Генератор постоянного тока представляет собой особый тип электрической машины, основная задача которой — преобразование механической энергии вращения вала в электрическую энергию в форме постоянного тока.
Исторический путь развития
История этих устройств началась с фундаментального открытия Майкла Фарадея в 1831 году — закона электромагнитной индукции. Первая практическая попытка создания генератора была предпринята уже в 1832 году, однако та конструкция оказалась слишком несовершенной. Значимый прорыв совершил русский учёный Борис Семёнович Якоби, создав в 1834 году первую работоспособную машину постоянного тока. В 1840-х годах Эмилий Христианович Ленц заложил основы теории их работы. Важным этапом стало изобретение итальянцем Антонио Пачинотти в 1860 году кольцевого якоря, который впоследствии стал широко применяться. Дальнейшее развитие шло по пути миниатюризации и повышения эффективности. В 1880-х годах Александр Григорьевич Столетов разработал полноценную научную теорию генераторов. Пик совершенствования конструкции пришёлся на конец 1920-х годов XX века, когда был внесён целый ряд технических усовершенствований, сделавших эти устройства более практичными и экономичными.
Устройство и принцип действия
Конструктивно генератор состоит из двух ключевых частей. Неподвижная часть — станина, внутри которой закреплены полюсы электромагнитов с разной полярностью. Вращающаяся часть — это ротор (якорь), собранный из отдельных листов электротехнической стали. Для снижения потерь на вихревые токи листы изолируются друг от друга лаком или специальной бумагой. Спрессованные вместе, они образуют цилиндр, насаженный на вал. По внешней поверхности этого цилиндра расположены пазы, в которые укладывается обмотка якоря.
Переменная электродвижущая сила (ЭДС), индуцируемая в обмотке при вращении якоря в магнитном поле, преобразуется в постоянное напряжение на выходных зажимах с помощью механического выпрямителя — коллектора. Важно отметить, что как и многие электрические машины, генератор постоянного тока обладает свойством обратимости: при подаче на него постоянного тока он может работать как электродвигатель, преобразуя электрическую энергию в механическое вращение.
При подключении нагрузки напряжение на выходных щётках несколько снижается из-за падения напряжения в обмотке якоря. Кроме того, ток нагрузки, протекая по проводникам якоря, создаёт электромагнитные силы, которые оказывают тормозящее действие на вращение, что является одним из факторов потерь.
Способы возбуждения и особенности эксплуатации
Для создания основного магнитного поля электромагниты станины (полюсы) необходимо возбудить. Существует два основных способа:
- Независимое возбуждение: обмотка полюсов питается от внешнего источника тока (например, аккумулятора или отдельного генератора), не связанного с током нагрузки основного генератора.
- Зависимое возбуждение (самовозбуждение): энергия для возбуждения берётся непосредственно с якоря самого генератора. Оно, в свою очередь, может быть организовано по схемам параллельного, последовательного или комбинированного (смешанного) включения обмотки возбуждения.
Выходное напряжение генераторов постоянного тока обычно составляет сотни вольт. Для его стабилизации при изменении нагрузки применяются специальные регуляторы, которые воздействуя на ток возбуждения, добавляют в цепь корректирующую ЭДС нужной величины и знака.
Процесс преобразования энергии всегда сопровождается потерями, которые рассеиваются в виде тепла. Чтобы предотвратить перегрев и повреждение изоляции, в генераторах применяется система воздушного охлаждения, часто совмещённая с вращающимся якорем, который работает как вентилятор.
