Teoria generatoarelor de curent continuu

10 MITURI DESPRE ELECTRICITATE (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Teoria generatoarelor de curent continuu

DC Circuite electrice


Intrebarea 1

Generatoarele utilizate în sistemele de încărcare a bateriilor trebuie să fie reglate astfel încât să nu se supraîncărcă bateria (bateriile) la care sunt conectate. Aici este un regulator de tensiune, bazat pe releu, pentru un generator de curent continuu:

Simplele circuite releu electromecanice, cum ar fi acesta, au fost foarte frecvente în sistemele electrice de automobile în anii 1950, 1960 și 1970. Principiul fundamental pe care se bazează operarea lor se numește feedback negativ : unde un sistem ia măsuri pentru a se opune oricărei schimbări într-o anumită variabilă. În acest caz, variabila este tensiunea de ieșire a generatorului. Explicați modul în care releul funcționează pentru a împiedica generatorul să supraîncărcă bateria cu tensiune excesivă.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Dacă tensiunea bateriei devine excesivă, releul se deschide și dezactivează înfășurarea câmpului. Când tensiunile revin la un nivel acceptabil, releul reînchide și re-energizează bobina de câmp, astfel încât generatorul să poată începe din nou să genereze tensiune.

Întrebare cu privire la întrebare: Ce ar trebui să schimbăm în acest circuit pentru a modifica valoarea de reglaj a tensiunii generatorului (tensiunea "țintă" la care se presupune că ar trebui să fie reglată ieșirea generatorului) "Observații ascunse"> Note:

Circuitul desenat aici este foarte asemănător cu circuitele regulatoare de generator reale folosite în automobilele americane înainte de apariția unor circuite semiconductoare fiabile și fiabile. Am arătat-o ​​aici nu doar pentru istoricul istoric, ci și pentru a demonstra modul în care circuitele relativ brute sunt în continuare capabile să facă anumite sarcini în mod rezonabil.

Răspunsul negativ este unul dintre principiile fundamentale ale electronicii și ingineriei electrice. Un sistem simplu, cum ar fi acesta, oferă o modalitate bună de a introduce cu ușurință studenții la acest concept vital.

intrebarea 2

Un mecanic are o idee de modernizare a sistemului electric într-un automobil proiectat inițial pentru o funcționare de 6 volți. El vrea să upgradeze farurile de 6 volți, motorul de pornire, bateria etc. la 12 volți, dar dorește să păstreze originalul generator de 6 volți și regulator. Se afișează aici sistemul electric original de 6 volți:

Planul mecanicului este acela de a înlocui toate sarcinile de 6 volți cu încărcături de 12 volți și de a folosi două baterii de 6 volți conectate în serie, cu regulatorul original (6 volți) care detectează tensiunea pe una dintre aceste baterii:

Explicați cum ar trebui să funcționeze acest sistem. Credeți că planul mecanicului este practic sau dacă aveți probleme cu el "# 2"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Atât timp cât generatorul este capabil să emită 12 volți, acest sistem va funcționa!

Întrebare la întrebare: identificați factorii care pot împiedica generatorul să producă suficientă tensiune cu regulatorul conectat așa cum se arată în ultima diagramă.

Note:

În această întrebare, vedem o prefigurare a teoriei op-amp, feedback-ul negativ al regulatorului aplicat la ceea ce este în esență un divizor de tensiune (două baterii de tensiune egală fiind încărcate de generator). Circuitul regulatorului detectează numai 6 volți, dar generatorul emite 12 volți.

În mod fundamental, această întrebare se concentrează în principal pe feedback-ul negativ și una dintre multele sale aplicații practice în ingineria electrică. Adâncimea la care discutați acest concept va varia în funcție de pregătirea studenților, dar este ceva ce ar trebui cel puțin menționat în timpul discuțiilor pe această temă.

Această idee a venit de fapt de la unul dintre cititorii seriei de manuale

. El a încercat să upgradeze un vehicul de la 12 volți la 24 de volți, dar principiul este același. O diferență importantă în planul lui a fost că intenționează încă să aibă în vehicul niște încărcături de 12 volți (manometre, solenoid de pornire etc.), cu 24 de volți care furnizează doar încărcături de mare putere (cum ar fi demarorul motorul în sine):

Ca o provocare pentru elevii dvs., întrebați-le cât de bine cred că acest sistem ar funcționa. Este un pic mai complex decât sistemul prezentat în întrebare, datorită celor două bănci de încărcare diferite.

Întrebarea 3

Dacă un curent electric trece prin acest fir, în ce direcție va fi împins firul (prin interacțiunea câmpurilor magnetice) "/ / www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00382x01. png ">

Este acesta un exemplu de motor electric sau de generator electric?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Cablul va fi împins în acest exemplu de motor .

Note:

Un ajutor vizual pentru înțelegerea interacțiunii celor două câmpuri magnetice este o diagramă care prezintă liniile de flux emise de magneții permanenți, față de liniile circulare ale fluxului din jurul firului. Întrebați-i pe acei studenți care au descoperit ilustrații similare în cercetarea lor pentru a desena o imagine a acestui lucru pe tablă în fața clasei, pentru cei care nu l-au văzut.

Întrebarea 4

Dacă acest fir (între stalpii magnetului) este deplasat într-o direcție ascendentă, ce polaritate de tensiune va indica contorul?

Descrieți factorii care influențează magnitudinea tensiunii induse de mișcare și stabiliți dacă acesta este un exemplu de motor electric sau de generator electric.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Voltmetrul va indica o tensiune negativă în acest exemplu de generator .

Note:

Cereți studenților dvs. să explice răspunsurile lor cu privire la factorii care influențează magnitudinea tensiunii. De unde au obținut informațiile "panoul de lucru" panoul panoului de panou implicit "itemscope>

Întrebarea 5

Dacă acest fir (între stalpii magnetului) este deplasat într-o direcție ascendentă, iar capetele sârmei sunt conectate la o sarcină rezistivă, în ce fel curentul va trece prin fir?

Știm că curentul care se deplasează printr-un fir va crea un câmp magnetic și că acest câmp magnetic va produce o forță de reacție împotriva câmpurilor magnetice statice provenite de la cei doi magneți permanenți. În ce direcție această forță de reacție va împinge sârma transportoare de curent "# 5"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Forța de reacție va fi direct opusă sensului de mișcare, așa cum este descris de legea lui Lenz.

Următoarea întrebare: Ce ne indică acest fenomen cu privire la ușurința de a deplasa un mecanism generator sub sarcină, comparativ cu descărcarea? Ce efect are plasarea unei sarcini electrice pe bornele de ieșire ale unui generator asupra efortului mecanic necesar pentru a porni generatorul?

Note:

Dacă întâmpinați un motor DC cu magnet permanent, disponibil în clasă, puteți demonstra cu ușurință acest principiu pentru elevii dvs. Pur și simplu să le rotească arborele motorului (generator) cu mâinile lor, cu terminalele de putere deschise versus scurtate împreună. Elevii vor observa o mare diferență în ușurința de a se întoarce între aceste două state.

După ce elevii dvs. au avut ocazia să discute acest fenomen și / sau să-l experimenteze ei înșiși, întrebați-i de ce producătorii de mișcări electromecanice contorizează, de obicei, contoarele cu un fir de scurtcircuit care leagă cele două conectori. În ce mod o mișcare a contorului PMMC seamănă cu un generator electric? Cum împiedică scurtarea terminalelor să contribuie împreună la protejarea împotriva deteriorării cauzate de vibrațiile fizice în timpul transportului?

Cereți elevilor să descrie ce factori influențează magnitudinea acestei forțe de reacție.

Întrebarea 6

Determinați polaritatea tensiunii induse între capetele acestei bucle de sârmă, deoarece aceasta se rotește între cei doi magneți:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Întrebare de întrebare: dacă un rezistor a fost conectat între capetele acestei bucla de sârmă, ar fi curent continuu (DC) sau curent alternativ (AC) "note ascunse"> Note:

Rețineți că cele două polarități ale comutatoarelor de capete ale firelor se rotesc. Cereți elevilor să explice de ce polaritățile sunt așa cum sunt.

Întrebarea 7

Dacă capetele unei bucșe de sârmă sunt atașate la două benzi metalice semi-circulară, aranjate astfel încât cele două benzi aproape să formeze un cerc complet și aceste benzi sunt contactate de două "perii" care se conectează la poli opuși ai unei baterii, ce polaritate din tensiune va fi măsurată pe măsură ce bucla este rotită în sens invers acelor de ceasornic?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarele întrebări: polaritatea măsurată la cele două perii de carbon continuă să inverseze "notele ascunse"> Note:

Adresați-vă studenților ce se cheamă cele două benzi metalice de semicerc, în terminologia motorului electric / generatorului.

Întrebarea 8

Cum se referă Legea lui Faraday de inducție electromagnetică la tensiunea de ieșire a unui generator de curent continuu? Conform Legii lui Faraday, ce factori putem modifica pentru a mări tensiunea de ieșire de la un generator de curent continuu?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Măriți rata de schimbare ((dφ) / dt) sau creșteți numărul de rotații în bobina de armătură.

Note:

Cereți elevilor să scrie ecuația pentru Legea lui Faraday pe tablă și apoi să o analizeze într-un sens calitativ (cu variabile care cresc sau scad în valoare) pentru a valida răspunsurile.

Primul răspuns la această întrebare (creștere ((dφ) / dt) a fost lăsat intenționat vag, pentru a-i face pe studenți să gândească. Ce trebuie, în special, pentru a crește această rată de schimbare în timp? Ce variabile ale lumii reale pot fi schimbate după fabricarea generatorului și care nu sunt?

Întrebarea 9

Generatoarele de curent continuu vor acționa ca motoare de curent continuu dacă sunt conectate la o sursă de curent continuu și nu sunt centrifugate la o viteză suficientă. Aceasta este o problemă în sistemele de alimentare cu curent continuu, deoarece generatorul va acționa ca o încărcătură, atrăgând energia de la baterie, atunci când motorul sau alt dispozitiv de tip "prime mover" se oprește în mișcare. Acest generator simplu / circuit de baterie, de exemplu, nu ar fi practic din acest motiv:

Înapoi în zilele în care automobilele folosesc generatoare de curent continuu pentru a-și încărca bateriile, un releu special numit releu de deconectare a curentului invers a fost necesar pentru a preveni descărcarea acumulatorului prin generatorul de gaze ori de câte ori motorul a fost oprit:

Când generatorul este rotit suficient de repede, acesta generează suficientă tensiune pentru a energiza bobina de șunt cu un curent suficient pentru a închide contactul releului. Aceasta conectează generatorul cu bateria și curentul de încărcare curge prin serpentina seriei, creând o atracție magnetică chiar mai mare pentru a menține contactul releului închis. Dacă bateria atinge o încărcare completă și nu atrage curent de încărcare de la generator, releul va rămâne în continuare închis deoarece bobina de șunt este încă alimentată.

Cu toate acestea, contactul releului se va deschide dacă generatorul începe vreodată să acționeze ca o sarcină a bateriei, atrăgând orice curent din acesta. Explicați de ce se întâmplă acest lucru.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Dacă un curent invers trece prin serpentina seriei, câmpul magnetic produs va "bloca" câmpul magnetic produs de bobina șuntului, slăbind astfel puterea totală a câmpului magnetic care trage la armătura releului.

Note:

Un releu de "decuplare a curentului invers" exploatează ingenios polaritățile magnetice reversibile pentru a închide sau a deschide un contact în condițiile corespunzătoare. Deși generatoarele de curent continuu nu mai sunt utilizate în majoritatea sistemelor electrice de automobile (alternatoarele de curent alternativ care utilizează în schimb punți redresoare pentru a converti AC în DC, circuitul redresorului fiind prevenit în mod natural împotriva curentului invers), această aplicație oferă o oportunitate excelentă de a explora o aplicație releu în contextul controlului generatorului.

Întrebarea 10

Un generator de ranire cu șunt are o "înfășurare" de câmp electromagnet care asigură câmpul magnetic staționar în care se rotește armătura:

La fel ca toți electromagneții, intensitatea câmpului magnetic produsă este direct proporțională cu cantitatea de curent prin bobina de sârmă. Dar când generatorul este așezat în staționare, tensiunea de ieșire este zero și, prin urmare, nu va exista curent prin bobinajul câmpului pentru a-l energiza și produce un câmp magnetic pentru ca arma să se rotească. Acest lucru provoacă o problemă, deoarece armătura nu va avea nici o tensiune indusă în înfășurările sale până când nu se rotește și are un câmp magnetic staționar din câmpul de înfășurare pentru a se roti.

Se pare că avem o situație de tip catch-22: generatorul nu poate emite o tensiune până când bobina de câmp nu este alimentată cu energie electrică, dar înfășurarea câmpului nu va fi alimentată până când generatorul (armatura) nu scoate o anumită tensiune. Cum poate generatorul să înceapă să producă tensiune, având în vedere această situație "# 10"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

De obicei, există suficientă magnetism rezidual în câmpurile de câmp pentru a iniția o acțiune generatoare atunci când se întoarce.

Întrebare de întrebare: ce am putea face dacă polii de câmp al generatorului au pierdut vreodată în totalitate magnetismul rezidual? Cum ar putea începe generatorul?

Note:

În zilele în care generatoarele erau comune în sistemele electrice de automobile, aceasta a fost o problemă destul de frecventă. Cu toate acestea, generatoarele ar putea fi "mișcate" astfel încât să restabilească din nou acest câmp magnetic rezidual.

Întrebarea 11

Într-un generator de curent continuu cu șunt, tensiunea de ieșire este determinată de viteza de rotație a armăturii și de densitatea fluxului de câmp magnetic staționar. Pentru o viteză dată a armăturii, ceea ce împiedică tensiunea de ieșire să "fugă" până la niveluri infinite, deoarece tensiunea de ieșire energizează bobina de câmp, ceea ce duce la un flux de câmp mai mare, ceea ce duce la o tensiune de ieșire mai mare, care duce la . . . ?

Evident, trebuie să existe o anumită limită inerentă acestui ciclu altfel vicios. În caz contrar, tensiunea de ieșire a unui generator de curent continuu cu șunt va fi complet instabilă.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

La o anumită cantitate de curent de înfășurare pe câmp, polii de câmp ai generatorului se saturează, împiedicând astfel creșterea fluxului magnetic.

Note:

Această întrebare oferă o mare oportunitate de a revizui conceptul de "saturație magnetică", precum și de a introduce conceptul de inginerie de feedback pozitiv .

Întrebarea 12

În ceea ce privește un generator electric de curent continuu, care este planul neutru "# 12"> Reveal răspuns Ascunde răspunsul

"Planul neutru" este acel punct de rotație în care o înfășurare a armăturii rotative nu are o tensiune indusă în ea, datorită ((dφ) / dt) fiind egală cu zero. Într-o mașină simplă, cu două poli, planul neutru este perpendicular pe linia centrală a poliilor de câmp:

Note:

Întrebați elevii dvs. de ce "planul neutru" este un aspect important al unui generator de curent continuu sau al geometriei motorului. Ce legătură are planul neutru în ceea ce privește poziționarea periei?

Întrebarea 13

Să presupunem că un generator este cuplat mecanic la un motor cu combustie internă într-un automobil, în scopul încărcării bateriei de pornire. Pentru ca bateria să nu fie supraîncărcată de generator, trebuie să existe un mod de a controla tensiunea de ieșire a generatorului într-o gamă largă de turații ale motorului.

Cum se realizează de regulă această reglare a tensiunii de ieșire a generatorului? Ce variabilă în generatorul poate fi reglată foarte ușor pentru a menține o tensiune de ieșire aproape constantă? Exprimați-vă răspunsul în legătură cu Legea lui Faraday de inducție electromagnetică.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Cea mai obișnuită metodă de control al tensiunii generatorului este ajustarea excitației înfășurării în câmp.

Note:

Deși excitația de înfășurare a câmpului reglabil este forma cea mai populară de control al tensiunii de ieșire a generatorului, nu este singurul mijloc. Provocați elevilor să inventeze alte modalități de control al încărcării pentru bateria din acest sistem electric auto, în afară de controlul excitației înfășurărilor în câmp. Ce altceva putem face cu generatorul sau cu circuitul din interior pentru a realiza controlul încărcării bateriei?

Întrebarea 14

În cele mai multe modele de generatoare de curent continuu și motoare de mare putere, sârma utilizată pentru a face înfășurarea câmpului este un instrument mult mai subțire decât firul folosit pentru a face înfășurarea armăturii. Aceasta indică mărimea relativă a curentului prin respectivele înfășurări, cu bobinele de armatură care conduc mult mai mult curent decât bobinele de câmp.

Că armătura conduce mai mult curent decât câmpul nu este o problemă mică, deoarece tot curentul prin armătură trebuie să fie condus prin periile și barele de comutator. Cu cât aceste componente trebuie să fie mai actuale, cu atât mai scurtă este durata lor de viață, toți ceilalți factori fiind egali.

Generatorul nu a putut fi redesenat astfel încât câmpul să conducă cea mai mare parte a curentului, cu armătura conducând doar o cantitate mică? În acest fel, periile și barele de comutatoare ar trebui să suporte doar o fracțiune din curentul lor normal, făcându-le mai puțin costisitoare și mai lungi. Explicați de ce acest lucru este imposibil de făcut.

Sugestie: luați în considerare proiectarea unui generator cu magnet permanent.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Este imposibil ca înfășurarea câmpului să conducă mai mult curent decât armătura într-un generator de curent continuu funcțional, deoarece armătura trebuie să fie sursa de energie electrică, în timp ce câmpul este doar o sarcină .

Note:

Întrucât uzura periei și a comutatorului este motivul principal pentru care motoarele și generatoarele de curent alternativ sunt favorizate peste DC, orice idee care ar putea reduce reducerea "uzurii" la motoarele de curent continuu sau la periile generatoarelor merită luată în considerare. Cu toate acestea, ideea propusă în această întrebare nu va funcționa niciodată. Aceasta nu este neapărat o întrebare ușoară de răspuns, deoarece testează înțelegerea studenților cu privire la teoria generatoarelor. Sugestia dată în întrebare ("considera un generator cu magnet permanent") are rolul de a forța elevii să simplifice problema, considerând un design al generatorului de lucru care are doar o singură înfășurare (armătura). Prin simplificarea problemei în acest fel, elevii ar trebui să vadă că înfășurarea armăturii trebuie să transporte cea mai mare parte a curentului într-un generator de curent continuu.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →