток, создающий Фдоб, равен:

 

 

 

 

где rв=rрв+rшо  rрв — сопротивление регулировочного реостата; rшо — сопротивление параллельной обмотки возбуждения; rа — сопротивление цепи якоря.

 

В зависимости от направления тока Iв в обмотке возбуждения поток Фдоб может быть направлен либо встречно относительно Фоcт, либо согласно с ним. При встречном направлении Фост и Фдоб  процесс самовозбуждения идти не будет, т.к. не выполняется второе условие. В этом случае необходимо поменять направление тока Iв , переключив концы питания обмотки возбуждения. Если потоки направлены согласно, то развивается процесс самовозбуждения.

При выполнении двух первых условий процесс самовозбуждения будет развиваться до определенного предела. Этот предел зависит от сопротивления цепи возбуждения rв, вида ее вольт-амперной характеристики и вида характеристики холостого хода