Az egyenáramú generátor működési elve

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

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.