Egyenáramú generátor

Az egyenáramú generátor olyan elektromos generátor, amely kommutátor segítségével egyenáramot hoz létre.

Az egyenáramú generátor működési elve

Működési elve

Legegyszerűbben úgy jutunk egyenáramú generátorhoz, ha egy keretszerű tekercset forgatunk B erősségű mágneses térben, a tekercs kivezetéseit pedig egy gyűrű elmetszéséből kapott két félgyűrűhöz kötjük, melyek a tekerccsel együtt forognak. A két félgyűrű egymástól és a tengelytől el van szigetelve. Ebben az esetben mindegyik félgyűrű egy-egy kollektorlemez. A kollektorlemezek a köztük levő szigeteléssel együtt alkotják a kollektort. A kollektorlemezek csúszó érintkezésben vannak két áramszedő kefével, ezeken át kapcsolódik a külső áramkör a generátorra.

3.a.ábra: Indukált feszültség

3.b.ábra: Indukált feszültség

3.c.ábra: Indukált feszültség

Az egyik félfordulat alatt α ∈ (0, π) az áram a tekercsen át az egyik irányba folyik, a másik α ∈ (π, 2 π) félfordulat alatt pedig ellentétes irányba. Az elektromotoros feszültség és az áramerősség akkor változtat irányt, mikor a tekercsen a maximális fluxus halad át, azaz +Φ és –Φ esetében. Amikor a tekercs ilyen helyzetben van, nem csupán az áram iránya változik meg a tekercsben, hanem a kollektorlemezek helyzete is megfordul az áramszedő kefékkel szemben, vagyis végső soron az áramszedő keféken az elektromotoros feszültség polaritása állandó marad.

Ugyanakkor ilyen esetben a feszültség értéke nullától a maximális értékig változik, vagyis pulzáló egyenfeszültség jön létre. Egyetlen tekercs forgatásakor keletkezett elektromotoros feszültség változását az idő függvényében a 3.a ábra szemlélteti. Abban az esetben, ha két tekercset forgatunk, amelyek síkja egymásra merőleges, és a kommutátor négy szeletből, szegmensből áll, akkor az ezekben indukálódott elektromotoros feszültségeket a 3. a és b ábra, ezek eredőjét a 3. c ábra szemlélteti. A tekercsek és a hozzájuk tartozó kommutátorszegmensek száma tovább növelhető, ennek megfelelően a keféknél egyre kisebb lesz az eredő feszültség ingadozása.

Fő részei

• A mágneses teret keltő mezőmágnes: ez az egyenáramú gép állórésze, az úgynevezett sztator. Ez a nagyobb teljesítményű generátorokban mindig elektromágnes, melynek vasmagja egymástól elszigetelt lemezekből készül.
• A mágneses térben forgatott tekercsrendszer, amelyben az áram indukálódik: neve armatúra, forgórész vagy rotor. Ez egy henger alakú test, ami elszigetelt vaskorongokból áll. A tekercset a henger alkotói mentén képzett vájatokba, hornyokba ágyazzák be.
• A kommutátor egymástól elszigetelt rézlemezekből áll, az áramszedő kefék szénkefék.

Matematikai leírása

Működés közben, terhelt generátorban, a fő mágneses térre, amely szimmetrikus, rátevődik az armatúra áramának mágneses tere, a létrejött eredő mágneses tér már nem szimmetrikus a pólusok tengelyéhez viszonyítva. Ez maga után vonja a kommutátorszeletek helyzetének megváltoztatását. A mágnese tér szimmetriájának javítására mágneses segédpólusokat alakítanak ki.

Az indukált elektromotoros feszültség:

E = CnΦ, ahol n a rotor fordulatszáma, C egy arányossági tényező, mely a gép szerkezetétől függ, Φ pedig a mágneses fluxus.

A generátor kapocsfeszültsége:

U = E – rI, ahol r a rotor tekercseinek az ellenállása, I az elektromos áramerősség.

A generátor elektromos teljesítménye:

UI = EI – rI², ahol EI a generátor mágneses teljesítménye, rI² pedig a generátor forgórészében fejlődő hőmennyiség.

Az egyenáramú generátor nyomatékai

A generátor állandó fordulatszámmal kell, hogy forogjon, amit egy motor biztosít. Ennek a mechanikai forgatónyomatéka M_m, amely egyensúlyt tart a generátort fékező nyomatékkal, M_f-el: M_f = M₀ +M_e, ahol M₀ az örvényáramok okozta forgatónyomaték üresjárásban, Me pedig az elektromágneses forgatónyomaték, amely az indukált áramtól származik: M_e = kΦI. Ezért terheléskor M_f = M_m = M₀ +M_e. Ahhoz, hogy a generátor fordulatszáma állandó legyen, azaz terheléskor is ugyanaz maradjon, a külső nyomatéknak növekednie kell.

Gerjesztési módok

A mágneses fluxust létrehozó sztator tekercsei alkotják a gerjesztő tekercset. Eleinte a generátorokban a mágneses mezőt létrehozó elektromágnest külön egyenáramú áramforrásokkal (akkumulátorokkal) táplálták. Jedlik Ányos magyar fizikus gondolt elsőként arra, hogy a generátor elektromágnesét is maga a generátor táplálja. Ez az úgynevezett öngerjesztés elve, vagy dinamóelv.

4.a.ábra: Külső gerjesztésű generátor

4.b.ábra: Soros gerjesztésű generátor

4.c.ábra: Párhuzamos gerjesztésű generátor

4.d.ábra: Vegyes gerjesztésű generátor

Aszerint, hogy a gerjesztőtekercs és a gerjesztett tekercs (armatúra) kapcsolási módja milyen, háromféle öngerjesztésű egyenáramú generátort különböztetünk meg: soros gerjesztésű (főáramkörű), párhuzamos gerjesztésű (sönt-vagy mellékáramkörű) és vegyes gerjesztésű (kettős, compound) generátorok. A 4. a ábra egy külső gerjesztésű generátor vázlatát szemlélteti. Az ilyen típusú generátor működését jellemző mennyiségek: I_e – a gerjesztő tekercs árama, E – az elektromotoros feszültség, I_A – a gerjesztett tekercs (armatúra) árama, a U – a kapocsfeszültség, n – a fordulatszám.

Azokat a görbéket, amelyek az előbbi mennyiségek egyikét ábrázolják egy másik függvényében, míg a többieket paramétereknek tekintjük, jelleggörbéknek (karakterisztikáknak) nevezzük. Azt a görbét, amely az elektromotoros feszültséget ábrázolja az indukáló áram erősségének (I_e-nek) a függvényében nyitott áramkör esetében (I_A = 0 és n állandó), üresjárási jelleggörbének nevezzük. Azt a görbét, amely az U kapocsfeszültséget ábrázolja az I_A áram erősségének a függvényében, külső (terhelési) karakterisztikának nevezzük, ha I_e és n paraméterek.

Az 5. ábra a külső gerjesztésű generátor üresjárási (E = f(I_e)) és terhelési (U = f(I_A)) karakterisztikáját szemlélteti.

5.a.ábra: Külső gerjesztésű generátor üresjárási feszültsége

Az a tény, hogy az a ábra I_e = 0 esetben is mérhető E, a remanens Mágnességnek tulajdonítható. Az 5.b ábrán a kapocsfeszültség két ok miatt csökken. Az armatúra reakciója miatt csökken a Φ gerjesztő fluxus és így csökken az indukált elektromotoros feszültség, a másik ok pedig az armatúrában létrejövő (R_iI_a) feszültség növekedése. A feszültség csökkenése 8-10%-os.

5.b.ábra: Külső gerjesztésű generátor terhelési feszültsége

A 4.b ábra a soros gerjesztésű generátor vázlatát szemlélteti. Ebben az esetben az indukáló tekercs sorba van kötve a gerjesztett tekerccsel és a generátor külső áramkörével. A soros gerjesztésű generátor külső, terhelési karakterisztikáját 6. ábra szemlélteti. Az ilyen típusú generátorokat ritkán használják, mivel az U kapocsfeszültség nagy mértékben változik a terhelés függvényében. A 4. c ábra a párhuzamos gerjesztésű generátor kapcsolási vázlatát mutatja. Ebben az esetben az indukáló tekercset az indukált tekercs sarkaira kötöttük. Az ilyen típusú generátor külső (terhelési) jelleggörbéje sajátos formájú (7. ábra). Az U kapocsfeszültség csökkenése nagyobb, mint a külső gerjesztésű generátor esetében, mivel az ott felsorolt okok mellett itt még az U csökkenésével egyidőben az I_e is csökken, ami még jobban elősegíti az U csökkenését.

6.ábra: Soros gerjesztésű generátor terhelési feszültsége

U = I_k.R_k, ahol I_k a külső áramkörben folyó áram erőssége, R_k pedig a külső áramkör ellenállása. U = I_k.R_k = I_eR₁ = E – I_aR₂. Adott R₁ ellenállás esetében létezik egy R_h határértékű terhelő ellenállás, amelynél ha kisebb az R_k, az I_k nem növekedik, hanem csökken, mivel:

7.ábra: Párhuzamos gerjesztésű generátor terhelési feszültsége

1. Az R_k csökkenése növeli I_k-t; 2. Az R_k csökkenése ugyanakkor csökkenti az U-t, ez pedig csökkenti az I_e-t, ami csökkenti a Φ indukáló fluxust. Ez utóbbi lényegében az I csökkenéséhez vezet. Az (I_k)_m értéknél a 2-es hatás érvényesül, azaz az R csökkenését az I csökkenése követi. Az (I_k)_röv megfelel az R_k = 0 értéknek, vagyis a generátor rövidre van zárva. A párhuzamos gerjesztésű generátorokat akkumulátorok töltésére, vasúti kocsik világítására használják. A 4.d ábra a vegyes gerjesztésű generátor vázlatát mutatja. Ebben az esetben a gerjesztő tekercs két részből áll, az egyik része sorba, míg a másik része párhuzamosan van kapcsolva a gerjesztett tekerccsel. A generátor terhelési karakterisztikáját a 8. ábra szemlélteti. A soros gerjesztésű tekercs kompenzálja azt a feszültségcsökkenést, amelyet az R_k csökkenése és az armatúra visszacsatolása (reakciója) hoz létre. Ha a soros tekercs nagy menetszámú, az A görbe az érvényes, ellenkező esetben a B görbe érvényes. A vegyes gerjesztésű generátorokat hegesztésre és olvasztókemencékben használják.

8.ábra: Vegyes gerjesztésű generátor terhelési feszültsége

Források

• Darabont Sándor, Tapasztó Levente, Kertész Krisztián: Elektromosságtan II. rész, Erdélyi Tankönyvtanács, Kolozsvár, 2003.
• N. Gherbanovschi, D. Borșan, A Costescu, M. Petrescu-Prahova, M. Sandu: Fizika tankönyv a X. osztály számára, Didaktikai és Pedagógiai Könyvkiadó, Bukarest, 1979.