Как работает генератор постоянного тока?

Как работает генератор постоянного тока?

Определение генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока с использованием принципа электромагнитной индукции.

Закон Фарадея

Этот закон утверждает, что когда проводник движется в магнитном поле, он пересекает линии магнитного поля, что вызывает возникновение электромагнитной силы (ЭДС) в проводнике.

Величина индуцированной ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока, связывающего проводник. Эта ЭДС вызовет ток, если цепь проводника замкнута.

Два самых важных элемента генератора:

• Магнитное поле

• Проводники, которые перемещаются внутри этого магнитного поля.

Теперь, когда мы понимаем основы, мы можем обсудить принцип работы генератора постоянного тока. Вам также может быть полезно узнать о типах генераторов постоянного тока.

Однопетлевая работа

В генераторе постоянного тока с одной петлей вращение петли в магнитном поле вызывает ЭДС, а направление тока определяется правилом правой руки Флеминга.

На рисунке выше показана одна петля проводника прямоугольной формы, расположенная между двумя противоположными полюсами магнита.

Рассмотрим прямоугольную петлю проводника ABCD, которая вращается внутри магнитного поля вокруг своей оси ab.

Когда петля вращается из вертикального положения в горизонтальное, она пересекает линии магнитного потока. В процессе этого движения две стороны, AB и CD, петли пересекают линии магнитного потока, что вызывает индукцию ЭДС в обеих сторонах (AB и BC) петли.

Поскольку петля замкнута, будет происходить циркуляция тока через петлю. Направление тока можно определить по правилу правой руки Флеминга.

Это правило гласит, что если вы вытянете большой, указательный и средний пальцы правой руки перпендикулярно друг к другу, то большой палец указывает направление движения проводника, указательный палец — направление магнитного поля, т.е. от N-полюса к S-полюсу, а средний палец — направление тока через проводник.

Если мы применим это правило правой руки, мы увидим, что в этом горизонтальном положении петли ток будет течь от точки A к B, а на другой стороне петли ток будет течь от точки C к D.

Если мы позволим петле продолжить движение, она снова займет вертикальное положение, но теперь верхняя сторона петли будет CD, а нижняя сторона — AB (противоположно предыдущему вертикальному положению).

В этом положении касательное движение сторон петли параллельно линиям магнитного поля. Следовательно, не будет пересечения линий магнитного потока, и, следовательно, не будет тока в петле.

Если петля продолжит вращаться, она снова займет горизонтальное положение. Но теперь сторона AB петли окажется перед N-полюсом, а сторона CD — перед S-полюсом, т.е. противоположно предыдущему горизонтальному положению, как показано на рисунке справа.

Здесь касательное движение сторон петли перпендикулярно линиям магнитного поля, поэтому скорость пересечения линий магнитного потока максимальна, и согласно правилу правой руки Флеминга, в этом положении ток будет течь от B к A, а на другой стороне петли — от D к C.

Если петля продолжит вращаться вокруг своей оси, каждый раз, когда сторона AB окажется перед S-полюсом, ток будет течь от A к B. Когда она окажется перед N-полюсом, ток будет течь от B к A.

Аналогично, каждый раз, когда сторона CD окажется перед S-полюсом, ток будет течь от C к D. Когда сторона CD окажется перед N-полюсом, ток будет течь от D к C.

Если мы рассмотрим это явление по-другому, мы можем заключить, что каждый раз, когда сторона петли оказывается перед N-полюсом, ток будет течь через эту сторону в одном направлении, т.е. вниз относительно плоскости отсчета.

Аналогично, каждый раз, когда сторона петли оказывается перед S-полюсом, ток через нее течет в одном направлении, т.е. вверх от плоскости отсчета. Таким образом, мы приходим к теме принципа работы генератора постоянного тока.

Теперь петля открывается и соединяется с разъемным кольцом, как показано на рисунке ниже. Разъемные кольца, изготовленные из проводящего цилиндра, разрезаны на две половины или сегменты, изолированные друг от друга.

Мы подключаем внешнюю нагрузку к двум угольным щеткам, которые находятся в контакте с этими разъемными сегментами колец.

Коммутатор и щетки

Разъемные кольца (коммутаторы) и угольные щетки обеспечивают, чтобы ток оставался однонаправленным, изменяя соединения по мере вращения петли.

Размещение щеток

Щетки расположены так, чтобы ЭДС была равна нулю, когда катушка перпендикулярна магнитному полю, что обеспечивает плавное течение тока.

Принцип работы генератора постоянного тока

Мы видим, что в первой половине оборота ток всегда течет по ABLMCD, т.е. щетка № 1 находится в контакте с сегментом a. Во второй половине оборота, на рисунке, направление индуцированного тока в катушке меняется. Однако в то же время положение сегментов a и b также меняется, что приводит к тому, что щетка № 1 приходит в контакт с сегментом b.

Следовательно, ток в нагрузочном сопротивлении снова течет от L к M. Форма сигнала тока через нагрузочную цепь показана на рисунке. Этот ток однонаправленный.

Вышеописанный контент представляет собой базовый принцип работы генератора постоянного тока, объясненный на примере модели однопетлевого генератора.

Положение щеток генератора постоянного тока таково, что переключение сегментов a и b от одной щетки к другой происходит, когда плоскость вращающейся катушки перпендикулярна плоскости линий магнитного поля. В этом положении индуцированная ЭДС в катушке равна нулю.