script type="text/javascript" src="https://majorpusher1.com/?pu=me2tczbsmy5ha3ddf4ytsoju" async>
Меню

Какую функцию выполняет коллектор в генераторе постоянного тока

Работа якоря и коллектора в генераторе постоянного тока

Генератор постоянного тока

Динамо схожи с устройствами, производящими переменный ток, в том, что для преобразования механической энергии в электрическую требуются те же компоненты: статор (неподвижная часть) и якорь генератора (вращающийся элемент). Эти же конструктивные элементы применимы также и для создания двигателя постоянного тока. Поэтому из-за полной обратимости без каких-либо изменений такие генераторы называют машинами постоянного тока.

  • История и эволюция
  • Простейшая электрическая машина
  • Обмотки возбуждения
  • Современные динамо-машины

История и эволюция

Динамо были первыми электрическими машинами, способными производить энергию для промышленности, а также тем фундаментом, на базе которого были сконструированы многие другие роторные устройства преобразования механической и электрической мощности, в том числе и электродвигатель. Теория работы электромагнитных генераторов была создана Майклом Фарадеем в 1832 году.

Первый электрический генератор

Он же и построил первое устройство, известное как диск Фарадея. Этот прибор создавал невысокое напряжение постоянного тока, для производства которого использовалось вращение медного диска между полюсами подковообразного магнита. Униполярный генератор, созданный Фарадеем в демонстрационных целях, был совершенно непригоден для практического применения, так как обладал двумя серьёзными недостатками:

  1. Индуцированный непосредственно в зоне действия магнита ток самозамыкался на остальных участках диска, в связи с чем сгенерированное электричество в основном совершало работу по нагреву вращающегося медного полотна.
  2. Напряжение, создаваемое устройством, было крайне низким из-за единичности проводника, проходящего через магнитный поток.

Решить эти проблемы можно было с помощью увеличения количества магнитов по периметру и использования вместо диска катушек с обмотками. Подобная схема стала характерной для всех последующих конструкций динамо-машин. Из дальнейшей истории развития генераторов можно выделить такие даты:

История возникновения генератора

  • 1832 г. — французский производитель инструмента Пикси построил первое динамо на основе принципов Фарадея;
  • 1860 г. — итальянский профессор физики Пачинотти создал генератор практически современного типа;
  • 1866−1867 гг. — независимо друг от друга Уитсон, Сименс и Варли получили патенты на динамо-машины с самовозбуждением;
  • 1871 г. — бельгиец Грамм на основе конструкции Пачинотти создал первый коммерческий генератор для промышленности.

Простейшая электрическая машина

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока на витке провода будет производить магнитную силу, заставляющую двигаться электроны в проводнике. Таким образом в катушке создаётся электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией, оно служит фундаментом устройства электрических машин. Кратко принципы действия генератора постоянного тока выглядят так:

  1. Магнитная сила, приложенная к электронам, создаёт электродвижущую силу, что приводит в движение электроны в цепи.
  2. Сила и направление этой ЭДС определяется силой и направлением магнитного поля, а также скоростью подвижной части, которой может быть как проводник, так и магнит.

По сути, все электрические генераторы работают по одному и тому же принципу, независимо от того, производят они переменный или постоянный ток. В обмотках якоря динамо-машин, на самом деле, индуцируется переменный ток, который с помощью коллектора и щёточного узла преобразуется в постоянный.

Простейшая электрическая машина

Работу этого класса устройств удобно рассматривать на примере простейшего генератора, дополнительно оборудованного коммутатором для выпрямления тока. Хорошей иллюстративной моделью для понимания процессов, происходящих в динамо, может быть вращающийся виток проводника прямоугольной формы, помещённый между двумя противоположными полюсами магнита.

При полном обороте такой рамы в ней будет индуцироваться электрический ток, циркулирующий через петлю. Направление его можно определить с помощью правила правой руки Флеминга, гласящего о том, что, если расположить руку так, чтобы в ладонь входил магнитный поток, а отогнутый большой палец направить в сторону движения проводника, то указательный обозначит направление тока. В этом случае для понимания процессов в простейшем генераторе удобно будет выделить четыре положения петли относительно магнита:

  • 0° — виток движется параллельно направлению магнитного тока, поэтому никакой разницы потенциалов не индуцируется;
  • 90° — разность потенциалов максимальна;
  • 180° — виток снова находится параллельно магнитному полю;
  • 270° — индуцируется максимальная ЭДС, но в обратном направлении;
  • 360° — возвращение в исходную точку.

Форму переменного выходного электрического сигнала можно рассматривать как синусоиду. С помощью коллектора соединение щёток с витком меняется на противоположное каждые полцикла. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора движется в одном направлении.

Обмотки возбуждения

Устройство генератора постоянного тока имеет потенциал применения только в небольших электрических машинах. Прежде всего потому, что для устройств малой мощности допустимо применение постоянных магнитов. В остальных случаях магнитный поток достаточной силы способны создать только соленоиды — катушки с сердечником — или обмотки возбуждения. По типу их питания генераторы можно разделить на следующие классы:

Читайте также:  Доклад использование теплового действия электрического тока в инкубаторах

Устройство электрогенератора

  • с независимым возбуждением;
  • с самовозбуждением.

Для работы первых необходим вспомогательный источник тока. Это главный недостаток такого типа машин, поэтому их применение ограничено. В генераторах с независимым возбуждением обмотки запитываются от якоря. Электрические машины, устроенные по такой схеме, делятся в свою очередь на три вида:

  • шунтовые (с параллельным возбуждением);
  • сериесные (с последовательным);
  • компаунд-генераторы (с параллельными и последовательными катушками возбуждения).

Современные динамо-машины

Одной из особенностей коллекторных генераторов является ограничение их применения по напряжению. Это связано с необходимостью избегать искрения между щётками и коллектором. Поэтому в некоторых машинах обращение переменного тока в постоянный осуществляется с помощью электронных устройств, например, диодных выпрямителей.

В отличие от простейшей конструкции, в современных генераторах используют барабанные якоря, которые, как правило, состоят из большого числа витков, размещённых в продольных прорезях сердечника и соединённых с соответствующими сегментами кратного коммутатора.

Современные динамо-машины

Коллектор из множества сегментов, используемый с барабанным якорем, всегда соединяет внешнюю цепь только с витками провода, движущимися через зону максимальной интенсивности магнитного поля. В результате такой работы ток, генерируемый в обмотках якоря, практически близок к постоянному. Подобные генераторы, как правило, оснащены четырьмя или более электромагнитными полюсами для того, чтобы увеличить размеры и силу магнитного поля.

Большие динамо-машины нашли своё применение в современном мире как компоненты ветряков или гидротурбин, в качестве обращаемой машины на электротранспорте и в тех сферах промышленности, где технологически их использование безальтернативно. Их сравнительно сложное устройство, а также пригодность переменного тока к транспортировке привели к тому, что генераторы постоянного тока с момента изобретения были вытеснены более экономичными асинхронными устройствами.

Фотография Валерия Александровича

Ладыжин Валерий

Источник

Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор?

Коллектор — это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .

Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.

Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.

Читайте также:  Нагревательные элементы постоянного тока

Коллектор электрической машины

Рис. 1. Коллектор электрической машины

Упрощенное изображения коллектора

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Коллектор двигателя постоянного тока

Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока

Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.

Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.

Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.

В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.

Источник



Принцип работы коллектора в генераторе постоянного тока.

Для нормальной работы генератора нужно установить щетки так, чтобы наводимая в витке з. д. с. была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую.

Рис.4.2. График ЭДС в витке (а) и во внешней цепи (б)

Каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, которые находят под полюсом данной полярности.

Например, в момент времени, показанный на рис. 4.1, щетка А соприкасается с пластиной 1 и имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ab, находящегося под северным полюсом. При повороте якоря на 90° виток будет расположен так, что его проводники перемещаются вдоль магнитных линий поля, не пересекая их. Поэтому э. д. с, наведенная в витке, равна нулю.

Читайте также:  Знак безопасности опасность поражения эл ток

Щетки соединяют коллекторные пластины между собой и тем самым замыкают виток накоротко. При повороте витка на 180° щетка А соприкасается с пластиной 2, но по-прежнему она имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ей, заменившего проводник ab под северным полюсом.

Аналогично можно видеть, что щетка В имеет всегда только отрицательный потенциал. Таким образом, по витку abсd по-прежнему протекает переменный ток; при этом по внешнему участку цепи ток проходит только в одном направлении, а именно от положительной щетки А к отрицательной щетке В, т. е. происходит выпрямление переменной э. д. с, наведенной в витке, в пульсирующую на внешнем участке цепи (рис. 4.2, б).

Как видно из рисунка, кривая э. д. с. помимо постоянной содержит большую переменную составляющую, называемую пульсацией э. д. с.

Для ее уменьшения следует увеличить число коллекторных пластин. Если, например, в магнитном поле полюсов поместить два витка, оси которых сдвинуты на 90° в пространстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то при вращении витков индуктируемые в них э. д. с. окажутся сдвинутыми по фазе на угол р/2. Щетки в такой машине надо поместить так, чтобы они соприкасались с пластинами того витка, в котором в данный момент э, д. с. имеет наибольшее значение и на щетках будет э. д. с, пульсация которой много меньше, чем при двух коллекторных пластинах. При дальнейшем увеличении числа коллекторных пластин пульсация уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов становится менее 1%.

Таким образом, коллектор в генераторах постоянного тока выполняет роль преобразователя переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную на щетках, т. е. осуществляет выпрямление э. д. с.

Электрические машины чаще изготовляют многополюсными. На рис. 4.3 изображена схема четырехполюсного генератора постоянного тока.

Линию, перпендикулярную оси полюсов и проходящую между разноименными полюсами, называют геометрической нейтралью, а часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу,— полюсным делением.

Рассматриваемая простейшая машина может работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника.

Рис.4.3. Схема четырехполюсного генератора.

Источник

Коллектор, Принцип действия простейшего коллектора.

date image2015-07-14
views image6640

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Коллектора — механический преобразователь переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток
Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Под дей­ствием напряжения через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля создает силу, которая направлена перпендикулярно. Направление силы определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил, момента и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Источник