3. Генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением.

3.1. Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Если рамка с активными проводниками ab и cd (рис.1) вращается в поле постоянных магнитов NS, то согласно закону электромагнитной индукции в проводниках ab и cd возникает ЭДС: E=BlVsinα, где В - индукция магнитного поля; l - длина активного проводника; V - окружная скорость движения проводника; sinα - угол между направлением магнитных силовых линий и направлением движения проводника в рассматриваемый момент времени.

Р ис. 1. Принцип работы генератора постоянного тока

Если концы проводников подключить к кольцам и от них через щётки 1 и 2 питать цепь нагрузки лампы Rн, то при замыкании рубильника Р по цепи потечёт ток Iн, также изменяющийся по синусоидальному закону, т.е. переменный ток. Для выпрямления этой переменной ЭДС подключим проводники ab и cd не к кольцам, а к полукольцам (рис. ). Щётки 1 и 2 установлены таким образом, что переходят с одного полукольца на другое в момент, когда в проводниках рамки ЭДС отсутствует (рамка повёрнута на 90˚ относительно продольной оси полюсов, т.е. расположена по поперёчной оси полюсов). В этом случае к щёткам 1 и 2 подводится ЭДС одного направления в течение полного оборота рамки, хотя в самих проводниках ab и cd ЭДС по-прежнему является переменной.

Под действием ЭДС одного направления по цепи нагрузки потечёт ток одного направления, но пульсирующий. Щётка, от которой ток оттекает во внешнюю цепь (нагрузки) считается положительной («плюсовой»), а щётка, к которой притекает ток - отрицательной («минусовой»).

Таким образом применение полуколец вместо колец позволило получить в цепи нагрузки ток одного направления, хотя в проводниках рамки возникает переменная ЭДС, т.е. полукольца являются механическим выпрямителем. Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного тока и получить большое значение ЭДС на щётках 1 и 2 генератора постоянного тока, применяется большое число пластин, располагаемых на коллекторе, и большое число активных проводников якоря.

В реальных генераторах постоянного тока магнитное поле создаётся не постоянными магнитами, а обмотками возбуждения, расположенными на сердечниках полюсов. Магнитное поле с потоком Ф (рис.2) создаётся за счёт протекания тока I_в в обмотке возбуждения W_вв. В подвагонных генераторах обмотка включается параллельно обмотке якоря Я - к щёткам 1 и 2.

Р ис.2. Электрическая схема генератора постоянного тока с параллельным возбуждением

За счёт остаточной намагниченности сердечников полюсов в генераторе всегда имеется небольшое по величине магнитное поле (магнитный поток). При движении вагона якорь вращается в этом слабом магнитном поле. Под действием его в проводниках обмотки якоря возникает ЭДС, на щётках появляется небольшая выпрямленная коллектором ЭДС, под действием которой в обмотке возбуждения потечёт ток возбуждения. Ток возбуждения вызовет появление магнитного потока, который имеет большее значение, чем поток остаточного магнетизма, следовательно на щётках возникает ЭДС большей величины: E=C_enФ, где C_e - конструктивный коэффициент генератора; n - частота вращения якоря, об/мин; Ф - магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения.

Большая ЭДС вызовет увеличение тока возбуждения (по закону Ома I_в=E/r_в, где r_в - сопротивление обмотки возбуждения, что приведёт к дальнейшему возрастанию ЭДС и т.д. Происходит самовозбуждение генератора. При замыкании рубильника Р под воздействием ЭДС через резистор R_н потечёт ток нагрузки, который вызовет падение напряжения на сопротивлении r_в обмотки якоря, равное Ir_я. Значит, напряжение U на щётках 1 и 2 будет меньше ЭДС на величину этого падения напряжения, т.е. U=E-Ir_я, или U=C_enФ-Ir_я.

Из последней формулы следует, что напряжение зависит от частоты вращения генератора, т.е. скорости движения вагона; от магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, который в свою очередь зависит от тока возбуждения; от тока возбуждения; от тока нагрузки генератора (чем больше ток нагрузки, тем меньше напряжение).

Полярность выходных зажимов генератора (на щётках 1 и 2) зависит от направления вращения якоря, т.е. направления движения вагона; при изменении направления вращения якоря на обратное изменяется и знак полярности. Для сохранения прежней полярности на щётках генератора при изменении направления движения вагона следует поменять местами щётки 1 и 2. Такая система принята на генераторах вагонов постройки Германии и Польши, у которых траверса со щётками выполнена подвижной и при изменении направления движения вагона за счёт трения щёток о коллектор поворачивается так, что «плюсовая» щётка занимает место «минусовой», и наоборот.

Поскольку потребители электрической энергии вагона требуют неизменного по величине напряжения при любой скорости поезда, наиболее просто поддерживать его путём изменения магнитного потока, т.е. регулированием тока возбуждения I_в. Эту задачу выполняет регулятор напряжения генератора, угольный столб (резистор с переменным сопротивлением) которого включен последовательно в цепь обмотки возбуждения.

3.2. Устройство. В системах электроснабжения применяются генераторы с параллельным возбуждением производства Германии типов 23/07.11 мощностью 4,5 кВт с плоскоремённым приводом; 23/07.17, 23/07.19 и 23/07.21 мощностью 4,9 кВт с редукторно-карданным приводом; производства Польши типа PW-11AB мощностью 4,55 кВт; производства Венгрии типа ЕУ648/1 мощностью 4,5 кВт с редукторно-карданным приводом.

Рис. 3. Устройство генератора типа 23/07.21

Генератор 23/07.21 (рис.3) состоит из неподвижного статора 1 и вращающегося якоря 15. Стальной литой остов статора генератора имеет лапы для его крепления к боковой балке рамы тележки. Остов состоит из основной полюсной части 14 и коллекторной коробки 13 с четырьмя проёмами, предназначенными для осмотра и замены щёток. Эти проёмы закрыты защитным кожухом 2 с запором для предотвращения попадания пыли и влаги внутрь генератора. К коллекторной коробке крепится подшипниковый щит 3, в котором установлен цилиндрический роликовый подшипник 6. Для смазки подшипника предусмотрена крышка 7. К полюсной части 14 крепится подшипниковый щит 16 с радиально-упорным шарикоподшипником 19 и лабиринтовой крышкой 17. Уплотнительные войлочные кольца 5 и 18 служат для предотвращения попадания смазки внутрь генератора. Траверса 12 генератора поворачивается на втулке 4, соединённой с подшипниковым щитом 3. Фланцевая втулка 20 предназначена для присоединения приводного вала генератора. Для удобства электрического присоединения генератор имеет штепсельный разъём, состоящий из розетки 9, прикреплённой к коробке зажимов 10, и штепселя 8. В коробке зажимов размещается клеммная колодка 11 и помехоподавляющий конденсатор ёмкостью 3×0,5 мкФ на рабочее напряжение 220 В переменного тока.