Особенности и устройство генераторов постоянного тока

Академия Гражданской Авиации

 

 

 

На тему: Первичные источники питания

            (Генераторы постоянного тока)

 

Выполнил: Кали Е.А. гр.-Ат(АВ)-13.2

Проверил (а): Тоймухамбетова Ф.Б.

 

 

Алматы 2016

Содержание

 

I.   Введение

II. Генераторы постоянного тока

1. Принцип деиствия

2. Особенности и устройство генераторов постоянного тока

3. Электродвижущая сила генератора постоянного тока

4. Мощность генераторов постоянного тока

5. Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока

6. Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения

7. Авиационные генераторы постоянного тока

8. Система постоянного тока на самолете

III. Заключение

IV.Литература

 

Введение

Все источники питания можно выделить в две группы ─ первичные и вторичные. Примером источника первичного электропитания может быть аккумулятор или простейшая батарейка от фонаря: когда аккумулятор заряжается от источника, то происходит преобразование электрической энергии в химическую, а когда разряжается (через нагрузку) ─ химической в электрическую. То есть, происходит однократное преобразование энергии.

     Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов (бортовая СЭС ЛА) — система электроснабжения, предназначенная для обеспечения бортового электрооборудования летательного аппарата электроэнергией требуемого качества. Системой электроснабжения принято называть совокупность устройств для производства и распределения электроэнергии. Начиная с 20-х годов прошлого века, на самолётах стали использоваться генераторы постоянного тока на 8, затем — на 12, и, наконец, на 27 вольт.

Различают первичные и вторичные источники электроэнергии. К первичным источникам относят бортовые электрогенераторы и аккумуляторные батареи.

      К первичным источникам питания обычно относят:

1. Химические источники

2. Термогенераторы

3. Солнечные батареи

4. Атомные батареи

5. Топливные элементы

6. Электрические машины (постоянного и переменного тока)

По принципу действия авиационные генераторы не отличаются от аналогичных наземных генераторов, но обладают рядом особенностей: малый вес и габариты, большая плотность тока якоря, принудительное воздушное, испарительное или жидкостное охлаждение, высокая частота вращения ротора, применение высококачественных конструкционных материалов.

В качестве источников постоянного тока обычно применяют бесконтактные синхронные генераторы переменного тока и коллекторные генераторы постоянного тока. Генераторы устанавливаются на двигателях и вспомогательных силовых установках (ВСУ), при этом частота вращения турбовинтовых двигателей самолётов и вертолётов стабилизирована регулированием тяги за счёт изменения шага винта, а вот на турбореактивных двигателях частота вращения ротора может меняться в широких пределах и при жёстком механическом приводе на генератор переменного тока частота также существенно изменяется, что часто недопустимо по ТУ потребителей.

Поэтому электрические сети строят по разным принципиальным схемам. Построение сети зависит от назначения ЛА, его конструктивных особенностей и применяемого оборудования. Например, на самолёте Ту-134 в качестве основных источников электроэнергии применяются генераторы постоянного тока на двигателях, а для питания переменным током стабильной частоты 208/115 вольт, 400 Гц применяются электромашинные преобразователи.

Генератор постоянного тока – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

                           

Рис. 1 В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

 

 Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью {\displaystyle \omega }. Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

e1 = Blv sin ω t и e2 = Blv sin(ω t+ π) = −Blv sin ω t, где {

e1 и e2

 

 

{\displaystyle мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

 

B — магнитная индукция магнитного поля в вольт- секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

l — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

v — линейная скорость, с которой вращаются актив- ные стороны контура, в метрах в секунду;

t — время в секундах;

ωt и ωt+ π — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна e = 2Blv sin ωt, то есть индуктирован- ная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнит- ное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электро- движущая сила.

   

Наземное питание

     Для питания самолета электроэнергией на земле предусмотрено 2 разъема. Один в носу – для подключения переменного тока.

 

Второй в задней части самолета – для постоянного:

  На практике вторым пользуются ну крайне редко. Основным является переменное напряжение, а из него уже можно получить всё остальное.
  На этом всё. Если к данной тематике будет интерес, планирую продолжить. В планах рассказать о том, как это всё коммутируется, распределяется и резервируется. А в дальнейшем-кто это всё потребляет и для чего.

 

Заключение

На заре электрификации (до конца XIX века) генераторы постоянного тока были единственным источником электрической энергии в промышленности (электрическая энергия, получаемая с помощью химических источников тока стоила дорого, да и в наше время батарейки имеют довольно высокую стоимость). Переменным током человечество просто не умело пользоваться.

Благодаря Вестингаузу, Яблочкову, Тесла, Доливо-Добровольскому были изобретены трансформаторы, асинхронные двигатели переменного тока, трёхфазная система электроснабжения. Постоянный ток стал уступать свои позиции.

Генераторы постоянного тока нашли применение на городском электротранспорте (трамваи и троллейбусы), в технике электросвязи. До второй половины XX века генераторы постоянного тока применялись на автотранспорте (автомобильные генераторы), однако в связи с широким распространением полупроводниковых диодов их вытеснили более компактные и более надёжные трёхфазные генераторы переменного тока с встроенными выпрямителями.

  Например, генератор постоянного тока Г−12 (автомобиль ГАЗ−69) весит 11 кг, номинальный ток 20 ампер, а генератор переменного тока Г−250П2 (автомобиль УАЗ−469) при массе 5,2 кг выдаёт номинальный ток 28 ампер; генератор 31400- 83E00 (Suzuki Wagon R+) при весе 4,5 кг выдаёт ток 70 ампер. То есть, достигнуто практически 8-кратное увеличение токоотдачи на килограмм массы.

На железнодорожном транспорте (на тепловозах) до 1970-х гг. основным типом тягового генератора был генератор постоянного тока (тепловозы ТЭ3, ТЭ10, ТЭП60, ТЭМ2 и др.), однако начался процесс их вытеснения трёхфазными генераторами, на теплово- зах, таких как ТЭ109, ТЭ114, ТЭ129, ТЭМ7, ТЭМ9, ТЭРА1, ТЭП150, 2ТЭ25К применяется электрическая передача переменно-постоянного тока, устанав- ливаются синхронные трёхфазные тяговые генерато- ры. Тяговые электродвигатели постоянного тока, вырабатываемая генератором электроэнергия выпрям- ляется полупроводниковой выпрямительной уста- новкой. Замена генератора постоянного тока на генератор переменного тока позволила снизить массу электрооборудования, резерв может быть использо- ван для установки более мощного дизельного дви- гателя. Однако тяговый генератор переменного тока не может использоваться как стартер для тепловозного дизельного двигателя, запуск производится ге- нератором постоянного тока для цепей управления. На новых российских локомотивах 2ТЭ25А, ТЭМ21 применяется электрическая передача переменно- переменного тока, с асинхронными тяговыми элек- тродвигателями.

 

 

Литература

· Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Ма- шины постоянного тока и трансформато- ры: Учебник для вузов. — СПб: «Питер», 2008. — 320 с.

· Web-сайт: studopedia.org

· Web-сайт: geektimes.ru

· Web-сайт: wikipedia.org

 

 

Академия Гражданской Авиации

 

 

 

На тему: Первичные источники питания

            (Генераторы постоянного тока)

 

Выполнил: Кали Е.А. гр.-Ат(АВ)-13.2

Проверил (а): Тоймухамбетова Ф.Б.

 

 

Алматы 2016

Содержание

 

I.   Введение

II. Генераторы постоянного тока

1. Принцип деиствия

2. Особенности и устройство генераторов постоянного тока

3. Электродвижущая сила генератора постоянного тока

4. Мощность генераторов постоянного тока

5. Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока

6. Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения

7. Авиационные генераторы постоянного тока

8. Система постоянного тока на самолете

III. Заключение

IV.Литература

 

Введение

Все источники питания можно выделить в две группы ─ первичные и вторичные. Примером источника первичного электропитания может быть аккумулятор или простейшая батарейка от фонаря: когда аккумулятор заряжается от источника, то происходит преобразование электрической энергии в химическую, а когда разряжается (через нагрузку) ─ химической в электрическую. То есть, происходит однократное преобразование энергии.

     Бортовая система электроснабжения летательных аппаратов (бортовая СЭС ЛА) — система электроснабжения, предназначенная для обеспечения бортового электрооборудования летательного аппарата электроэнергией требуемого качества. Системой электроснабжения принято называть совокупность устройств для производства и распределения электроэнергии. Начиная с 20-х годов прошлого века, на самолётах стали использоваться генераторы постоянного тока на 8, затем — на 12, и, наконец, на 27 вольт.

Различают первичные и вторичные источники электроэнергии. К первичным источникам относят бортовые электрогенераторы и аккумуляторные батареи.

      К первичным источникам питания обычно относят:

1. Химические источники

2. Термогенераторы

3. Солнечные батареи

4. Атомные батареи

5. Топливные элементы

6. Электрические машины (постоянного и переменного тока)

По принципу действия авиационные генераторы не отличаются от аналогичных наземных генераторов, но обладают рядом особенностей: малый вес и габариты, большая плотность тока якоря, принудительное воздушное, испарительное или жидкостное охлаждение, высокая частота вращения ротора, применение высококачественных конструкционных материалов.

В качестве источников постоянного тока обычно применяют бесконтактные синхронные генераторы переменного тока и коллекторные генераторы постоянного тока. Генераторы устанавливаются на двигателях и вспомогательных силовых установках (ВСУ), при этом частота вращения турбовинтовых двигателей самолётов и вертолётов стабилизирована регулированием тяги за счёт изменения шага винта, а вот на турбореактивных двигателях частота вращения ротора может меняться в широких пределах и при жёстком механическом приводе на генератор переменного тока частота также существенно изменяется, что часто недопустимо по ТУ потребителей.

Поэтому электрические сети строят по разным принципиальным схемам. Построение сети зависит от назначения ЛА, его конструктивных особенностей и применяемого оборудования. Например, на самолёте Ту-134 в качестве основных источников электроэнергии применяются генераторы постоянного тока на двигателях, а для питания переменным током стабильной частоты 208/115 вольт, 400 Гц применяются электромашинные преобразователи.

Генератор постоянного тока – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

                           

Рис. 1 В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

 

 Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью {\displaystyle \omega }. Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

e1 = Blv sin ω t и e2 = Blv sin(ω t+ π) = −Blv sin ω t, где {

e1 и e2

 

 

{\displaystyle мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

 

B — магнитная индукция магнитного поля в вольт- секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

l — длина каждой из активных сторон контура в метрах;

v — линейная скорость, с которой вращаются актив- ные стороны контура, в метрах в секунду;

t — время в секундах;

ωt и ωt+ π — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна e = 2Blv sin ωt, то есть индуктирован- ная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнит- ное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электро- движущая сила.

   

Особенности и устройство генераторов постоянного тока

Рис. 2 Рамка с током вращается в магнитном поле, токосъём происходит щётками с полуколец.

Рис. 3 Переменный синусоидальный ток Пульсирующий ток, снимаемый с двух полуколец Выпрямленный и сглаженный ток, снимаемый с якоря с большим количеством контуров и коллекторных пластин

В генераторах постоянного тока неподвижны магниты, создающие магнитное поле и называемые катушками возбуждения, а вращаются катушки, в которых индуцируется электродвижущая сила и с которых производится съём тока. Другая, главная особенность, состоит в способе съёма тока с катушек, который основан на том, что если концы активных сторон контура присоединить не к контактным кольцам (как это делается в генераторах переменного тока), а к полукольцам с изолированными промежутками между ними (как показано на рисунке 2) то тогда рамка с током будет давать во внешнюю цепь выпрямленное электрическое напряжение.

При вращении контура вместе с ним вращаются и полукольца вокруг их общей оси. Токосъём с полуколец осуществляется щётками. Так как щётки неподвижны, то они попеременно соприкасаются то с одним, то с другим полукольцом. Обмен полукольцами происходит в тот момент, когда синусоидальнаяэлектродвижущая сила в контуре переходит через своё нулевое значение. В результате каждая щётка сохраняет свою полярность неизменной. Если на полукольцах имеется некоторое синусоидальное напряжение, то на щётках оно уже становится выпрямленным (в данном случае пульсирующим). На практике в генераторах постоянного тока применяют не один проволочный контур, а значительно их большее количество, вывод от каждого конца каждого контура присоединяется к собственной контактной пластине, отделённой от соседних пластин изолирующими промежутками. Совокупность контактных пластин и изолирующих промежутков называется колле́ктор, контактная пластина носит название колле́кторная пласти́на. Весь узел в сборе (коллектор, щётки и держатели щёток) называется щёточно-колле́кторный у́зел. Материал, из которого изготавливают изолятор между коллекторными пластинами подбирается таким образом, чтобы его твёрдость приблизительно равнялась твёрдости коллекторных пластин (для равномерного износа). Применяется, как правило, миканит (прессованная слюда). Коллекторные пластины, как правило, изготавливают из меди.

 

                              

Ярмо (статор) шестиполюсного генератора постоянного тока. Видны полюсные наконечники особой формы.

Остов (статор) генератора называется ярмо́. К ярму прикреплены сердечники электромагнитов, крышки с подшипниками, в которых вращается вал генератора. Ярмо изготавливается изферромагнитного материала (литая сталь). На сердечники электромагнитов насажены катушки возбуждения. Чтобы придать магнитным линиям магнитного поля необходимое направление, сердечники электромагнитов снабжаются полюсными наконечниками. Электромагниты, питаемые постоянным током (током возбуждения) создают в генераторемагнитное поле. Катушка возбуждения состоит из витков медной изолированной проволоки, намотанной на каркас. Обмотки катушек возбуждения соединены друг с другом последовательно таким образом, что любые два соседних сердечника имеют разноимённую магнитную полярность.

 

 

                    

Якорь генератора постоянного тока, цилиндр среднего диаметра — коллектор.

Вращающаяся часть генератора (ротор) называется я́корь. Сердечник якоря изготавливается из электротехнической стали. Во избежание потерь на вихревые токи сердечник якоря собирается из отдельных стальных листов зубчатой формы, которые образуют впадины (пазы). Во впадины укладывается якорная (силовая) обмотка. В маломощных генераторах якорная обмотка изготавливается из медной изолированной проволоки, в мощных — из медных полос прямоугольной формы. Чтобы под действием центробежных сил якорная обмотка не была вырвана из пазов её закрепляют на сердечнике бандажами. Обмотка якоря наносится на сердечник так, что каждые два активных проводника, соединённых непосредственно и последовательно друг с другом, лежат под разными магнитными полюсами. Обмотка называется волновой, если провод проходит поочерёдно под всеми полюсами и возвращается к исходному полюсу, и петлевой, если провод, пройдя под «северным» полюсом, а затем под соседним «южным» полюсом, возвращается на прежний «северный» полюс.

Чтобы пластины коллектора и изолирующие миканитовые (слюдяные) пластины между ними не были вырваны центробежными силами из своих гнёзд — в нижней части они имеют крепление «ласточкин хвост».

Щётки, как правило, изготавливают из графита. Минимальное число щёток в генераторе постоянного тока равно двум: одна является положительным полюсом генератора (положительная щётка), другая — отрицательным полюсом (отрицательная щётка). В многополюсных генераторах число пар щёток обычно равняется числу пар полюсов, что обеспечивает лучшую работу генератора. Щётки одинаковой полярности (одноимённые щётки) электрически соединены друг с другом.

Щётка одновременно перекрывает две или три коллекторные пластины, это уменьшает искрение на коллекторе под щётками (улучшается коммутация).

Щёткодержатель обеспечивает постоянный прижим щёток вогнутой стороной к цилиндрической поверхности коллектора.