Як працює генератор постійного струму?

Як працює DC-генератор?

Визначення DC-генератора

DC-генератор — це пристрій, який перетворює механічну енергію на пряму електричну енергію за допомогою принципу електромагнітної індукції.

Закон Фарадея

Цей закон стверджує, що коли провідник рухається в магнітному полі, він розрізає лінії сили, що викликає електромагнітну силу (ЕМС) у провіднику.

Амплітуда викликаної ЕМС залежить від швидкості зміни магнітного потоку, пов'язаного з провідником. Ця ЕМС спричинить ток, якщо контур провідника буде замкнений.

Дві найважливіші частини генератора:

• Магнітне поле

• Провідники, які рухаються всередині цього магнітного поля.

Тепер, коли ми розуміємо основи, ми можемо обговорити принцип роботи DC-генератора. Ви також можете знайти корисним дізнатися про типи DC-генераторів.

Одиничний контур

У DC-генераторі з однією петлею, обертання петлі в магнітному полі викликає ЕМС, а напрямок току визначається правилом правої руки Флемінга.

На малюнку вище, одна петля провідника прямокутної форми розташована між двома протилежними полюсами магніту.

Розглянемо прямокутний контур провідника ABCD, який обертається всередині магнітного поля навколо своєї осі ab.

Коли контур обертається зі свого вертикального положення в горизонтальне, він розрізає лінії потоку поля. Оскільки під час цього руху дві сторони, тобто AB і CD, контуру розрізають лінії потоку, в обох сторонах (AB і BC) контуру буде викликано ЕМС.

Оскільки контур замкнений, через нього буде циркулювати струм. Напрямок струму можна визначити за правилом правої руки Флемінга.

Це правило стверджує, що якщо ви розтягнете великій, індексний і середній пальці правої руки перпендикулярно один одному, то великий палець вказує напрямок руху провідника, індексний палець — напрямок магнітного поля, тобто від N-полюса до S-полюса, а середній палець — напрямок току через провідник.

Якщо ми застосуємо це правило правої руки, ми побачимо, що в цьому горизонтальному положенні контуру, струм буде течи від точки A до B, а на іншій стороні контуру — від точки C до D.

Якщо ми дозволимо контуру продовжити рух, він знову прийде до свого вертикального положення, але тепер верхня сторона контуру буде CD, а нижня — AB (протилежно попередньому вертикальному положенню).

У цьому положенні, тангенціальний рух сторін контуру паралельний лініям потоку поля. Тому питання розрізання потоку не виникає, і, відповідно, струм у контурі відсутній.

Якщо контур продовжить обертатися, він знову займе горизонтальне положення. Але тепер сторона AB контуру опиниться перед N-полюсом, а CD — перед S-полюсом, тобто зворотно попередньому горизонтальному положенню, як показано на малюнку поруч.

Тут тангенціальний рух сторони контуру перпендикулярний лініям потоку, тому швидкість розрізання потоку максимальна, і за правилом правої руки Флемінга, у цьому положенні струм тече від B до A, а на іншій стороні — від D до C.

Якщо контур продовжить обертатися навколо своєї осі, кожного разу, коли сторона AB опиниться перед S-полюсом, струм буде течи від A до B. Знову, коли вона опиниться перед N-полюсом, струм буде течи від B до A.

Подібним чином, кожного разу, коли сторона CD опиниться перед S-полюсом, струм буде течи від C до D. Коли сторона CD опиниться перед N-полюсом, струм буде течи від D до C.

Якщо ми спостерігаємо це явище по-іншому, ми можемо зробити висновок, що кожного разу, коли будь-яка сторона контуру опиниться перед N-полюсом, струм буде течи через цю сторону в одному напрямку, тобто вниз відносно базової площини.

Подібним чином, кожного разу, коли будь-яка сторона контуру опиниться перед S-полюсом, струм через неї буде течи в одному напрямку, тобто вгору відносно базової площини. З цього ми переходимо до теми принципу роботи DC-генератора.

Тепер контур відкривається і з'єднується з роз'єднуючим кільцем, як показано на малюнку нижче. Роз'єднуючі кільця, виготовлені з провідного циліндра, розрізуються на дві половини або сегменти, ізольовані один від одного.

Ми з'єднуємо зовнішні термінали навантаження з двома графітовими щітками, які опираються на ці сегменти роз'єднуючого кільця.

Роз'єднуюче кільце та щітки

Роз'єднуючі кільця (комутатори) та графітові щітки забезпечують, що струм залишається односпрямованим, змінюючи з'єднання під час обертання контуру.

Положення щіток

Щітки розташовані так, щоб ЕМС була нульовою, коли контур перпендикулярний до магнітного поля, що дозволяє плавний потік струму.

Принцип роботи DC-генератора

Ми бачимо, що в першій половині обертання струм завжди тече по ABLMCD, тобто щітка № 1 у контакті з сегментом a. У наступній половині обертання, на малюнку, напрямок викликаного струму в контурі змінюється. Однак одночасно змінюються і положення сегментів a і b, що призводить до того, що щітка № 1 входить в контакт з сегментом b.

Тому, струм у навантаженні знову тече від L до M. Хвильова форма струму через навантаження показана на малюнку. Цей струм є односпрямованим.

Надане вище — це основний принцип роботи DC-генератора, пояснений на моделі генератора з одним контуром.

Положення щіток DC-генератора такі, що зміна сегментів a і b від однієї щітки до іншої відбувається, коли площина обертаючогося контуру перпендикулярна до площини ліній сили. У цьому положенні, викликана ЕМС в контурі дорівнює нулю.