Teoria generatora prądu stałego

Fizyka - Prąd stały (teoria) (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Teoria generatora prądu stałego

Obwody elektryczne prądu stałego


Pytanie 1

Generatory stosowane w układach ładowania akumulatorów muszą być regulowane w taki sposób, aby nie przeładować akumulatora (-ów), do którego są podłączone. Oto prosty, oparty na przekaźnikach regulator napięcia dla generatora prądu stałego:

Proste elektromechaniczne układy przekaźnikowe, takie jak ten, były bardzo powszechne w samochodowych układach elektrycznych w latach 1950, 1960 i 1970. Podstawowa zasada, na której opiera się ich działanie, jest nazywana negatywną informacją zwrotną : gdy system podejmuje działania, aby przeciwstawić się jakiejkolwiek zmianie w pewnej zmiennej. W tym przypadku zmienną jest napięcie wyjściowe generatora. Wyjaśnij, w jaki sposób działa przekaźnik, aby zapobiec nadmiernemu naładowaniu akumulatora przez generator.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeśli napięcie akumulatora stanie się nadmierne, przekaźnik otworzy się i rozładuje uzwojenie pola. Kiedy napięcia spadają do akceptowalnego poziomu, przekaźnik ponownie zamyka i ponownie zasila uzwojenie pola, aby generator mógł ponownie generować napięcie.

Pytanie dotyczące wyzwania: co musimy zmienić w tym obwodzie, aby zmienić nastawę regulacji napięcia generatora ("docelowe" napięcie, przy którym ma być regulowane wyjście generatora) "zauważa ukryte"> Uwagi:

Obwód przedstawiony tutaj jest bardzo podobny do obwodów regulatora generatora stosowanych w amerykańskich samochodach przed pojawieniem się niedrogich, niezawodnych obwodów półprzewodnikowych. Pokazuję to tutaj nie tylko w kontekście historycznym, ale także w celu zademonstrowania, jak względnie nieobrobione obwody wciąż są w stanie wykonywać pewne zadania w miarę dobrze.

"Negatywne sprzężenie zwrotne" jest jedną z podstawowych zasad elektroniki i elektrotechniki. Prosty system, taki jak ten, stanowi dobry sposób na wprowadzenie uczniów w tę istotną koncepcję.

pytanie 2

Mechanik ma pomysł na modernizację układu elektrycznego w samochodzie pierwotnie zaprojektowanym do pracy na 6 woltach. Chce, aby 6 woltowe reflektory, rozrusznik, akumulator itp. Były ulepszane do 12 woltów, ale chce zachować oryginalny 6-woltowy generator i regulator. Pokazano tutaj oryginalny 6-woltowy układ elektryczny:

Planem mechanika jest wymiana wszystkich 6-woltowych obciążeń na 12 woltów i użycie dwóch 6-woltowych baterii połączonych szeregowo, z oryginalnym (6-woltowym) napięciem regulatora napięcia tylko na jednej z tych baterii:

Wyjaśnij, jak ten system powinien działać. Czy uważasz, że plan mechanika jest praktyczny, czy też są z nim jakieś problemy "# 2"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Dopóki generator generuje napięcie 12 woltów, ten system będzie działał!

Pytanie dotyczące wyzwania: zidentyfikować czynniki, które mogą uniemożliwić generowanie przez generator wystarczającego napięcia przy podłączonym regulatorze, jak pokazano na ostatnim schemacie.

Uwagi:

W tym pytaniu widzimy zapowiedź teorii op-amp, z negatywnym sprzężeniem regulatora stosowanym do tego, co jest zasadniczo dzielnikiem napięcia (dwie baterie o równym napięciu ładowane przez generator). Obwód regulatora wykrywa tylko 6 woltów, ale generator generuje napięcie 12 woltów.

Zasadniczo, to pytanie skupia się na sprzężeniu zwrotnym i jednym z wielu praktycznych zastosowań w elektrotechnice. Głębokość, o której mówisz, będzie różna w zależności od gotowości uczniów, ale jest to coś, o czym powinieneś przynajmniej wspomnieć podczas dyskusji na ten temat.

Pomysł ten rzeczywiście pochodzi od jednego z czytelników mojej serii podręczników

. Próbował ulepszyć pojazd z 12 woltów do 24 woltów, ale zasada jest taka sama. Istotną różnicą w jego planie było to, że wciąż planował mieć w pojeździe 12-woltowe obciążenia (wskaźniki deski rozdzielczej, elektromagnes rozruchowy itd.), Z pełnym napięciem 24 V zasilającym tylko duże obciążenia (takie jak rozrusznik sam silnik):

Jako wyzwanie dla swoich uczniów, zapytaj ich, jak dobrze myślą, że ten system będzie działał. Jest nieco bardziej skomplikowany niż system przedstawiony w pytaniu, ze względu na dwa różne banki obciążenia.

pytanie 3

Jeśli przez ten przewód przepuszczany jest prąd elektryczny, w którym kierunku zostanie popchnięty przewód (przez interakcję pól magnetycznych) "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00382x01. png ">

Czy jest to przykład silnika elektrycznego lub generatora elektrycznego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Drut zostanie przesunięty w górę w tym przykładzie silnika .

Uwagi:

Wizualną pomocą w zrozumieniu oddziaływania dwóch pól magnetycznych jest diagram przedstawiający linie strumienia wydobywające się z magnesów stałych, w stosunku do okrągłych linii strumienia wokół drutu. Poproś uczniów, którzy natknęli się na podobne ilustracje w swoich badaniach, aby narysowali to zdjęcie na tablicy przed klasą, dla tych, którzy jej nie widzieli.

Pytanie 4

Jeśli ten drut (między biegunami magnesu) zostanie przesunięty w kierunku do góry, jaka polaryzacja napięcia wskaże miernik?

Opisz czynniki wpływające na wielkość napięcia indukowanego ruchem i określ, czy jest to przykład silnika elektrycznego czy generatora elektrycznego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Woltomierz wskaże ujemne napięcie w tym przykładzie generatora .

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili swoje odpowiedzi dotyczące czynników wpływających na wielkość napięcia. Skąd się wzięły informacje "panel panelu roboczego - domyślnie" itemscope>

Pytanie 5

Jeśli ten przewód (między biegunami magnesu) jest przesuwany w górę, a końce przewodów są połączone z obciążeniem rezystancyjnym, w jaki sposób prąd przepłynie przez drut?

Wiemy, że prąd przesuwający się przez drut stworzy pole magnetyczne i że to pole magnetyczne będzie wytwarzać siłę reakcji przeciwko statycznym polom magnetycznym pochodzącym z dwóch magnesów stałych. W którym kierunku ta siła reakcji popchnie przewód przenoszący prąd "# 5"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Siła reakcji będzie bezpośrednio przeciwna do kierunku ruchu, jak opisuje prawo Lenza.

Pytanie uzupełniające: Co oznacza dla nas to zjawisko w związku z łatwością poruszania się mechanizmu generatora pod obciążeniem, w porównaniu do rozładunku? Jaki wpływ ma obciążenie mechaniczne na zaciski wyjściowe generatora na wysiłek mechaniczny potrzebny do obrócenia generatora?

Uwagi:

Jeśli masz duży silnik prądu stałego z magnesami stałymi dostępny w klasie, możesz łatwo zademonstrować tę zasadę swoim uczniom. Wystarczy, że zakręcą trzonem silnika (generatora) dłońmi, z zaciskami zasilania otwartymi w stosunku do zwartych razem. Twoi uczniowie zauważą ogromną różnicę w łatwości poruszania się pomiędzy tymi dwoma stanami.

Po tym, jak uczniowie mieli okazję przedyskutować to zjawisko i / lub doświadczyć go samodzielnie, zapytaj ich, dlaczego producenci elektromechanicznych urządzeń do przesuwania mierników zwykle przesyłają mierniki z drutem zwierającym łączącym dwa terminale miernika. W jaki sposób ruch miernika PMMC przypomina generator elektryczny? W jaki sposób zwarcie zacisków razem pomaga chronić przed uszkodzeniami spowodowanymi wibracjami podczas transportu?

Poproś uczniów, aby opisali, jakie czynniki wpływają na wielkość tej siły reakcji.

Pytanie 6

Określ biegunowość indukowanego napięcia między końcami tej pętli drucianej, ponieważ jest obracana między dwoma magnesami:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie dotyczące wyzwania: czy rezystor byłby podłączony między końcami tej pętli drutowej, czy byłby prądem stałym (DC), czy prądem przemiennym (AC) "uwagi ukryte"> Uwagi:

Zwróć uwagę, że dwa końce drutu przełączają biegunowość w miarę obracania się pętli. Poproś uczniów, aby wyjaśnili, dlaczego biegunowość jest taka jaka jest.

Pytanie 7

Jeżeli końce pętli drucianej są przymocowane do dwóch półokrągłych metalowych pasków, rozmieszczonych w taki sposób, że dwa paski prawie tworzą kompletny okrąg, a te paski stykają się z dwoma "szczotkami", które łączą się z przeciwnymi biegunami baterii, jaka jest polarność napięcia zostanie zmierzone, gdy pętla zostanie obrócona w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: czy biegunowość zmierzona na dwóch szczotkach węglowych zawsze odwraca "uwagi ukryte"> Uwagi:

Zapytaj swoich uczniów, jak nazywa się dwa półokrągłe metalowe paski, w terminologii silnik elektryczny / generator.

Pytanie 8

W jaki sposób prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya odnosi się do napięcia wyjściowego generatora prądu stałego? Zgodnie z Prawem Faradaya, jakie czynniki możemy zmienić, aby zwiększyć napięcie wyjściowe generatora prądu stałego?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zwiększ szybkość zmiany ((dφ) / dt) lub zwiększ liczbę zwojów uzwojenia twornika.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby napisali równanie do Prawa Faradaya na tablicy, a następnie przeanalizuj je w sensie jakościowym (ze zmiennymi zwiększającymi lub zmniejszającymi wartość), aby potwierdzić odpowiedzi.

Pierwsza odpowiedź na to pytanie (zwiększenie ((dφ) / dt)) została celowo niejasna, aby skłonić uczniów do myślenia. Co konkretnie trzeba zmienić, aby zwiększyć tempo zmian w czasie? Które zmienne świata rzeczywistego można zmienić po wytworzeniu generatora, a które nie?

Pytanie 9

Generatory prądu stałego będą działały jak silniki prądu stałego, jeśli są podłączone do źródła prądu stałego i nie są wirowane z wystarczającą prędkością. Jest to problem w systemach zasilania prądem stałym, ponieważ generator będzie działał jak ładunek, czerpiąc energię z akumulatora, gdy silnik lub inne urządzenie "główny ruch" przestanie się poruszać. Ten prosty obwód generatora / akumulatora, na przykład, nie byłby praktyczny z tego powodu:

W czasach, gdy samochody używały generatorów prądu stałego do ładowania swoich akumulatorów, specjalny przekaźnik zwany przekaźnikiem odwrotnego prądu był konieczny, aby zapobiec rozładowaniu akumulatora przez generator, gdy silnik był wyłączony:

Kiedy generator jest wystarczająco szybko obracany, generuje wystarczające napięcie, aby zasilić cewkę bocznikową prądem wystarczającym do zamknięcia styku przekaźnika. To łączy generator z baterią, a prąd ładowania przepływa przez cewkę szeregową, tworząc jeszcze więcej przyciągania magnetycznego, aby utrzymać zamknięty styk przekaźnika. Jeśli akumulator osiągnie pełne naładowanie i nie pobierze prądu z generatora, przekaźnik pozostanie zamknięty, ponieważ cewka bocznikowa jest nadal pod napięciem.

Jednak styk przekaźnika otworzy się, jeśli generator kiedykolwiek zacznie działać jako ładunek akumulatora, pobierając z niego prąd. Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeżeli prąd wsteczny przechodzi przez cewkę szeregową, wytworzone pole magnetyczne "zbija" pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę bocznikową, osłabiając w ten sposób całkowite natężenie pola magnetycznego ciągnącego się w zworniku przekaźnika.

Uwagi:

Przekaźnik "odwrotnego wyłączania prądu" genialnie wykorzystuje odwracalne polaryzacje magnetyczne do zamykania lub otwierania styków w odpowiednich warunkach. Chociaż generatory prądu stałego nie są już stosowane w większości elektrycznych systemów samochodowych (alternatory prądu zmiennego wykorzystujące prostowniki mostkowe do konwersji prądu przemiennego na prąd stały są stosowane zamiast tego, przy obwodzie prostownika w sposób naturalny zapobiegający prądowi wstecznemu), ta aplikacja stanowi doskonałą okazję do zbadania zastosowania technologia przekaźnikowa w kontekście sterowania generatorem.

Pytanie 10

Generator bocznikowy ma uzwojenie pola elektromagnesu zapewniające stacjonarne pole magnetyczne, w którym obraca się zwora:

Jak wszystkie elektromagnesy wytwarzana siła pola magnetycznego jest wprost proporcjonalna do ilości prądu płynącego przez cewkę drutu. Ale kiedy generator siedzi nieruchomo, jego napięcie wyjściowe wynosi zero, a zatem nie będzie prądu przez uzwojenie pola, aby go pobudzić i wytworzyć pole magnetyczne do obracania twornika. Powoduje to problem, ponieważ twornik nie będzie miał żadnego napięcia indukowanego w swoich uzwojeniach, dopóki nie obróci się i ma stałe pole magnetyczne z uzwojenia pola do obracania się.

Wygląda na to, że mamy tutaj sytuację catch-22: generator nie może wyprowadzić napięcia dopóki jego uzwojenie nie zostanie wzbudzone, ale jego uzwojenie nie zostanie pobudzone, dopóki generator (zwora) nie wyśle ​​napięcia. Jak ten generator może kiedykolwiek zacząć generować napięcie, biorąc pod uwagę sytuację "# 10"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zazwyczaj w biegunach polowych pozostaje wystarczająco dużo magnetyzmu szczątkowego, aby zainicjować działanie generatora po obróceniu.

Pytanie dotyczące wyzwania: co moglibyśmy zrobić, gdyby bieguny generatora kiedykolwiek całkowicie zatraciły resztkowy magnetyzm? Jak mógł się uruchomić generator?

Uwagi:

W czasach, gdy generatory były powszechne w samochodowych systemach elektrycznych, był to dość powszechny problem. Jednak generatory mogą być "błysnięte", aby ponownie przywrócić to szczątkowe pole magnetyczne.

Pytanie 11

W generatorze prądu przemiennego z prądem stałym napięcie wyjściowe jest określane przez prędkość obrotową zwory i gęstość strumienia stacjonarnego pola magnetycznego. Dla danej prędkości twornika, co zapobiega napięciu wyjściowemu z "ucieczki" do nieskończonych poziomów, ponieważ napięcie wyjściowe zasila uzwojenie pola, co prowadzi do większego strumienia pola, co prowadzi do większego napięcia wyjściowego, co prowadzi do większego strumienia pola, który prowadzi do . . . ?

Oczywiście, musi istnieć pewien nieodłączny limit tego błędnego koła. W przeciwnym razie napięcie wyjściowe generatora prądu stałego z prądem bocznym byłoby całkowicie niestabilne.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Przy pewnym natężeniu prądu uzwojenia pola, bieguny pola generatora zostają nasycone, co zapobiega dalszemu wzrostowi strumienia magnetycznego.

Uwagi:

To pytanie stanowi doskonałą okazję do zapoznania się z pojęciem magnetycznego "nasycenia", a także do wprowadzenia koncepcji inżynieryjnej pozytywnego sprzężenia zwrotnego .

Pytanie 12

Co się dzieje z generatorem elektrycznym prądu stałego, czym jest płaszczyzna neutralna "# 12"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Płaszczyzna zerowa" to punkt obrotu, w którym obrotowe uzwojenie twornika nie ma indukowanego napięcia, ponieważ ((dφ) / dt) jest równe zeru. W prostej, dwubiegunowej maszynie, płaszczyzna neutralna jest prostopadła do linii środkowej słupów polowych:

Uwagi:

Zapytaj uczniów, dlaczego "płaszczyzna neutralna" jest ważnym aspektem generatora prądu stałego lub geometrii silnika. Jaki związek ma płaszczyzna neutralna w odniesieniu do pozycjonowania pędzla "panel panelu roboczego - domyślnie" itemscope "

Pytanie 13

Załóżmy, że generator jest mechanicznie sprzężony z silnikiem spalinowym w samochodzie, w celu ładowania akumulatora rozruchowego. Aby akumulator nie był nadmiernie naładowany przez generator, musi istnieć jakiś sposób kontrolowania napięcia wyjściowego generatora w szerokim zakresie prędkości obrotowych silnika.

W jaki sposób zazwyczaj osiąga się regulację napięcia wyjściowego generatora? Jaką zmienną w generatorze można najłatwiej dostosować, aby utrzymać prawie stałe napięcie wyjściowe? Wyraź swoją odpowiedź w odniesieniu do Prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Najpopularniejszą metodą regulacji napięcia generatora jest regulacja wzbudzenia uzwojenia wzbudzenia.

Uwagi:

Chociaż regulacja wzbudzenia wzbudzenia wzbudzenia jest najpopularniejszą formą sterowania napięciem wyjściowym generatora, nie jest to jedyny środek. Rzuć wyzwanie swoim uczniom, wymyślając inne sposoby sterowania ładowaniem baterii w tym samochodowym systemie elektrycznym, poza kontrolą wzbudzania uzwojenia wzbudzenia. Co jeszcze możemy zrobić z generatorem lub obwodem, który znajduje się w jego wnętrzu, aby uzyskać kontrolę ładowania akumulatora?

Pytanie 14

W większości projektów generatorów prądu i silników prądu stałego, drut użyty do wykonania uzwojenia pola jest znacznie cieńszy niż drut używany do uzwojenia twornika. Wskazuje to na względną wielkość prądu płynącego przez te odpowiednie zwoje, przy czym cewki twornika przewodzą znacznie więcej prądu niż cewki polowe.

To, że twornik przewodzi prąd bardziej niż pole, nie jest małą sprawą, ponieważ cały prąd przez zwór musi być prowadzony przez szczotki i pręty komutatora. Im bardziej aktualne są te elementy, tym krótsze jest ich życie i wszystkie inne czynniki są równe.

Czy generator nie mógłby zostać przeprojektowany tak, aby pole przewodziło większość prądu, a armatura przeprowadzała jedynie niewielką ilość? W ten sposób szczotki i pręty komutatora będą musiały przenosić tylko część ich normalnego prądu, co spowoduje, że będą tańsze i dłużej żyją. Wyjaśnij, dlaczego nie można tego zrobić.

Podpowiedź: rozważ projekt generatora z magnesem trwałym.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Niemożliwe jest, aby uzwojenie wzbudzało więcej prądu niż zwora w sprawnym generatorze prądu stałego, ponieważ zwora musi być źródłem energii elektrycznej, podczas gdy pole to tylko obciążenie .

Uwagi:

Ponieważ zużycie szczotek i komutatorów jest głównym powodem, dla którego silniki i generatory prądu przemiennego są preferowane w porównaniu z DC, warto rozważyć każdą koncepcję, która może potencjalnie zmniejszyć "zużycie" szczotek DC lub generatorów. Jednak pomysł zaproponowany w tym pytaniu nigdy nie zadziała. Nie jest to łatwe pytanie, ponieważ testuje zrozumienie przez studentów teorii generatora. Wskazówka podana w pytaniu ("rozważ generator z magnesami trwałymi") ma na celu zmuszenia studentów do uproszczenia problemu, biorąc pod uwagę działający projekt generatora, który ma tylko jedno uzwojenie (zworę). Upraszczając problem w ten sposób, uczniowie powinni zobaczyć, że uzwojenie twornika musi przenosić większość prądu w generatorze prądu stałego.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →