چگونه یک ژنراتور مستقیم جریان کار می کند

ژنراتور دی سی کار می‌کند؟

تعریف ژنراتور دی سی

ژنراتور دی سی دستگاهی است که با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی مستقیم تبدیل می‌کند.

قانون فارادی

این قانون بیان می‌کند که وقتی رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، خطوط نیروی مغناطیسی را می‌برد و این عمل یک نیروی الکترومغناطیسی (EMF) در رسانا القا می‌کند.

اندازه EMF القایی به میزان تغییر در پیوند جریان مغناطیسی با رسانا بستگی دارد. این EMF اگر مدار رسانا بسته باشد، جریان الکتریکی ایجاد خواهد کرد.

دو قسمت اساسی یک ژنراتور عبارتند از:

• میدان مغناطیسی

• رساناهایی که در آن میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند.

اکنون که مبانی را درک کرده‌ایم، می‌توانیم اصول کار ژنراتور دی سی را بحث کنیم. شاید برای شما مفید باشد که در مورد انواع ژنراتورهای دی سی نیز مطالعه کنید.

عملکرد حلقه تک

در ژنراتور دی سی با حلقه تک، چرخش حلقه در یک میدان مغناطیسی EMF القا می‌کند و جهت جریان با قانون دست راست فلمینگ تعیین می‌شود.

در شکل بالا، یک حلقه رسانای مستطیل شکل بین دو قطب مخالف یک مغناطیس قرار گرفته است.

حلقه رسانای مستطیل شکل ABCD را در نظر بگیرید که در داخل میدان مغناطیسی حول محور ab چرخانده می‌شود.

وقتی حلقه از وضعیت عمودی به وضعیت افقی حرکت می‌کند، خطوط نیروی مغناطیسی را می‌برد. زیرا در طول این حرکت دو ضلع AB و CD حلقه خطوط نیروی مغناطیسی را می‌برند و بنابراین EMF در هر دو ضلع (AB و BC) حلقه القا می‌شود.

با بسته شدن حلقه، جریانی از حلقه عبور می‌کند. جهت جریان می‌تواند با قانون دست راست فلمینگ تعیین شود.

این قانون می‌گوید که اگر انگشت شست، انگشت اشاره و انگشت میانی دست راستتان را به صورت عمود بر هم ببسط دهید، انگشت شست جهت حرکت رسانا را نشان می‌دهد، انگشت اشاره جهت میدان مغناطیسی (از قطب N به قطب S) و انگشت میانی جهت جریان الکتریکی را نشان می‌دهد.

اکنون اگر این قانون دست راست را اعمال کنیم، خواهیم دید که در این وضعیت افقی حلقه، جریان از نقطه A به B و در طرف دیگر حلقه از نقطه C به D خواهد رفت.

اکنون اگر حلقه را بیشتر حرکت دهیم، دوباره به وضعیت عمودی خود می‌آید، اما این بار طرف بالایی حلقه CD و طرف پایینی AB (به طور مخالف وضعیت عمودی قبلی) خواهد بود.

در این وضعیت، حرکت مماسی اضلاع حلقه موازی با خطوط نیروی مغناطیسی میدان است. بنابراین هیچ برش خطوط نیرو وجود ندارد و در نتیجه هیچ جریانی در حلقه وجود ندارد.

اگر حلقه بیشتر چرخد، دوباره به وضعیت افقی می‌آید. اما این بار طرف AB حلقه در مقابل قطب N و CD در مقابل قطب S قرار می‌گیرد (به طور مخالف وضعیت افقی قبلی).

در اینجا حرکت مماسی اضلاع حلقه عمود بر خطوط نیروی مغناطیسی است؛ بنابراین میزان برش خطوط نیرو بیشترین است و بر اساس قانون دست راست فلمینگ، در این وضعیت جریان از B به A و در طرف دیگر حلقه از D به C خواهد رفت.

اکنون اگر حلقه به چرخش خود ادامه دهد. هر بار که طرف AB در مقابل قطب S قرار می‌گیرد، جریان از A به B خواهد رفت. دوباره وقتی در مقابل قطب N قرار می‌گیرد، جریان از B به A خواهد رفت.

به طور مشابه، هر بار که طرف CD در مقابل قطب S قرار می‌گیرد، جریان از C به D خواهد رفت. وقتی طرف CD در مقابل قطب N قرار می‌گیرد، جریان از D به C خواهد رفت.

اگر این پدیده را به طور متفاوت بررسی کنیم، می‌توانیم نتیجه بگیریم که هر بار که هر ضلع حلقه در مقابل قطب N قرار می‌گیرد، جریان از آن ضلع در جهت یکسان، یعنی به سمت پایین نسبت به صفحه مرجع، خواهد رفت.

به طور مشابه، هر بار که هر ضلع حلقه در مقابل قطب S قرار می‌گیرد، جریان از آن ضلع در جهت یکسان، یعنی به سمت بالا از صفحه مرجع، خواهد رفت. از این رو به موضوع اصل کار ژنراتور دی سی می‌رسیم.

اکنون حلقه باز می‌شود و با یک حلقه تقسیم‌شده به شکل زیر متصل می‌شود. حلقه‌های تقسیم‌شده از یک استوانه رسانا ساخته شده‌اند که به دو نیمه یا بخش تقسیم شده‌اند و از یکدیگر جدا شده‌اند.

ما اتصالات بار خارجی را با دو براش کربنی که روی این بخش‌های حلقه تقسیم‌شده قرار دارند، متصل می‌کنیم.

کمونوتاتور و براش‌ها

حلقه‌های تقسیم‌شده (کمونوتاتور) و براش‌های کربنی با معکوس کردن اتصالات هنگام چرخش حلقه، جریان را یک‌سویه نگه می‌دارند.

موقعیت براش‌ها

براش‌ها به گونه‌ای قرار داده شده‌اند که EMF در موقعیت عمودی حلقه نسبت به میدان مغناطیسی صفر باشد، این امر جریان را به صورت هموار اجازه می‌دهد.

اصل کار ژنراتور دی سی

می‌توانیم ببینیم که در نیمه اول چرخش، جریان همیشه از ABLMCD عبور می‌کند، یعنی براش شماره 1 با بخش a در تماس است.در نیمه بعدی چرخش، جهت جریان القایی در حلقه معکوس می‌شود. اما همزمان موقعیت بخش‌های a و b نیز معکوس می‌شود که نتیجه می‌دهد براش شماره 1 با بخش b در تماس باشد.

بنابراین، جریان در مقاومت بار دوباره از L به M خواهد رفت. موج جریان در مدار بار به شکل زیر نمایش داده شده است. این جریان یک‌سویه است.

محتوای بالا اصل کار ژنراتور دی سی را با استفاده از مدل ژنراتور تک حلقه توضیح می‌دهد.

موقعیت براش‌های ژنراتور دی سی به گونه‌ای است که تغییر بخش‌های a و b از یک براش به براش دیگر در زمانی که صفحه حلقه چرخان در زاویه قائمه با صفحه خطوط نیروی مغناطیسی قرار می‌گیرد، انجام می‌شود. در این موقعیت، EMF القایی در حلقه صفر است.