1. Законы электромеханики. Принцип обратимости эм.

ЭМ являются электромеханическими преобразователями одного вида энергии в другой. Если преобразуется электрическая энергия в механическую, то это электродвигатель, если наоборот, то генератор. В основе этого преобразования 2 основных закона электричества и магнетизма: закон электромагнитной индукции, который лежит в основе генераторного режима работы и закон взаимодействия проводника с током с магнитным полем – в основе двигательного режима работы.

Закон электромагнитной индукции:

В соответствии с законом ЭМ индукции при движении рамки в магнитном поле в ней возникает ЭДС, величина которой пропорциональна скорости изменении потока, пронизывающего эту рамку

Направление ЭДС определяется правилом Ленца, в соответствие с которым ток, возникающий под действием этой ЭДС, имеет такое направление, что создаваемый этим током поток стремится поддержать убывающий поток, пронизывающий рамку.

Поток – это индукция магнитного поля полюсов в воздушном зазоре δ.

- активная длина проводника, движущегося в поле.

Закон взаимодействия проводника с током с магнитным полем:

Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него действует электромагнитная сила или сила Лоренца:

Принцип обратимости ЭМ заключается в том, что ЭМ может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить с одного режима в другой. Генератор: На обмотку возбуждения(ОВ) подается постоянный ток, со стороны вала на якорь механическая энергия. Если к якорю подключить нагрузку, то появится ток, который будет в фазе с ЭДС. Этот ток взаимодействует с полем и создается эм сила, которая создает тормозной момент. Двигатель: подаем напряжение на зажимы якоря от сети и постоянный ток на ОВ. Когда проводники с током находятся в магнитном поле на них действует сила Лоренца fэм которая создает вращающий момент. Якорь начинает вращаться и в проводниках индуцируется ЭДС, находящееся в противофазе с током проводника.

2 .Генератор постоянного тока независимого возбуждения его характеристики и схема.

ЭДС Е₂ индуцированная в обмотке якоря. r₂ – омическое сопротивление обмотки якоря, I₂ – ток обмотки якоря, I₂ = I_н, I_н – ток нагрузки, U₂ – напряжение на зажимах якоря или напряжение на нагрузке, R_н – сопротивление нагрузки,

U₁ – напряжение на обмотке возбуждения (ОВ)

I₁ – ток ОВ, r₁ – омическое сопротивление ОВ

Ф_δ – поток в воздушном зазоре

а) Характеристика холостого хода

П ри снятии характеристики Е₂₀ = f(I₁) генератор работает в режиме х.х. и тока в якоре нет (I₂=0) и n₂=const. Затем постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором напряжение на выводах генератора становится на 15% больше номинального напряжения.

Из графика видно, что при I₂=0 напряжение Е₂₀≠0, что объясняется наличием небольшого потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. При увеличении тока возбуждения, напряжение сначала растет прямо пропорционально току возбуждения, а затем начинает расти медленнее из-за насыщения стали машины и график приобретает криволинейный вид.

б) Внешняя характеристика

Э то зависимость U₂=f(I₂) при I₁=const и n₂=const.

Уравнение равновесия напряжения на якорной цепи: ↓U₂=↓Е₂-↑I₂·r₂- ΔU_щ

Из графика видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора уменьшается, что объясняется следующими причинами: 1) с ростом тока нагрузки I падает напряжения в обмотке якоря (I₂·R₂); 2)падает напряжение в щеточном контакте

3) растет размагничивающее влияние реакции якоря, следовательно, уменьшается магнитный поток Ф и уменьшается ЭДС обмотки якоря Е_а.

Жесткость внешней характеристики оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

.

Обычно для ГПТ независимого возбуждения ΔU_ном=5÷10%.

в) Регулировочная характеристика

Х арактеристика I_в=f(I₂) при U₂=const и n₂=const показывает, как следует менять ток возбуждения I_в, чтобы напряжение на выводах генератора оставалось неизменным и равным номинальному.

Так как при увеличении нагрузки на генератор напряжение на его выводах уменьшается, то для компенсации падения напряжения в цепи якоря (I_а·R_а) и размагничивающего влияния реакции якоря следует увеличивать ток возбуждения т.е.↑I_в  ⇒ ↑Ф  ⇒ ↑Е_а

г) Характеристика короткого замыкания

З ависимость тока якоря от тока возбуждения, (I₂=f(I₁)), при n₂=const, U₂=0.

Основной недостаток ГПТ независимого возбуждения – это необходимость в источнике постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах и сравнительно жесткая внешняя характеристика являются его достоинствами. Эти генераторы широко применяют на тепловозах в качестве тяговых.

д) Нагрузочная характеристика

Это зависимость U₂=f(I₁) при неизменной нагрузке и постоянной частоте вращения. В нагрузочном режиме напряжение на выводах генератора ниже, чем в режиме х.х., что объясняется появлением тока в обмотке якоря.

На холостом ходу напряжение ГПТ U₀=Е_а, а при работе под нагрузкой U=Е_а-I_а·R_а, так как появилось падение напряжения на активном сопротивлении цепи якоря. Следовательно, нагрузочная характеристика будет располагаться на графике ниже характеристики х.х. 

Д ля оценки влияния реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря строят характеристический треугольник абв, катеты которого соответствуют: аб — падению напряжения в цепи якоря (I₂·R₂), бв — размагничивающая реакция якоря.

Для построения характеристического треугольника необходимо иметь характеристику холостого хода 1 и нагрузочную 2. На нагрузочной характеристике находят точку номинального напряжения а. Для определения э. д. с. генератора вертикально вверх от точки а откладывают отрезок аб =I_aR_a.

Ордината бд определяет э. д. с. генератора. Для ее создания при номинальном режиме необходимо, чтобы по обмотке возбуждения проходил ток, равный од. Если бы реакции якоря не было, то (согласно характеристике холостого хода) для создания этой э. д. с. потребовался бы ток возбуждения ог. Следовательно, сторона характеристического треугольника бв = од — ог соответствует току возбуждения, компенсирующему размагничивающее действие реакции якоря. Прямоугольный треугольник абв называется характеристическим.