Hoe werkt een gelijkstroomgenerator

Hoe werkt een DC-generator?

Definitie van een DC-generator

Een DC-generator is een apparaat dat mechanische energie omzet in directe elektrische energie door gebruik te maken van het principe van elektromagnetische inductie.

Wet van Faraday

Deze wet stelt dat wanneer een geleider zich in een magnetisch veld beweegt, deze magnetische lijnen van kracht doorsnijdt, wat een elektromagnetische kracht (EMK) in de geleider induceren.

De grootte van de geïnduceerde EMK hangt af van de snelheid waarmee de magnetische fluxlinkage met de geleider verandert. Deze EMK zal een stroom veroorzaken als het geleiderschakeling gesloten is.

De twee meest essentiële delen van een generator zijn:

• Het magnetisch veld

• Geleiders die zich binnen dat magnetisch veld bewegen.

Nu we de basisprincipes begrijpen, kunnen we het werkingsprincipe van een DC-generator bespreken. Het kan ook nuttig zijn om meer te leren over de verschillende soorten DC-generatoren.

Enkelvoudige lus-operatie

Bij een enkelvoudige lus DC-generator wordt EMK geïnduceerd door de rotatie van de lus in een magnetisch veld, en de richting van de stroom wordt bepaald door de rechterhandregel van Fleming.

In de bovenstaande figuur is een enkele lus van een rechthoekige geleider geplaatst tussen twee tegenovergestelde polen van een magneet.

Overweeg de rechthoekige lus van de geleider ABCD, die roteert binnen het magnetisch veld om zijn as ab.

Wanneer de lus roteert vanuit haar verticale positie naar haar horizontale positie, snijdt ze de fluxlijnen van het veld. Tijdens deze beweging snijden twee zijden, namelijk AB en CD, de fluxlijnen, waardoor er een EMK wordt geïnduceerd in beide zijden (AB en BC) van de lus.

Aangezien de lus gesloten is, zal er een stroom circuleren door de lus. De richting van de stroom kan worden bepaald door de rechterhandregel van Fleming.

Deze regel stelt dat als je de duim, wijsvinger en middelvinger van je rechterhand loodrecht op elkaar uitstrekt, de duim de richting van de beweging van de geleider aangeeft, de wijsvinger de richting van het magnetisch veld aangeeft, d.w.z. N-pool naar S-pool, en de middelvinger de richting van de stroom door de geleider aangeeft.

Als we deze rechterhandregel toepassen, zien we dat bij deze horizontale positie van de lus, de stroom van punt A naar B zal stromen en aan de andere kant van de lus, de stroom van punt C naar D zal stromen.

Als we de lus verder laten draaien, komt deze weer in zijn verticale positie, maar nu is de bovenkant van de lus CD, en de onderkant AB (net het omgekeerde van de vorige verticale positie).

In deze positie is de tangentiële beweging van de zijden van de lus parallel aan de fluxlijnen van het veld. Daarom zal er geen sprake zijn van fluxdoorsnijding, en gevolglijk zal er geen stroom in de lus zijn.

Als de lus verder draait, komt deze weer in een horizontale positie. Maar nu komt de zijde AB voor de N-pool, en CD voor de S-pool, d.w.z. precies het omgekeerde van de vorige horizontale positie, zoals getoond in de figuur hiernaast.

Hier is de tangentiële beweging van de zijde van de lus loodrecht op de fluxlijnen; daarom is de snelheid van fluxdoorsnijding hier maximaal, en volgens de rechterhandregel van Fleming, stroomt de stroom in deze positie van B naar A en aan de andere kant van D naar C.

Als de lus blijft roteren om zijn as, zal elke keer dat de zijde AB voor de S-pool komt, de stroom van A naar B stromen. Opnieuw, wanneer deze voor de N-pool komt, stroomt de stroom van B naar A.

Op dezelfde manier, elke keer dat de zijde CD voor de S-pool komt, stroomt de stroom van C naar D. Wanneer de zijde CD voor de N-pool komt, stroomt de stroom van D naar C.

Als we dit verschijnsel op een andere manier observeren, kunnen we concluderen dat elke keer dat elke zijde van de lus voor de N-pool komt, de stroom door die zijde in dezelfde richting zal stromen, d.w.z. omlaag ten opzichte van het referentievlak.

Op dezelfde manier, elke keer dat elke zijde van de lus voor de S-pool komt, stroomt de stroom door deze in dezelfde richting, d.w.z. omhoog vanaf het referentievlak. Hiermee komen we bij het onderwerp van het werkingsprincipe van de DC-generator.

Nu wordt de lus geopend en verbonden met een splitring, zoals getoond in de figuur hieronder. Splitrings, gemaakt van een geleidend cilinder, worden in twee helften of segmenten gesneden, die geïsoleerd zijn van elkaar.

We verbinden de externe belastingterminals met twee koolstofborstels die rusten op deze gesplitste slipringsegmenten.

Commutator en borstels

Gesplitste ringen (commutators) en koolstofborstels zorgen ervoor dat de stroom unidirectioneel blijft door de verbindingen om te keren terwijl de lus roteert.

Positie van de borstels

De borstels zijn zo geplaatst dat de EMK nul is wanneer de spoel loodrecht staat op het magnetisch veld, waardoor een vloeiende stroomstroom mogelijk is.

Werkingsprincipe van de DC-generator

We zien dat in de eerste helft van de omwenteling de stroom altijd langs ABLMCD stroomt, d.w.z. borstel nummer 1 maakt contact met segment a. In de volgende helft van de omwenteling, in de figuur, wordt de richting van de geïnduceerde stroom in de spoel omgekeerd. Maar tegelijkertijd worden de posities van segmenten a en b ook omgekeerd, waardoor borstel nummer 1 contact maakt met segment b.

Daarom stroomt de stroom in de belastingsweerstand opnieuw van L naar M. De golfvorm van de stroom door de belastingschakeling is zoals getoond in de figuur. Deze stroom is unidirectioneel.

De bovenstaande inhoud is het basiswerkingsprincipe van de DC-generator, uitgelegd aan de hand van het model van de enkelvoudige lusgenerator.

De posities van de borstels van de DC-generator zijn zo dat de overschakeling van de segmenten a en b van de ene borstel naar de andere plaatsvindt wanneer het vlak van de roterende spoel loodrecht staat op het vlak van de lijnen van kracht. In deze positie is de geïnduceerde EMK in de spoel nul.