Jak działa generator prądu stałego?

Jak działa generator prądu stałego?

Definicja generatora prądu stałego

Generator prądu stałego to urządzenie, które przekształca moc mechaniczną w prąd elektryczny stały, wykorzystując zasadę indukcji elektromagnetycznej.

Prawo Faradaya

To prawo mówi, że gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, przecina linie sił magnetycznych, co indukuje siłę elektromotoryczną (EMF) w przewodniku.

Wielkość indukowanej EMF zależy od tempa zmiany wiązania strumienia magnetycznego z przewodnikiem. Ta EMF spowoduje przepływ prądu, jeśli obwód przewodnika jest zamknięty.

Dwa najważniejsze elementy generatora to:

• Pole magnetyczne

• Przewodniki, które poruszają się w tym polu magnetycznym.

Teraz, gdy zrozumieliśmy podstawy, możemy omówić zasadę działania generatora prądu stałego. Może być również przydatne poznanie rodzajów generatorów prądu stałego.

Działanie pojedynczej pętli

W generatorze prądu stałego z pojedynczą pętlą, obrót pętli w polu magnetycznym indukuje EMF, a kierunek prądu jest określany przez regułę prawej ręki Fletminga.

Na powyższej ilustracji przedstawiono pojedynczą pętlę przewodnika o kształcie prostokąta umieszczoną między dwoma przeciwnymi biegunami magnesu.

Rozważmy prostokątną pętlę przewodnika ABCD, która obraca się w polu magnetycznym wokół swojej osi ab.

Gdy pętla obraca się z położenia pionowego do położenia poziomego, przecina linie strumienia pola. W trakcie tego ruchu, dwie strony, czyli AB i CD pętli, przecinają linie strumienia, co powoduje indukcję EMF w obu stronach (AB i BC) pętli.

Gdy pętla zostaje zamknięta, będzie przepływał przez nią prąd. Kierunek prądu można określić za pomocą reguły prawej ręki Fletminga.

Ta reguła mówi, że jeśli rozciągniesz kciuk, palec wskazujący i środkowy prawej ręki prostopadle do siebie, to kciuk wskazuje kierunek ruchu przewodnika, palec wskazujący wskazuje kierunek pola magnetycznego, tzn. N – biegun do S – biegna, a palec środkowy wskazuje kierunek przepływu prądu przez przewodnik.

Jeśli teraz zastosujemy tę regułę prawej ręki, zobaczymy, że w tym poziomym położeniu pętli, prąd będzie płynął od punktu A do B, a na drugiej stronie pętli, prąd będzie płynął od punktu C do D.

Jeśli pozwolimy, aby pętla kontynuowała swój ruch, ponownie znajdzie się w położeniu pionowym, ale teraz górna strona pętli będzie CD, a dolna strona AB (odwrotnie niż w poprzednim położeniu pionowym).

W tym położeniu, tangencyjny ruch stron pętli jest równoległy do linii strumienia pola. Zatem nie ma mowy o przecinaniu linii strumienia, a w konsekwencji, nie będzie prądu w pętli.

Jeśli pętla dalej się obraca, ponownie znajdzie się w położeniu poziomym. Ale teraz, strona AB pętli znajdzie się przed biegunem N, a CD przed biegunem S, tzn. dokładnie odwrotnie niż w poprzednim położeniu poziomym, jak pokazano na rysunku obok.

Tutaj, tangencyjny ruch stron pętli jest prostopadły do linii strumienia, zatem tempo przecinania linii strumienia jest maksymalne, a według reguły prawej ręki Fletminga, w tym położeniu, prąd płynie od B do A, a na drugiej stronie pętli, prąd płynie od D do C.

Jeśli pętla będzie nadal się obracać wokół swojej osi, za każdym razem, gdy strona AB znajdzie się przed biegunem S, prąd będzie płynął od A do B. Ponownie, gdy znajdzie się przed biegunem N, prąd będzie płynął od B do A.

Podobnie, za każdym razem, gdy strona CD znajdzie się przed biegunem S, prąd będzie płynął od C do D. Gdy strona CD znajdzie się przed biegunem N, prąd będzie płynął od D do C.

Jeśli spojrzymy na to zjawisko inaczej, możemy wnioskować, że za każdym razem, gdy każda strona pętli znajdzie się przed biegunem N, prąd będzie płynął przez tę stronę w tym samym kierunku, tzn. w dół względem płaszczyzny odniesienia.

Podobnie, za każdym razem, gdy każda strona pętli znajdzie się przed biegunem S, prąd przez nią płynie w tym samym kierunku, tzn. w górę względem płaszczyzny odniesienia. Stąd przejdziemy do tematu zasady działania generatora prądu stałego.

Teraz pętla jest otwarta i połączona z pierścieniem rozdzielczym, jak pokazano na rysunku poniżej. Pierścienie rozdzielcze, wykonane z cylindra przewodzącego, są rozcięte na dwie połowy lub segmenty izolowane od siebie.

Łączymy zewnętrzne terminale obciążenia z dwoma szczotkami węglowymi, które opierają się na tych segmentach pierścienia rozdzielczego.

Pierścień rozdzielczy i szczotki

Pierścienie rozdzielcze (komutatory) i szczotki węglowe zapewniają, że prąd pozostaje jednokierunkowy, odwracając połączenia, gdy pętla się obraca.

Położenie szczotek

Szczotki są ustawione tak, aby EMF wynosiło zero, gdy cewka jest prostopadła do pola magnetycznego, co pozwala na gładki przepływ prądu.

Zasada działania generatora prądu stałego

Możemy zauważyć, że w pierwszej połowie obrotu, prąd zawsze płynie wzdłuż ABLMCD, tzn. szczotka nr 1 jest w kontakcie z segmentem a. W kolejnej połowie obrotu, na rysunku, kierunek indukowanego prądu w cewce jest odwrócony. Jednocześnie pozycje segmentów a i b są również odwrócone, co skutkuje tym, że szczotka nr 1 dochodzi do kontaktu z segmentem b.

Stąd, prąd w obwodzie obciążenia ponownie płynie od L do M. Wykres prądu w obwodzie obciążenia przedstawiony jest na rysunku. Ten prąd jest jednokierunkowy.

Powyższa treść przedstawia podstawową zasadę działania generatora prądu stałego, wyjaśnioną na modelu generatora z pojedynczą pętlą.

Pozycje szczotek generatora prądu stałego są takie, że zmiana segmentów a i b z jednej szczotki na drugą następuje, gdy płaszczyzna obracającej się cewki jest prostopadła do płaszczyzny linii sił. W tym położeniu, indukowana EMF w cewce wynosi zero.