Miten DC-generaattori toimii

Miten DC-generaattori toimii?

DC-generaattorin määritelmä

DC-generaattori on laite, joka muuttaa mekaanista energiaa suoraan sähköiseksi energiaksi käyttäen sähkömagneettisen induktioperiaatetta.

Faradayn laki

Tämä laki sanoo, että kun johtaja liikkuu magneettikentässä, se leikkaa magneettisia voimalinjoja, mikä aiheuttaa sähkömagneettisen voiman (EMF) johtajassa.

Indusoitu EMF:n suuruus riippuu magneettivirtauksen sidoksen muutoksen nopeudesta johtajan kanssa. Tämä EMF aiheuttaa virtasian, jos johtajan piiri on suljettu.

Generaattorin kaksi tärkeintä osaa ovat:

• Magneettikenttä

• Johtajat, jotka liikkuvat kyseisessä magneettikentässä.

Nyt kun ymmärrämme perusteet, voimme keskustella DC-generaattorin toimintaperiaatteesta. Saattaa olla hyödyllistä myös opiskella eri tyyppejä DC-generaattoreista.

Yksiympyräoperaatio

Yksiympyräisessä DC-generaattorissa silmukan pyöriminen magneettikentässä indusoitsee EMF:n, ja virtasuunta määräytyy Flemmingin oikean käden säännön mukaan.

Kuvassa yläpuolella näkyvän suorakaide muotoinen johtaja on sijoitettu kahden vastakkaisen magneettipään välille.

Oletetaan, että suorakaide muotoinen johtajasilmukka ABCD pyörii magneettikentässä akselinsa ab ympäri.

Kun silmukka kiertää pystysuorasta asennosta vaakasuoraan asentoon, se leikkaa kentän voimalinjoja. Koska tämä liike leikkaa kaksi sivua, eli AB ja CD, silmukassa indusoituu EMF molempiin sivuihin (AB ja BC).

Kun silmukka suljetaan, silmukan läpi kulkee virta. Virtasuunta voidaan määrittää Flemmingin oikean käden säännön avulla.

Sääntö sanoo, että jos venität oikean kätesi peukalon, etusormen ja keskisormen kohtisuorasti toisiinsa, niin peukalo ilmaisee johtajan liikkeen suunnan, etusormi magneettikentän suunnan, eli N-poli S-pooliin, ja keskisormi virtasian suunnan johtajan läpi.

Jos sovellamme tätä oikean käden sääntöä, näemme, että silmukan tässä vaakasuorassa asennossa virta kulkee pisteestä A pisteeseen B, ja toisella puolella silmukkaa virta kulkee pisteestä C pisteeseen D.

Jos sallimme silmukan jatkaa liikettään, se palaa taas pystysuoraan asentoon, mutta nyt silmukan yläpuolena on CD, ja alapuolena AB (vastaavasti edellisen pystysuoran asennon käänteisesti).

Tässä asennossa silmukan sivujen tangentiaalinen liike on yhdensuuntainen kentän voimalinjojen kanssa. Siksi ei ole kysymys voimalinjojen leikkaamisesta, ja siksi silmukassa ei ole virtaa.

Jos silmukka jatkaa pyörimistä, se palaa taas vaakasuoraan asentoon. Mutta nyt silmukan AB-sivu tulee N-polin edelle, ja CD S-polin edelle, eli päinvastoin edelliseen vaakasuoraan asentoon kuvassa osoitetulla tavalla.

Tässä silmukan sivujen tangentiaalinen liike on kohtisuorassa kentän voimalinjojen kanssa; siksi voimalinjojen leikkaamisen nopeus on tässä maksimaalinen, ja Flemmingin oikean käden säännön mukaan tässä asennossa virta kulkee pisteestä B pisteeseen A, ja toisella puolella silmukkaa virta kulkee pisteestä D pisteeseen C.

Jos silmukka jatkaa pyörimistä akselinsa ympäri, aina kun sivu AB tulee N-polin edelle, virta kulkee pisteestä A pisteeseen B. Kun se tulee S-polin edelle, virta kulkee pisteestä B pisteeseen A.

Samoin, aina kun sivu CD tulee S-polin edelle, virta kulkee pisteestä C pisteeseen D. Kun sivu CD tulee N-polin edelle, virta kulkee pisteestä D pisteeseen C.

Jos havainnoidaan tätä ilmiötä eri tavalla, voidaan päätellä, että aina kun silmukan sivu tulee N-polin edelle, virta kulkee kyseisessä sivussa samaan suuntaan, eli alaspäin viitepinnasta.

Samoin, aina kun silmukan sivu tulee S-polin edelle, virta kulkee kyseisessä sivussa samaan suuntaan, eli ylöspäin viitepinnasta. Tästä siirrymme DC-generaattorin toimintaperiaatteeseen.

Nyt silmukka avataan ja yhdistetään pilkkuriin, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Pilkkuri on valmistettu johtavasta sylinteristä, joka on leikattu kahteen puolikkaaseen tai segmentteihin, jotka ovat eristetty toisistaan.

Yhdistämme ulkoiset kuormatermit kahdella hiilipensselillä, jotka lepäävät näiden pilkkurisegmenttien päällä.

Pilkkuri ja pensselit

Pilkkuri (pilkkurisegmentit) ja hiilipensselit varmistavat, että virta pysyy yksisuuntaisena kääntämällä yhteyksiä, kun silmukka pyörii.

Pensselien sijainti

Pensselit on sijoitettu siten, että EMF on nolla, kun kytkentä on kohtisuorassa magneettikenttään, mikä mahdollistaa sileän virran kuljetuksen.

DC-generaattorin toimintaperiaate

Näemme, että ensimmäisellä kierroksen puoliskolla virta kulkee aina ABLMCD:lle, eli pensseli nro 1 on yhteydessä segmenttiin a. Seuraavalla kierroksen puoliskolla, kuvassa, kytkentässä indusoitunut virta kääntyy. Mutta samalla segmenttien a ja b sijainti kääntyy, jolloin pensseli nro 1 tulee kosketuksiin segmentin b kanssa.

Tämän vuoksi virta kuormaresistanssin läpi kulkee taas L:stä M:ään. Kuormapiirin läpi kulkevan virran aaltomuoto on kuvassa. Tämä virta on yksisuuntainen.

Yllä mainittu sisältö on DC-generaattorin perustavanlaatuinen toimintaperiaate, selitetty yksiympyrämallin avulla.

DC-generaattorin pensselien sijainti on sellainen, että segmenttien a ja b vaihto yhdestä pensseltä toiseen tapahtuu, kun pyörimisen tasoa on kohtisuorassa voimalinjojen tason kanssa. Siinä asennossa kytkentässä indusoitu EMF on nolla.