DC jeneratör nasıl çalışır: EMK, komütatör ve uyartım

Faraday yasası ve üretilen EMK

Manyetik akıyı kesen bir iletkende, kesilen akının değişim hızıyla orantılı bir gerilim indüklenir. DC jeneratör, dönen bir armatür üzerine çok sayıda iletken yerleştirir ve bunları kutuplarının alanı içinde hareket ettirir. Tüm sargı için bu

E = k × Φ × ω

verir; burada Φ kutup başına akı, ω armatürün rad/s cinsinden açısal hızı ve k sargıya bağlı bir sabittir (iletken sayısı, paralel yol sayısı ve kutup sayısı). Gerilim hız ve akıyla orantılıdır; bunlar DC jeneratörü kontrol eden iki düğmedir: aynı alanla hızı iki katına çıkarırsanız EMK iki katına çıkar, ya da hızı sabit tutup alanı güçlendirirsiniz.

Akı, alan akımıyla sonsuza dek artmaz. Demir doyar; bu yüzden boştaki EMK'nın alan akımına göre grafiği, yani mıknatıslanma ya da boşta karakteristiği, bükülür. Jeneratör normalde bu eğrinin dirseği yakınında çalıştırılır.

Komütatör ne yapar?

Tek bir bobinde indüklenen gerilim alternatiftir: her bobin önce bir kuzey, sonra bir güney kutbu görür ve indüklenen gerilimin işareti her yarım turda değişir. Komütatör, mil üzerinde dilimli bir bakır halkadır; fırçalar ise ona sürtünen sabit temaslardır. Bir bobin EMK'sının sıfır olduğu nötr bölgeden her geçtiğinde komütatör o bobini diğer fırçaya anahtarlar. Uçlardan bakıldığında, kuzey kutbu altındaki her iletken hep aynı fırçayı, güney kutbu altındaki her iletken diğerini besler.

Sonuç mekanik bir doğrultucudur: armatür alternatif EMK'lar taşır, uçlar tek yönlü gerilim verir. Çok sayıda bobin ve dilimle dalgalanma küçüktür. Bedeli fırçalarda aşınma, kıvılcım ve bakımdır; bu yüzden güç üretiminin çoğu diyot doğrultuculu alternatörlere geçmiştir, DC makineler ise eğitimde, küçük taşınabilir jeneratörlerde ve özel sürücülerde kalmıştır.

Uyartım: ayrı uyartımlı, şönt, seri ve kompunt

Alan sargısı akıyı belirler, bu yüzden nasıl beslendiği jeneratörün davranışını tanımlar.

• Ayrı uyartımlı: alan bağımsız bir kaynaktan gelir, bu yüzden akı çıkışa bağlı değildir. En basit ve en öngörülebilir makinedir.
• Şönt: alan sargısı armatüre paralel bağlanır ve jeneratörün kendisi tarafından beslenir. Anma akımının yalnızca yüzde birkaçını taşıyan yüksek dirençli bir sargıdır.
• Seri: alan sargısı yükle seridir ve tam yük akımını taşır, bu yüzden akı ve gerilim yükle birlikte artar.
• Kompunt: bir şönt sargı artı ona yardım eden bir seri sargı. Seri sarımlar yük büyüdükçe akı ekler ve gerilim düşümünü dengeler; böylece gerilim boştan tam yüke kadar neredeyse düz kalır. Fazladan seri sarımla makine aşırı kompunt olur ve gerilim yükle artar.

İlgilendiğimiz karakteristik dış karakteristiktir: uç gerilimi – yük akımı. Kompunt makinede neredeyse düzdür, ayrı uyartımlı ve şönt makinelerde düşer, seri makinelerde artar.

Yük altında uç gerilimi

EMK, uçlarda elde ettiğiniz gerilim değildir. Jeneratör kuralına göre

V = E − I_a × R_a − V_fırça

olur; burada I_a armatür akımı, R_a armatür direnci ve V_fırça birkaç voltluk fırça temas düşümüdür. Bunun üzerine armatür reaksiyonu da önemlidir: armatür akımı kendi manyetik alanını üretir; bu alan ana akıyı bozar ve biraz zayıflatır, bu yüzden E'nin kendisi yükle birlikte düşer.

Gerilim regülasyonu net değişimi ölçer:

regülasyon = (V_boşta − V_tam yük) / V_tam yük

Şönt jeneratörde ikinci bir etki daha vardır. Uç gerilimi düştükçe alan akımı ve onunla birlikte akı da düşer, bu yüzden gerilim daha da düşer. Belli bir yükün ötesinde çıkış gerilimi ve akımı birlikte çöker; şönt jeneratörün yararlı biçimde kısa devre edilememesinin nedeni budur.

Çözümlü örnek: R_a = 0,25 Ω ve 2 V fırça düşümlü, 10 kW, 230 V, 43,5 A, 1500 dev/dk'lık ayrı uyartımlı bir jeneratör. Tam yükte E = 230 + 43,5 × 0,25 + 2 = 242,9 V Karşılık gelen k × Φ, 242,9 / (2π × 1500 / 60) = 1,55 V·s/rad'dır. Aynı alanla 1200 dev/dk'da çalıştırırsanız E, 242,9 × 1200/1500 = 194,3 V olur.

Kendinden uyarma ve artık mıknatısiyet

Şönt ya da seri jeneratörün dış bir kaynağı yoktur; peki nasıl yol alır? Cevap artık mıknatısiyettir: önceki çalışmadan kutupların demirinde kalan küçük bir akı. Armatür döndüğünde bu akı birkaç volt indükler. Şönt jeneratörde bu küçük gerilim alan sargısından küçük bir akım geçirir. Alan akımı akıyı güçlendirirse EMK yükselir, daha çok alan akımı geçirir ve bu böyle sürer; gerilim, mıknatıslanma eğrisinin alan devresi direncinin V = R_f × I_f doğrusuyla kesiştiği noktada oturana kadar.

Gerilim oluşumu dört nedenle başarısız olabilir:

• Alan direnci, mıknatıslanma eğrisinin orijindeki eğimi olan kritik değerin üzerindedir. Doğru eğriden daha diktir ve sıfıra yakın bir yerde kesişirler.
• Hız, tüm eğriyi alçaltan kritik hızın altındadır.
• Alan sargısı ters bağlıdır; akımı artık akıyı güçlendirmek yerine sıfırlar.
• Hiç artık mıknatısiyet yoktur. Olağan çare, alanı kısa süre bir bataryadan beslemektir (flaşlama).

Seri jeneratörün gerilimi oluşturması için yük direncinin kritik bir değerin altında olması gerekir; bu yüzden açık devrede artık gerilime yakın kalır.

Simülatör jeneratörü nasıl modeller?

Curvo Studio'nun DC jeneratör simülatörü, sert bir tahrik makinesi (hız yük altında düşmez) ve yük olarak bir lamba bankası içeren kararlı durum öğretim modelidir. Akı, ayarlanabilir artık düzeyli doyumlu bir mıknatıslanma eğrisini izler. Anma alan akımı anma akımının yaklaşık %4'ü, fırça düşümü 2 V'ta sabit ve armatür reaksiyonu anma armatür akımında akının %10'unu alır. Kompunt makine kümülatif uzun şönttür ve seri sargı anma alan MMK'sının %30'unu taşır. Komütasyon, kutup arası sargılar ve dengeleme sargıları modellenmez.

Varsayılan makine için (10 kW, 230 V, 43,5 A, 1500 dev/dk, R_a = 0,25 Ω, şönt, %80 lamba yükü, %3 artık akı) simülatör 36,3 A'de 239,9 V uç gerilimi, 251,5 V EMK, 287,5 V boşta gerilimi ve %19,8 regülasyon verir. Kritik hız yaklaşık 822 dev/dk'dır ve gerilim oluşumu yaklaşık 2,2 s sürer.

DC jeneratör simülatöründe deneyin

• Alan bağlantısı'nı Ayrı uyartımlı yapın ve Lamba yükü'nü %0 (açık devre) ile %100 arasında hareket ettirin. Uç gerilimi yaklaşık 270 V'tan 230 V'a düşer; regülasyon %17,3'tür. Bunu Şönt (287,5 V'tan 230 V'a düşüş) ve Kompunt (boşta yaklaşık 229,8 V, tam yükte 230 V; neredeyse sıfır regülasyon) ile tekrarlayın.
• Şönt iken Tahrik makinesi hızı'nı düşürün. EMK hızı izleyerek düşer ve yaklaşık 822 dev/dk'lık kritik hızın altında Kendinden uyarma göstergesi Gerilim oluştu'dan Kısmi ya da Başarısız'a döner.
• Alan reostası'nı %300'e yükseltin. Alan direnci kritik değeri geçer, Kendinden uyarma Başarısız olur ve Uç gerilimi varsayılan %80 lamba yükünde yaklaşık 12 V'a çöker (boşta yaklaşık 15 V).
• Şönt alan kutupluluğu'nu Ters yapın. Alan artık akıya karşı koyar ve jeneratör yol almaz.
• Seri bağlantıyı açık devrede ve %100 yükte karşılaştırın; Yük karakteristikleri grafiğine ve Kalkış: gerilimin oluşması ve yükün bağlanması grafiğine bakın.

Üretilen EMK, Uç gerilimi, Gerilim regülasyonu, Milden alınan güç ve Toplam kayıplar göstergeleri her değişiklikte güncellenir.

Simülatörde deneyin