6.4. Генератор постоянного тока
6.4.1. Режим генератора постоянного тока
Генератор постоянного тока вращается с помощью асинхронного двигателя с частотой n (Рис.6.11). Согласно II закону Кирхгофа напряжение на зажимах генератора будет:
Рис.6.11.
Когда ток I течет по обмотке якоря, возникает электромагнитный момент сопротивления.
То есть имеем: 
Механическая мощность на валу двигателя преобразуется в электрическую мощность генератора и уравнение баланса мощностей будет:
Преобразование механической энергии в электрическую удобно объяснить с помощью диаграммы мощностей (Рис.6.12) и тогда КПД генератора можно выразить следующей формулой:
Рис.6.12.
На этом рисунке представлены следующие величины: Pмех - механические потери мощности на трение в подшипниках; Pя - электрические и магнитные потери в якоре; Pв - потери мощности на возбуждение (в статоре).
Для объяснения принципа действия генератора постоянного тока используем логическую диаграмму (Рис.6.13).
Рис.6.13.
С помощью диаграммы определим последовательность явлений и событий:
1) приводной двигатель создает момент Мдв и вращает с частотой n якорь генератора;
2) под действием напряжения Uв по цепи статора течет ток Iв, который создает магнитный поток в;
3) согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) этот поток наводит ЭДС Е. Если цепь якоря замкнута, то по ней течет ток Iя и на зажимах генератора возникает напряжение U = E - Iя rвн.
4) ток Iя создает магнитный поток я, который суммируется с потоком в, образуя рабочий поток p (p = в + я). Этот же ток Iя, вступая во взаимодействие с рабочим потоком p создает электромагнитные силы (ЭМС) и соответствующий противодействующий момент Мг.
6.4.2. Характеристики генераторов постоянного тока
Основными характеристиками ГПТ являются:
- внешняя характеристика U = f(I) , n = const., Iв = const.;
- регулировочная характеристика Iв = f(I) , n = nн, U = Uн ;
- характеристика холостого хода E = f(Iв), I = 0, n = nн.
Эти характеристики зависят от способа возбуждения генератора.
6.4.3. Генератор с независимым возбуждением Генератор с независимым возбуждением показан на рис.6.14.
Рис.6.14.
В этом случае статор питается от дополнительного источника. Внешняя характеристика такого генератора U = f(I) представлена на рис. 6.15. Без нагрузки имеем напряжение холостого хода Uo = E , которое в дальнейшем уменьшается, по мере увеличения тока I.
Рис.6.15 Рис.6.16
При номинальной нагрузке падение напряжения U достигает 8 - 10% от величины ЭДС E.
Для компенсации падения напряжения необходимо увеличивать ток возбуждения при возрастании нагрузки согласно регулировочной характеристики генератора Iв = f(I) (Рис.6.16).
Единственным недостатком такого генератора является наличие дополнительного источника для цепи возбуждения, что уменьшает КПД машины в целом.
6.4.4. Процесс самовозбуждения генератора постоянного тока
Все остальные типы генераторов постоянного тока относятся к генераторам с самовозбуждением. Рассмотрим процесс самовозбуждения подробно с помощью характеристики холостого хода E= f(Iв) представленной на рис. 6.17.
Рис.6.17.
Из анализа этого процесса следует, что самовозбуждение возможно при соблюдении трех условий:
1) существование остаточного намагничивания, которому соответствует ЭДС Eo. Под действием этой ЭДС протекает небольшой ток намагничивания, который создает магнитный поток больший, чем остаточный. Этот поток наводит ЭДС большую, чем Eo и т.д. ЭДС растет, когда растет ток возбуждения;
2) направление остаточного магнитного потока должно совпадать с направлением потока создаваемого. Этот процесс закончится, когда пересекутся две характеристики: холостого хода E = f(Iв) и цепи возбуждения Uв = f(Iв).
Точка A, представленная на рис. 6.17. называется рабочая точка холостого хода.
3) если увеличивать сопротивление Rв характеристика Uв = f(Iв) начнет поворачиваться и для некоторого сопротивления Rвкр, называемого критическим, эта линия станет касательной к характеристике холостого хода. В этом случае процесс самовозбуждения прекращается.
Следовательно, третье условия таково Rв < Rвкр.