DC Generator Theory

DC Generator !! Basic concept !! (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

DC Generator Theory

DC elektriske kredsløb


Spørgsmål 1

Generatorer, der anvendes i batteriopladningssystemer, skal reguleres for ikke at overbelaste batteriet (e), de er tilsluttet. Her er en rå relæbaseret spændingsregulator til en DC-generator:

Simple elektromekaniske relæ kredsløb som denne var meget almindelige i automotive elektriske systemer i 1950'erne, 1960'erne og 1970'erne. Det grundlæggende princip, som deres drift er baseret på, kaldes negativ feedback : hvor et system træffer foranstaltninger til at modsætte sig enhver ændring i en bestemt variabel. I dette tilfælde er variablen generatorens udgangsspænding. Forklar hvordan relæet virker for at forhindre, at generatoren overbelaster batteriet med for stor spænding.

Reveal svar Skjul svar

Hvis batterispændingen bliver for stor åbner relæet og aktiverer feltviklingen. Når spændingerne falder tilbage til et acceptabelt niveau, lukker relæet igen og genaktiverer feltviklingen, så generatoren kan begynde at generere spænding igen.

Udfordringsspørgsmål: Hvad skal vi ændre i dette kredsløb for at ændre generatorens spændingsregulering setpunkt ("mål" spændingen, hvor generatorens output skal reguleres) "noter skjult"> Noter:

Kredsløbet trukket her ligner meget reelle generator regulator kredsløb brugt i amerikanske biler før fremkomsten af ​​billige, pålidelige halvleder kredsløb. Jeg viser det her ikke kun for historisk baggrund, men også for at demonstrere, hvor relativt råkredsløb stadig er i stand til at udføre visse opgaver forholdsvis godt.

"Negativ feedback" er et af de grundlæggende principper inden for elektronik og elteknik. Et simpelt system som dette giver en god måde til forsigtigt at introducere eleverne til dette vigtige koncept.

Spørgsmål 2

En mekaniker har en ide til at opgradere det elektriske system i en bil, der oprindeligt var designet til 6 volt drift. Han ønsker at opgradere 6 volt forlygterne, startmotor, batteri mv til 12 volt, men ønsker at beholde den originale 6-volt generator og regulator. Vist her er det originale 6 volt elektriske system:

Mekanikeren planlægger at erstatte alle 6 volt-belastningerne med 12 volt belastninger og bruge to 6 volt-batterier forbundet i serie med den originale (6 volt) regulatorføler spænding på tværs af kun en af ​​disse batterier:

Forklar, hvordan dette system skal arbejde. Tror du, at mekanikerens plan er praktisk, eller er der nogen problemer med det? # 2 "> Reveal svar Skjul svar

Så længe generatoren kan udgive 12 volt, vil dette system fungere!

Udfordringsspørgsmål: Identificer faktorer, som kan forhindre, at generatoren udsender nok spænding med regulatoren tilsluttet som vist i det sidste diagram.

Bemærkninger:

I dette spørgsmål ser vi en foreshadowing af op-amp teori, med regulatorens negative feedback anvendt på hvad der i det væsentlige er en spændingsdeler (to likspændingsbatterier bliver opladet af generatoren). Regulator kredsløb registrerer kun 6 volt, men generatoren udsender 12 volt.

Grundlæggende er fokuset på dette spørgsmål negativ tilbagemelding og en af ​​sine mange praktiske anvendelser inden for elteknik. Dybden, som du diskuterer dette koncept om, varierer alt efter elevernes beredskab, men det er noget du bør nævne under diskussion om dette spørgsmål.

Denne idé kom faktisk fra en af ​​læserne af min lærebog serie

. Han forsøgte at opgradere et køretøj fra 12 volt til 24 volt, men princippet er det samme. En vigtig forskel i hans plan var, at han stadig planlagde at have 12 volt-belastninger i køretøjet (instrumentbrætmåler, startspole, osv.), Med hele 24 volt, der kun leverer de højeffektbelastninger (f.eks. Starteren motor selv):

Som en udfordring for dine elever, spørg dem, hvor godt de tror, ​​at dette system ville fungere. Det er lidt mere komplekst end det system, der er vist i spørgsmålet, på grund af de to forskellige belastningsbanker.

Spørgsmål 3

Hvis en elektrisk strøm passerer gennem denne ledning, hvilken retning vil ledningen blive skubbet (ved interaktion mellem de magnetiske felter) "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00382x01. png ">

Er dette et eksempel på en elmotor eller en elektrisk generator ?

Reveal svar Skjul svar

Ledningen vil blive skubbet op i dette motoreksempel .

Bemærkninger:

Et visuelt hjælpemiddel til at forstå samspillet mellem de to magnetfelter er et diagram, der viser fluxlinierne fra de permanente magneter mod de cirkulære linjer af flux omkring ledningen. Bed de studerende, der stødte på lignende illustrationer i deres forskning for at tegne et billede af dette på tavlen foran klassen for dem, der ikke har set det.

Spørgsmål 4

Hvis denne ledning (mellem magnetpolerne) bevæges i en opadgående retning, hvilken polaritet af spænding vil måleren indikere?

Beskriv de faktorer, der påvirker størrelsen af ​​den inducerede spænding ved bevægelse og afgøre, om dette er et eksempel på en elektrisk motor eller en elektrisk generator .

Reveal svar Skjul svar

Voltmeteret vil indikere en negativ spænding i dette generator eksempel.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare deres svar vedrørende faktorer, der påvirker spændingsstørrelsen. Hvor har de fået deres oplysninger "panelpanelpanelets standardpanel" på arbejdsarkpanelet>

Spørgsmål 5

Hvis denne ledning (mellem magnetpolerne) bevæger sig i en opadgående retning, og ledningernes ender er forbundet til en resistiv belastning, hvilken vej vil strømmen gå gennem ledningen?

Vi ved, at den nuværende bevægelse gennem en ledning skaber et magnetfelt, og at dette magnetfelt vil frembringe en reaktionskraft mod de statiske magnetfelter, der kommer fra de to permanente magneter. Hvilken retning vil denne reaktionskraft skubbe den strømbærende ledning "# 5"> Reveal svar Skjul svar

Reaktionsstyrken vil være direkte imod bevægelsesretningen som beskrevet af Lenz's lov.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad angiver dette fænomen for os, om det er let at flytte en generator mekanisme under belastning, i forhold til loset? Hvilken effekt har en elektrisk belastning på generatorens udgangsterminaler på den mekaniske indsats, der er nødvendig for at dreje generatoren?

Bemærkninger:

Hvis du har en stor permanentmagnet-DC-motor til rådighed i dit klasseværelse, kan du let demonstrere dette princip for dine elever. Bare få dem til at dreje motorens aksel (generator) med deres hænder, med strømklemmerne åbne mod hinanden. Dine elever vil lægge mærke til en enorm forskel i lette at vende mellem disse to stater.

Når dine elever har haft lejlighed til at diskutere dette fænomen og / eller opleve det selv, så spørg dem, hvorfor elektromekaniske meter bevægelsesproducenter normalt sender målere med en kortere ledning, der forbinder de to meter terminaler sammen. På hvilken måde ligner en PMMC-målerbevægelse en elektrisk generator? Hvordan hjælper kortslutning af terminalerne sammen for at beskytte mod skader fra fysisk vibration under forsendelsen?

Bed dine elever om at beskrive hvilke faktorer der påvirker størrelsen af ​​denne reaktionskraft.

Spørgsmål 6

Bestem polariteten af ​​induceret spænding mellem enden af ​​denne trådsløjfe, da den drejes mellem de to magneter:

Reveal svar Skjul svar

Udfordringsspørgsmål: Hvis en modstand var forbundet mellem enden af ​​denne trådsløjfe, ville det være likestrøm (DC) eller vekselstrøm (AC) "noter skjult"> Noter:

Bemærk, at de to trådender skifter polaritet, når løkken roterer. Bed dine elever om at forklare, hvorfor polariteterne er som de er.

Spørgsmål 7

Hvis enden af ​​en trådsløjfe er fastgjort til to halvcirkelformede metalstrimler, der er indrettet således, at de to strimler næsten danner en komplet cirkel, og disse strimler kontaktes af to "børster", som forbinder mod modsatte poler af et batteri, hvilken polaritet af spænding vil blive målt som løkken drejes mod uret?

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Er polariteten målt ved de to kulbørster nogensinde omvendt "Noter skjult"> Noter:

Spørg dine elever, hvad de to halvcirkelmetalstrimler kaldes i elmotor / generator terminologi.

Spørgsmål 8

Hvordan relaterer Faradays lov om elektromagnetisk induktion til spændingsudgangen fra en DC-generator? Ifølge Faradays lov, hvilke faktorer kan vi ændre for at øge spændingsudgangen fra en DC-generator?

Reveal svar Skjul svar

Forøg ændringshastigheden ((dφ) / dt) eller øg antallet af drejninger i armaturviklingen.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at skrive ligningen for Faradays lov på tavlen, og analyser den derefter i en kvalitativ forstand (med variabler, der øger eller falder i værdi) for at validere svarene.

Det første svar på dette spørgsmål (stigning ((dφ) / dt)) er blevet bevidst vagt, for at få eleverne til at tænke. Hvad der specifikt skal ændres for at øge denne ændringskoefficient over tid? Hvilke virkelige variabler kan ændres efter at generatoren er blevet fremstillet, og hvilke er det ikke?

Spørgsmål 9

DC-generatorer fungerer som DC-motorer, hvis de er tilsluttet en DC-strømkilde og ikke spundet i tilstrækkelig hastighed. Dette er et problem i DC-systemer, da generatoren vil fungere som en belastning, der trækker energi fra batteriet, når motoren eller anden "prime mover" -enhed holder op med at bevæge sig. Denne simple generator / batteri kredsløb, for eksempel, ville ikke være praktisk af denne grund:

Tilbage i de dage, hvor biler brugte DC-generatorer til at oplade deres batterier, var et specielt relæ kaldet omvendt strømudkoblingsrelæ nødvendigt for at forhindre batteriudladning gennem generatoren, når motoren blev slukket:

Når generatoren er spundet hurtigt nok, genererer den nok spænding til at aktivere shunt-spolen med tilstrækkelig strøm til at lukke relækontakten. Dette forbinder generatoren med batteriet, og opladningsstrømmen strømmer gennem seriens spole, hvilket skaber endnu mere magnetisk attraktion for at holde relækontakten lukket. Hvis batteriet når en fuld opladning og ikke trækker mere opladningsstrøm fra generatoren, vil relæet stadig forblive lukket, fordi shunt-spolen stadig er tilsluttet.

Relækontakten åbnes dog, hvis generatoren nogensinde begynder at fungere som en belastning på batteriet, idet der trækkes nogen strøm fra den. Forklar hvorfor dette sker.

Reveal svar Skjul svar

Hvis en omvendt strøm går gennem seriens spole, vil det frembragte magnetfelt "bukke" magnetfeltet produceret af shunt-spolen, hvilket svækker den samlede magnetfeltstyrke, der trækker ved relæets anker.

Bemærkninger:

Et "reverse current cutout" -relæ udnytter genialt reversible magnetiske polariteter for at lukke eller åbne en kontakt under de rette forhold. Selvom DC-generatorer ikke længere anvendes i de fleste automobile elektriske systemer (vekselstrømsgeneratorer, der bruger brolignere til at konvertere AC til DC, anvendes i stedet, med ensretterkredsen, der naturligt forhindrer omvendt strøm), giver denne applikation en glimrende mulighed for at undersøge en anvendelse af relæteknologi i forbindelse med generatorstyring.

Spørgsmål 10

En shunt-sår generator har en elektromagnet "field" vikling, der tilvejebringer det stationære magnetfelt, hvori ankeret roterer:

Som alle elektromagneter er den producerede magnetfeltstyrke i direkte forhold til mængden af ​​strøm gennem trådspolen. Men når generatoren sidder stille, er dens udgangsspænding nul, og derfor vil der ikke være nogen strøm gennem feltviklingen for at aktivere den og frembringe et magnetfelt for ankeret at rotere igennem. Dette forårsager et problem, da ankeret ikke vil have nogen spænding induceret i dets viklinger, indtil den roterer, og den har et stationært magnetfelt fra feltviklingen for at rotere igennem.

Det ser ud til, at vi har en fangst-22-situation her: generatoren kan ikke udsende en spænding, før dens feltvikling er aktiveret, men dens feltvikling vil ikke blive aktiveret, før generatoren (anker) udsender en vis spænding. Hvordan kan denne generator nogensinde begynde at sende spænding, da dette problem er "# 10"> Reveal svar Skjul svar

Normalt er der nok resterende magnetisme tilbage i feltpolerne for at igangsætte nogle generatorvirkninger, når de drejes.

Udfordringsspørgsmål: Hvad kunne vi gøre, hvis generatorens feltpoler nogensinde mistede deres resterende magnetisme? Hvordan kunne generatoren nogensinde blive startet?

Bemærkninger:

Tilbage i de dage, hvor generatorer var almindelige i automotive elektriske systemer, det var et ret almindeligt problem. Generatorer kunne imidlertid "blinkes" for at genoprette dette resterende magnetfelt igen.

Spørgsmål 11

I en shunt-sår DC-generator er udgangsspændingen bestemt af ankerens rotationshastighed og densiteten af ​​den stationære magnetfeltflux. For en given ankerhastighed forhindrer det, at udgangsspændingen fra "løber væk" til uendelige niveauer, da udgangsspændingen aktiverer feltviklingen, hvilket fører til større feltflux, hvilket fører til større udgangsspænding, hvilket fører til større feltflux, hvilket fører til. . . ?

Det er klart, at der skal være en vis iboende grænse for denne ellers onde cirkel. Ellers ville udgangsspændingen fra en shunt-sår-DC-generator være fuldstændig ustabil.

Reveal svar Skjul svar

Ved en vis mængde feltviklingsstrøm mættes generatorens feltpoler og forhindrer yderligere stigninger i magnetflux.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål giver en fantastisk mulighed for at gennemgå begrebet magnetisk "mætning" samt introducere konceptet om positiv feedback .

Spørgsmål 12

Hvad angår en DC-elektrisk generator, hvad er det neutrale plan "# 12"> Reveal svar Skjul svar

Det "neutrale plan" er det rotationspunkt, hvor en roterende armaturvikling ikke har nogen induceret spænding i det på grund af ((dφ) / dt) lig med nul. I en simpel, topolet maskine er det neutrale plan vinkelret på feltlinjens midterlinie:

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvorfor det "neutrale plan" er et vigtigt aspekt af en DC generator eller motorens geometri. Hvilken relation har det neutrale plan med hensyn til børstepositionering "panelpanelets standardpanel" standardkopi>

Spørgsmål 13

Antag, at en generator er koblet mekanisk til en forbrændingsmotor i en bil med det formål at oplade startbatteriet. For at batteriet ikke skal overbelastes af generatoren, skal der være en måde at styre generatorens udgangsspænding over et bredt udvalg af motorhastigheder.

Hvordan opnås denne regulering af generatorens udgangsspænding typisk? Hvilken variabel inden for generatoren kan let justeres for at opretholde en næsten konstant udgangsspænding? Udtryk dit svar i forhold til Faradays lov om elektromagnetisk induktion.

Reveal svar Skjul svar

Den mest almindelige metode til generatorspændingskontrol er justering af feltviklings excitation.

Bemærkninger:

Selvom justerbar feltviklings excitation er den mest populære form for generatorens udgangsspændingskontrol, er det ikke det eneste middel. Udfordre dine elever med at opfatte andre muligheder for opladningskontrol for batteriet i dette automotive elektriske system, udover feltviklings excitationskontrol. Hvad kan vi ellers gøre for generatoren, eller til kredsløbet inden for, for at opnå opladningskontrol for batteriet?

Spørgsmål 14

I de fleste kraftstrømsmotorgeneratorer og motordesigner er tråden, der bruges til at lave feltviklingen, meget tyndere måler end den tråd, der bruges til at gøre armaturviklingen. Dette indikerer den relative størrelse af strømmen gennem disse respektive viklinger, hvor armaturspolerne udfører meget mere strøm end feltspolerne.

At armaturen udfører mere strøm end marken er ikke noget lille spørgsmål, fordi al strøm gennem ankeret skal udføres gennem børsterne og kommutatorstængerne. Jo mere aktuelle disse komponenter skal bære, jo kortere deres liv, alle andre faktorer er ens.

Kunne ikke generatoren genudformes, så feltet udførte det meste af strømmen, med ankeret kun at udføre en lille mængde? På den måde skal børsterne og kommutatorstængerne kun bære en brøkdel af deres normale strøm, hvilket gør dem billigere og længere levetid. Forklar hvorfor dette er umuligt at gøre.

Tip: Overvej designet af en permanentmagnetgenerator.

Reveal svar Skjul svar

Det er umuligt for feltviklingen at udføre mere strøm end ankeret i en fungerende DC-generator, fordi ankeren skal være kilden til elektrisk strøm, mens feltet kun er en belastning .

Bemærkninger:

At være børste og kommutator slid er den væsentligste årsag AC-motorer og generatorer favoriseres over DC, enhver ide, der potentielt kan reducere "slid" på DC motor eller generator børster er værd at overveje. Imidlertid vil ideen i dette spørgsmål aldrig fungere. Dette er ikke nødvendigvis et let spørgsmål at besvare, da det tester elevens forståelse af generatorteori. Hinten i spørgsmålet ("overveje en permanentmagnetgenerator") har til formål at tvinge eleverne til at forenkle problemet ved at overveje et arbejdsgenerator-design, der kun har en vikling (ankeret). Ved at forenkle problemet på denne måde skal eleverne se, at armaturvikling skal bære størstedelen af ​​strømmen i en DC-generator.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →