Jak funguje stejnosměrný generátor?

Jak funguje DC generátor?

Definice DC generátoru

DC generátor je zařízení, které přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii stejnosměrnou pomocí principu elektromagnetické indukce.

Faradayho zákon

Tento zákon říká, že když vodič pohybuje v magnetickém poli, prořezává magnetické čáry síly, což indukuje elektromagnetickou sílu (EMF) v vodiči.

Velikost indukované EMF závisí na rychlosti změny magnetického toku spojeného s vodičem. Tato EMF způsobí proudový tok, pokud je obvod vodiče uzavřený.

Dvě nejdůležitější části generátoru jsou:

• Magnetické pole

• Vodiče, které se pohybují uvnitř tohoto magnetického pole.

Teď, když rozumíme základům, můžeme diskutovat o pracovním principu DC generátoru. Může vám také být užitečné se naučit o typech DC generátorů.

Princip jednosměrného obvodu

U DC generátoru s jedním obvodem rotace obvodu v magnetickém poli indukuje EMF a směr proudu je určen Flemingovým pravidlem pravé ruky.

Na obrázku výše je umístěn jeden obvod vodiče tvaru obdélníku mezi dvěma opačnými póly magnetu.

Zvažte obdélníkový obvod vodiče ABCD, který se otáčí uvnitř magnetického pole kolem své osy ab.

Když se obvod otáčí ze své svislé pozice do vodorovné, prořezává čáry síly pole. Během tohoto pohybu dva strany, tedy AB a CD, obvodu prořezávají čáry síly, což způsobí indukci EMF v obou stranách (AB a BC) obvodu.

Jelikož je obvod uzavřený, proběhne průběh proudem skrz obvod. Směr proudu lze určit podle Flemingova pravidla pravé ruky.

Tohle pravidlo říká, že pokud natáhnete palec, ukazovák a prostředník pravé ruky kolmo na sebe, pak palec ukazuje směr pohybu vodiče, ukazovák směr magnetického pole, tedy od N pólu k S pólu, a prostředník směr proudu skrz vodič.

Pokud teď použijeme toto pravidlo pravé ruky, uvidíme, že v této vodorovné poloze obvodu, proud teče od bodu A k B a na druhé straně obvodu, proud teče od bodu C k D.

Pokud nyní dovolíme, aby se obvod dále pohyboval, vrátí se znovu do své svislé pozice, ale nyní horní strana obvodu bude CD a spodní strana bude AB (přesně opačně než v předchozí svislé pozici).

V této poloze je tangenciální pohyb stran obvodu rovnoběžný s čárami síly pole. Proto nebude mít smysl prořezávání čar síly a následně nebude v obvodu žádný proud.

Pokud se obvod dále otáčí, vrátí se opět do vodorovné pozice. Ale nyní, strana AB obvodu přichází před N pól a CD před S pól, tedy přesně opačně než v předchozí vodorovné pozici, jak je znázorněno na vedlejším obrázku.

Zde je tangenciální pohyb stran obvodu kolmý na čáry síly; proto je rychlost prořezávání čar síly maximální a podle Flemingova pravidla pravé ruky, v této poloze proud teče od B k A a na druhé straně obvodu od D k C.

Pokud se obvod nadále otáčí kolem své osy, každýkrát, když strana AB přichází před S pól, proud teče od A k B. Opět, když přichází před N pól, proud teče od B k A.

Podobně, každýkrát, když strana CD přichází před S pól, proud teče od C k D. Když strana CD přichází před N pól, proud teče od D k C.

Pokud tento jev sledujeme jinak, můžeme usoudit, že každá strana obvodu, která přichází před N pól, proud teče tímto směrem, tedy dolů k referenční rovině.

Podobně, každá strana obvodu, která přichází před S pól, proud teče stejným směrem, tedy nahoru od referenční roviny. Z tohoto přejdeme k tématu principu DC generátoru.

Nyní je obvod otevřen a spojen s rozděleným kroužkem, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Rozdělené kroužky, vyrobené z vodičového válcového tělesa, jsou rozděleny na dvě půlky nebo segmenty izolované od sebe.

Připojujeme externí terminály zatížení s dvěma uhlíkovými kartáči, které spočívají na těchto rozdělených segmentech kluzných kroužků.

Komutátor a kartáče

Rozdělené kroužky (komutátory) a uhlíkové kartáče zajišťují, aby byl proud unidirekční, převracením spojení, když se obvod otáčí.

Pozice kartáčů

Kartáče jsou umístěny tak, aby byla EMF nulová, když je cívek kolmá na magnetické pole, což umožňuje hladký tok proudu.

Pracovní princip DC generátoru

Můžeme vidět, že v první polovině otáčky proud vždy teče po trase ABLMCD, tedy kartáč číslo 1 je v kontaktu s segmentem a. V další polovině otáčky, na obrázku, je směr indukovaného proudu v cívek obrácen. Ale současně se i pozice segmentů a a b obrátí, což znamená, že kartáč číslo 1 přichází do kontaktu s segmentem b.

Proto proud v zatížení opět teče od L k M. Vlnová forma proudu skrz okruh zatížení je znázorněna na obrázku. Tento proud je unidirekční.

Výše uvedený obsah je základní pracovní princip DC generátoru, vysvětlený modelem generátoru s jedním obvodem.

Pozice kartáčů DC generátoru jsou takové, aby přepínání segmentů a a b od jednoho kartáče na druhý probíhalo, když je rovina otáčející se cívek kolmá na rovinu čar síly. V této poloze je indukovaná EMF v cívek nulová.