2.2.1 Режим генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока вращается с помощью асинхронного двигателя с частотой n (Рис.2.11). Согласно II закону Кирхгофа напряжение на зажимах генератора будет:

Рис.2.11

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.2.12) и тогда КПД генератора можно выразить следующей формулой:

Рис.2.12

На этом рисунке представлены следующие величины:

DP_мех- механические потери мощности на трение в подшипниках;

DP_я - электрические и магнитные потери в якоре;

DP_в - потери мощности на возбуждение (в статоре).

Для объяснения принципа действия генератора постоянного тока используем логическую диаграмму (Рис.2.13).

Рис.2.13

С помощью диаграммы определим последовательность явлений и событий:

1) приводной двигатель создает момент М_дв и вращает с частотой n якорь генератора;

2) под действием напряжения U_в по цепи статора течет ток I_в, который создает магнитный поток F_в;

3) согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ) этот поток наводит э.д.с. Е. Если цепь якоря замкнута, то по ней течет ток I_я и на зажимах генератора возникает напряжение U = E - I_я r_вн.

4) ток I_я создает магнитный поток F_я, который суммируется с потоком F_в, образуя рабочий поток F_p (F_p = F_в + F_я). Этот же ток I_я, вступая во взаимодействие с рабочим потоком F_p создает электромагнитные силы (ЭМС) и соответствующий противодействующий момент М_г.

2.2.2 Характеристики генераторов постоянного тока

Основными характеристиками ГПТ являются:

- внешняя характеристика U = f(I) , n = const., I_в = const.;

- регулировочная характеристика I_в = f(I) , n = n_н, U = Uн ;

- характеристика холостого хода E = f(I_в), I = 0, n = n_н.

Эти характеристики зависят от способа возбуждения генератора.

2.2.3 Генератор с независимым возбуждением (Рис.2.14)

Рис.2.14

В этом случае статор питается от дополнительного источника. Внешняя характеристика такого генератора U = f(I) представлена на рисунке 2.15. Без нагрузки имеем напряжение холостого хода Uo = E , которое в дальнейшем уменьшается, по мере увеличения тока I.

Рис.2.15 Рис.2.16

При номинальной нагрузке падение напряжения DU достигает 8 - 10% от величины э.д.с. E.

Для компенсации падения напряжения необходимо увеличивать ток возбуждения при возрастании нагрузки согласно регулировочной характеристики генератора I_в = f(I) (Рис.2.16).

Единственным недостатком такого генератора является наличие дополнительного источника для цепи возбуждения, что уменьшает КПД машины в целом.

2.2.4 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 (I_в) представленной на рисунке 2.17.

Рис.2.17

Из анализа этого процесса следует, что самовозбуждение возможно при соблюдении трех условий:

1) существование остаточного намагничивания, которому соответствует э.д.с. E_o. Под действием этой э.д.с. протекает небольшой ток намагничивания, который создает магнитный поток больший, чем остаточный. Этот поток наводит э.д.с. большую, чем E_o и т.д. Э.д.с. 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(I_в) и цепи возбуждения U_в = f(I_в).

Точка A, представленная на рисунке 2.17 называется рабочая точка холостого хода.

3) если увеличивать сопротивление R_в характеристика U_в = f(I_в) начнет поворачиваться и для некоторого сопротивления R_вкр, называемого критическим, эта линия станет касательной к характеристике холостого хода. В этом случае процесс самовозбуждения прекращается.

Следовательно, третье условия таково R_в < R_вкр.