Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы получить электрический генератор, создающий во внешней цепи постоянный ток, необходимо контактные кольца заменить особым приспособлением - коллектором.

Из рис. 5.3 видно, что за один оборот рамки проводники АБ и ВГ дважды пересекают магнитное поле. В момент, когда рамка проходит нейтральное положение, направление э.д.с. в проводниках АБ и ВГ меняется. Чтобы получить постоянное направление тока во внешней цепи, необходимо в этот момент переключить концы рамки к проводам внешней цепи. Роль автоматического переключателя концов рамки и выполняет коллектор.

На рис. 5.3 изображен простейший коллектор, который состоит из двух полуколец, изолированных между собой и от вала. К одному полукольцу присоединяется один конец рамки (витка), к другому - другой. По полукольцам при вращении скользят неподвижные щётки Щ₁ и Щ₂. При вращении рамки по часовой стрелке в проводнике АБ (рис. 5.3.а), когда он проходит около северного полюса, индуктируется э.д.с., на­правленная от А к Б. В это время проводник ВГ проходит около южного полюса и в нем индуктируется э.д.с., направленная от В к Г. Обе эти э.д.с. складываются и создают ток во внешней цепи, направленный от щётки Щ₁ через нагрузку к щётке Щ₂. По мере вращения рамки наводимая в ней э.д.с. уменьшается. В момент, когда рамка займет вертикальное положение, э.д.с. будет равна нулю.

Щётки при этом находятся на изолирующих прокладках, которые разделяют полукольца.

При дальнейшем вращении рамки проводник ВГ будет проходить около северного полюса, а проводник АБ - около южного. Следовательно, проводники поменялись местами и направление э.д.с. в рамке изменилось. Казалось бы, направление тока во внешней цепи тоже должно измениться, но благодаря коллектору этого не происходит. При повороте рамки повернулись и полукольца. Щётка Щ₁ скользит теперь по полукольцу 2, а щётка Щ₂ - по полукольцу 1. Вследствие этого ток во внешней цепи не изменяет своего направления и по-прежнему проходит от щётки Щ₁ через нагрузку к щётке Щ₂.

Рисунок 5.3. Принцип преобразования переменного

тока в постоянный при помощи коллектора:

а - исходное положение рамки; б - положение рамки после поворота на 180°

Так как величина индуктируемой э.д.с. в рамке меняется, то меняется и величина тока в цепи. Изменение тока в зависимости от положения рамки можно изобразить кривой, приведенной на рис. 5.4.

В электрических генераторах, применяемых для практиче­ских целей, вместо рамки используется катушка, состоящая из большого числа витков (рис. 5.5). Эти витки наматываются на стальной цилиндр, который вращается между полюсами магнита. Все это приводит к тому, что э.д.с. такой машины резко возрастает.

Стальной цилиндр вместе с намотанными витками называется якорем.

Если в машине используется одна катушка, то хотя напряжение на зажимах, а следовательно, и ток в цепи получаются постоянными по направлению, их величины меняются, или, как принято говорить, пульсируют в широких пределах - от нуля до какого-то наибольшего значения и снова до нуля (рис. 5.4). Для уменьшения пульсаций тока в цепи на стальной цилиндр наматывают несколько катушек, взаимно смещенных на определенный угол.

Рис. 5.5. Рис. 5.6.

Принцип устройства однокатушечного Принцип устройства двухкатушечного

генератора постоянного тока генератора по­стоянного тока

На рис. 5.6 схематически изображен якорь с двумя катушками (1-1 и 2-2), смещенными на 90°. В данном случае коллектор состоит не из двух полуколец, а из четырех пластин (сегментов), изолированных между собой и от вала. По этим пластинам скользят при вращении якоря неподвижные щётки. К каждой пластине присоединяются концы катушек. Кривая изменения э.д.с. на зажимах щёток для этого случая показана на рис. 5.7.

Если сравнить кривые, изображенные на рис. 5.4 и 5.7, то видно, что во втором случае пульсация э.д.с. (а значит, и тока в цепи) меньше, чем в первом. При большем числе катушек, намотанных на якоре, можно получить еще менее пульсирующую э.д.с.

Для повышения напряжения на зажимах щеток необходимо катушки соединить в одну обмотку так, чтобы все катушки, намотанные на якорь, участвовали одновременно в создании э.д.с. Такие обмотки обычно используют в электрических генераторах промышленных типов.

Рис. 5.7. Кривая изменения э. д. с. на зажимах двухкатушечного генератора

Характерным для работы электрического генератора является: