В этом уравнении

Σr=r_a+r_д+r_ко+r_c+r_щ (5.4)

Где: r_a – сопротивление обмотки якоря , приведенное к щеткам; r_д – сопротивление обмотки добавочных полюсов; r_ко – сопротивление компенсационной обмотки; r_с – сопротивление сериесной обмотки; r_{щ -} сопротивление щеточного контакта. Якорь генератора приводится во вращение первичным двигателем, который создает на валу вращающий момент m₁. Если генератор не нагружен, то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода m_о, определяемы силами трения и вихревыми токами в сердечнике. Если же генератор нагружен внешним потребителем, то в обмотке якоря появляется ток. Это ток взаимодействует с магнитным полем индуктора, в результате чего возникает электромагнитный момент м, противодействующий вращению якоря. Это момент нагружает первичный двигатель, последний должен преодолевать его действие. При неизменной скорости вращения якоря момент первичного двигателя м₁ уравновешивается суммой противодействующих моментов генератора:

М₁ =м_о+м (5.5)

Это уравнение называют уравнением моментов генератора при n=const. В этом уравнении м_о – момент, обусловленный силами, противодействующими вращению якоря при отсутствии нагрузки (при холостом вращении якоря). М – электромагнитный момент машины, величина которого определяется силой электромагнитного взаимодействия f_эм тока якоря с основным магнитным полем машины. Природа и взаимодействие указанных моментов показаны на рис. 5.10. Умножив правую и левую части на угловую скорость ротора ω, получим уравнение мощностей:

Р₁=р_о+р_эм (5.6)

Здесь р₁=м₁ω – механическая мощность, подводимая к генератору от первичного двигателя (см. Рис. 5.10); р_о=м_оω –покрываемая первичным двигателем мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения и вентиляционных потерь в генераторе, на перемагничивание магнитопровода и других потерь в генераторе при отсутствии полезной нагрузки (потерь холостого хода); р_эм=мω – электромагнитная мощность генератора.

Рис.5.10. Вращающие моменты, действующие

при работе генератора:

ПД – первичный двигатель; Ω – угловая частота вращения вала первичного двигателя и ротора генератора; М_о – момент холостого хода генератора; F_эм – сила электромагнитного взаимодействия тока в проводнике якоря с магнитным поле индуктора; М – электромагнитный момент генератора.

Известно, что последняя может бать одновременно определена, как р_эм=е_аi_а. Тогда с учетом (5.3) имеем:

Р_эм=ui_а+i_a²σr=р₂+р_эа (5.7)

Где р₂ – полезная мощность генератора, отдаваемая нагрузке; р_эа –потери мощности на нагрев обмотки якоря и щеточного контакта. Если учесть и мощность р_эв, затрачиваемую на возбуждение (для генератора с самовозбуждением), то можно составить уравнение баланса мощностей генератора:

Р₁=р₂+р_о+р_эа+р_эв (5.8)

Делаем вывод: мощность р₁, развиваемая первичным двигателем, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность р₂, отдаваемую нагрузке, и мощность, которая расходуется на покрытие потерь (р_о+р_эа+р_эв). Последняя, в конечном итоге, обусловливает нагрев генератора. Переходя к рабочим характеристикам машины, отметим, что во время работы генератора его якорь приводится во вращение первичным двигателем. В это же время в его обмотку возбуждения подается постоянный ток для создания основного магнитного потока. Поэтому в обмотке якоря индуктируется эдс, которую можно определить, использовав закон электромагнитной индукции для машины постоянного тока:

е=сωф (5.9)

Где: с=рn/(2πа) – величина, определяемая конструкцией обмотки (здесь р – число пар полюсов; n – общее число проводников обмотки, размещенных в пазах якоря; а – число пар параллельных ветвей), ω=2πn/60 – угловая скорость ротора. Если к выводам якорной обмотки подключить потребителя, то в его цепи возникнет ток, величина которого определяет нагрузку генератора. В генераторе независимого возбуждения индуктор питается током от независимого (постороннего) источника. Принципиальная электрическая схема генератора с независимым возбуждением и его основные характеристики приведены на рис. 5.11. На схеме рис. 5.11а) показано, что его обмотка возбуждения (ов) питается от постороннего источника u_в через потенциометр r_в. Его наличие позволяет в широких пределах изменять величину тока возбуждения i_в. В итоге имеется возможность в широких пределах регулировать величину эдс е_а, индуктируемой в якоре.

Рис.5.11. Характеристики генератора

с независимым возбуждением: а) схема включения;

б) характеристика холостого хода; в) внешняя характеристика; в) регулировочная характеристика

Это – серьезное достоинство генератора с независимым возбуждением. К основным характеристикам такого генератора относят: характеристику холостого хода (рис. 5.11б), внешнюю (рис. 5.11в) и регулировочную (рис. 5.11г) характеристики. Характеристика холостого хода – это зависимость напряжения ненагруженного генератора от величины тока возбуждения u_о =f(i_в) при n=const. Ясно, что при отсутствии тока в цепи якоря имеет место равенство u_о=е_а. Поэтому при проведении опыта холостого хода измерительный прибор (вольтметр) должен быть подключен непосредственно к зажимам якоря генератора. При проведении опыта вначале устанавливают i_в=0 и измеряют напряжение u_ост, обусловленное магнитным потоком остаточного намагничивания магнитной системы машины, сохранившегося от предыдущего включения машины. Это напряжение обычно составляет u_ост=(0,02÷0,04)u_ном. Затем постепенно увеличивают ток возбуждения до тех пор, пока напряжение на зажимах якоря достигнет величины u_o≈1,2u_ном, и при этом снимают восходящую ветвь 1 характеристики. Затем постепенно уменьшают ток возбуждения и снимают нисходящую ветвь 2 характеристики. Она проходит несколько выше ветви 1 вследствие увеличения потока остаточного намагничивания за счет протекания тока i_вmax. Таким образом, полученная зависимость отражает свойство гистерезиса магнитной системы машины. Так как для нее всегда подбирают материалы с минимальной остаточной намагниченностью, то расхождением между восходящей и нисходящей ветвями характеристики обычно пренебрегают и за расчетную берут среднюю кривую 3, показанную на рисунке пунктиром. Особенностью этой кривой является её нелинейность, которая характеризует магнитное насыщение машины при значительной величине тока возбуждения. Внешняя характеристика показывает зависимость напряжения на выводах генератора от величины тока нагрузки u=f(i_н) при i_в=const и n=const. Внешние характеристики также снимают при возрастающей и убывающей нагрузках и строят среднюю линию, которой и пользуются в практических целях. Наклон характеристики к оси абсцисс характеризует так называемую жесткость внешней характеристики: чем меньше изменение напряжения δu, тем более жесткая характеристика. Регулировочная характеристика представляет собой зависимость тока возбуждения от величины тока нагрузки i_в=f(i_н) при u=u_ном=сonst и n=const. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения, чтобы поддержать неизменным напряжение на зажимах якоря при изменении тока нагрузки. Так, при номинальной нагрузке i_ном ток возбуждения следует увеличить до значения i_в.ном, чтобы напряжение на нагрузке было равно номинальному. Необходимость увеличения тока возбуждения по сравнению с током i_в.о при холостом ходе машины, объясняется тем, что часть индуктируемой в якоре эдс компенсируется падением напряжения на собственном сопротивлении якорной обмотки (i_ar_a), а также размагничивающим действием реакции якоря. Особенности характеристик генератора постоянного тока с самовозбуждением рассмотрим на примере шунтового генератора. В этом случае питание обмотки возбуждения осуществляется от зажимов обмотки якоря. Принципиальная электрическая схема генератора с параллельным возбуждением приведена на рис. 5.12а). При таком включении самовозбуждение генератора возможно только в случае, если после разгона ротора в обмотке возбуждения появится ток i_в. Достигается это, благодаря наличию в машине остаточной намагниченности, сохранившегося от предыдущего включения. Следует отметить, что ток возбуждения составляет i_в=(0,02÷0,05)i_а и поэтому не оказывает существенного влияния на режим якорной цепи. Самовозбуждение шунтового генератора возможно только при выполнении следующих условий. Первое – наличие в машине остаточной намагниченности, при отсутствии остаточного потока генератор приходится подмагнитить. Второе – обмотка возбуждения должна быть так подключена к зажимам якоря, чтобы ток, возникший в обмотке возбужден создал мдс f_в, направленную согласно с остаточным потоком ф_ост машины. Третье: общее активное сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического значения.

Рис.5.12. Характеристики генераторов

с самовозбуждением

Если первые два условия очевидны, то третье нуждается в пояснении. В процессе самовозбуждения ток в обмотке овш не остается постоянным, а нарастает до некоторого установившегося значения i_в согласно уравнению переходного процесса

U_в=i_вr_в+l_вdi_в/dt (5.10)

Где: u_в – текущее значение напряжения на зажимах обмотки якоря; i_вr_в – падение напряжения на активном сопротивлении цепи возбуждения; l_вdi_в/dt – эдс самоиндукции, наводимая в обмотке возбуждения нарастающим потоком индуктора. Физический смысл всех указанных величин показан на рис. 5.12б). Здесь изображена характеристика холостого хода машины u_о =f(i_в) и вольтамперная характеристика цепи возбуждения u_в=i_вr_в. Последняя имеет вид прямой, проведенной под углом α_r к горизонтальной оси. Тангенс этого угла пропорционален активному сопротивлению цепи возбуждения. Из уравнения (5.9) следует, что процесс нарастания тока i_в будет происходить ( >0), если будет соблюдаться условие (u_в – i_вr_в)/l_в>0. Это значит, что вольтамперная характеристика цепи (линия 2) должна располагаться ниже характеристики холостого хода 3, когда α<α_кр. Если же линия 2 совпадет с линией 1 или проедет еще выше, самовозбуждение генератора невозможно. Внешняя характеристика шунтового генератора существенно отличается от рассмотренной внешней характеристики генератора с независимым возбуждением. Её типичная форма показана на рис. 5.12в). С ростом нагрузки напряжение генератора в этом случае уменьшается по трем причинам: увеличение падения напряжения на сопротивлении якоря, размагничивающее действие реакции якоря, уменьшение величины тока возбуждения и соответствующего уменьшения эдс якоря. Поэтому изменение напряжения при номинальной нагрузке здесь достигает 10÷30%. Генератор может быть нагружен до определенного критического значения тока i_кр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки происходит ускоренное падение эдс якоря, и ток нагрузки начинает падать. В этом случае говорят, что генератор «опрокидывается». Регулировочная характеристика шунтового генератора не отличается от рассмотренной выше. Генератор смешанного возбуждения имеет на главных полюсах две обмотки: параллельную и последовательную. При холостом ходе ток в последовательной обмотке отсутствует, и генератор ведет себя, как шунтовой. В режиме нагрузки магнитное поле возбуждения создается совместным действием обеих обмоток. Если они включены согласно (их мдс имеют одинаковое направление), тогда при ростом тока нагрузки последовательная обмотка подмагничивает машину, компенсируя размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения на сопротивлении якоря. В конечном итоге достигается меньшее значение изменения напряжения при нагрузке. В компаундных генераторах оно может быть снижено до 2÷3%, что упрощает эксплуатацию машины. В сварочных генераторах параллельную и последовательную обмотки включают встречно (кривая 2 на рис. 5.12г). Это позволяет получить круто падающую внешнюю характеристику, что важно для устойчивого горения сварочной электрической дуги.

2.7. Двигатели постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока может работать как генератором, так и двигателем. Принципиальное отличие этих режимов состоит в том, что при работе генератором ток в якоре совпадает по направлению с эдс якоря, а при работе двигателем, они направлены встречно друг к другу. При работе в генераторном режиме уравнение якорной цепи машины имеет вид (5.3). Преобразовав это выражение, получим для тока якоря:

I=(e – u)/σr_a (5.11)

Для перевода машины постоянного тока в режим двигателя, нужно подвести к зажимам якоря возбужденной машины напряжение от источника постоянного тока, соблюдая полярность зажимов якорной обмотки. Возникший в обмотке якоря ток, взаимодействуя с магнитным полем индуктора, создаст силы f_эм (см. Рис. 5.10) и электромагнитный вращающий момент м. Если этот момент по своему номиналу превышает момент сил, противодействующих вращению якоря, последний начнет вращаться в противоположном, по сравнению с рассмотренным ранее генераторным режимом, направлении. Электромагнитный момент из тормозного превращается в движущий. В проводниках якоря, пересекающих при его вращении силовые линии поля индуктора, будет индуктироваться эдс согласно закону электромагнитной индукции. Её направление легко определить по правилу правой руки и убедиться, что направлена она будет навстречу току в проводнике. Таким образом, по мере разгона возрастающая эдс якоря будет уменьшать ток в его обмотке до тех пор, когда указанная эдс уравновесит приложенное к якорю напряжение. Отсюда следует, что уравнение напряжений (5.9) для цепи якоря приобретает вид:

U=e + iσr_a,, то есть - е<u (5.12)