6.2.4. Генераторы постоянного тока

Электрическим генератором называется машина, которая преобразует ме­ханическую энергию в электрическую.

В зависимости от вида источника питания обмотки возбуждения различа­ют генераторы с независимым (рис. 19) возбуждением и самовозбуждением. Генераторы с самовозбуждением - это такие генераторы, у которых обмотка возбуждения питается от самого генератора. К ним относятся генераторы с параллельным возбуждением (шунтовые), обмотка которых включается парал­лельно обмотке якоря; генераторы последовательного возбуждения (сериесные), у которых обмотка возбуждения включается пос­ледовательно с обмоткой якоря; генераторы сме­шанного возбуждения (компаундные), имеющие обмотки возбуждения, включаемые параллельно и последовательно.

Номинальный режим генератора постоянно­го тока определяется номинальной мощностью, номинальным напряжением, номинальным током якоря, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указывают в паспорте машины.

Генератор постоянного тока с независи­мым возбуждением. На рис. 19 приведена схе­ма генератора с независимым возбуждением. В генераторах с независимым возбуждением обмотка статора питается от постороннего источника по­стоянного тока: аккумуляторной батареи или ге­нератора постоянного тока. Основными характе­ристиками генераторов являются: характеристики холостого хода и внешние характеристики.

Характеристика холостого хода (рис.20) представляет графическое выражение зависимо­сти ЭДС генератора от силы тока возбуждения Е = f (I_В) при выключенной внешней цепи I_n = 0 и п = const. При отсутствии тока в обмотках возбуждения I_В=0 ЭДС генератора обусловлена магнитным полем остаточного магнетизма статора, что указано отрезком 0а. Увеличение силы тока в обмотках возбуждения вызывает увеличение магнитного потока статора, что влечет за собой рост ЭДС генератора (участок ab), так как Е= С_Е пФ

(где C_E= − постоянная для каждой машины),а магнитный поток зависит от тока возбуждения Ф = f (I_В).

Дальнейшее увеличение силы тока в обмот­ках статора приводит к магнитному насыщению сердечников (отрезок bс) и не дает заметного уве­личения магнитного потока генератора. Генерато­ры всегда должны работать в области магнитного насыщения, тогда небольшое колебание силы тока в цепи возбуждения не приводит к резкому изме­нению ЭДС генератора.

Внешняя характеристика генератора (рис. 21) представляет графическое выражение зависимости напряжения на полюсах генератора от силы тока нагрузки U=f(I_Н) при постоянном токе цепи возбуждения I_В = const и частоте вращения п = const. При увеличении нагрузки, а значит, уменьшении R , сила тока в нагрузке увеличи­вается, а напряжение на полюсах генератора снижается. Это происходит из-за увеличения па­дения напряжения на внутреннем сопротивле­нии цепи якоря: U_Н =E − r_Я I_Я

Рис. 19. Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Рис. 20. Характеристика

холостого хода генератора

с независимым возбуждением

Рис. 21. Внешняя характеристика

генератора с независимым

возбуждением

При нагрузках, близких к номинальным, внешняя характеристика имеет вид прямой. При номинальной нагрузке напряжение генератора на 5-10 % меньше напряжения холостого хода.

Генератор с независимым возбуждением применяется тогда, когда необхо­димо регулирование напряжения от нуля до номинальной величины, а также изменение знака напряжения (в приводах экскаваторов, прокатных станов, си­стемах автоматического регулирования и т. д.).

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. В гене­раторе с параллельным возбуждением питание обмотки возбуждения осуще­ствляется от самого генератора (рис. 22). Ток якоря I_Я равен сумме токов во внешней цепи и в цепи возбуждения:

I_Я = I_Н + I_В

В обмотку возбуждения ответвляется 2-З% тока якоря, поэтому для создания необходимо­го магнитного потока она имеет большое чис­ло витков.

Рис. 22. Схема генератора постоянного тока с параллельным возбуждением

Самовозбуждение генератора возможно при обязательном выполнении трех условий.

1. Наличие хотя бы очень малого магнит­ного поля. Поток остаточного намагничивания, составляющий 2-5 % магнитного потока ма­шины, сохраняется в магнитной цепи машины. При вращении якоря с номинальной частотой в остаточном магнитном поле в обмотке якоря на­водится остаточная небольшая ЭДС.

Под действием этой ЭДС в цепи обмотки возбуждения потечет ток, который увеличивает магнитный поток. Наводимая ЭДС ведет к даль­нейшему увеличению тока в обмотке возбуж­дения, магнитного потока и ЭДС и так далее до полного магнитного насыщения машины. U_Н =E − r_Я I_Я

2. Совпадение направлений возбуждаемо­го и остаточного магнитных потоков.

3. Сопротивление цепи возбуждения генератора должно быть меньше кри­тического. Угол наклона прямой U = r_В I_Вк оси абсцисс определяется сопро­тивлением r_В (рис. 23). С увеличением сопротивления точка А перемещается к началу характеристики. При этом напряжение на зажимах генератора неус­тойчиво и практически не превышает величины Е_ОСТ . Сопротивление цепи воз­буждения в этом случае называют критическим. Таким образом, условием должно быть r_В < r_КР.

Рис.23. Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением

Рис. 24. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением генератора

Характеристика холостого хода Е=f(I_В) аналогична характеристике холостого хода генератора с независимым возбуждением. Ток возбуждения генератора составляет от 1 до 5 % от номинального тока якоря.

Внешняя характеристика генератора (рис. 24) представляет графи­ческое выражение зависимости напряжения на полюсах генератора от силы тока нагрузки U=f(I_Н) при постоянном сопротивлении цепи возбуждения r_В = const и частоте вращения п = const. В генераторах с параллельным возбуж­дением сопротивление нагрузки R_Н и обмотки возбуждения r_В соединены па­раллельно и представляют сопротивление внешней цепи генератора

R =(11)

При увеличении нагрузки (уменьшении сопротивления R_Н ) R уменьшает­ся, а сила тока в якоре I_Я увеличивается: I_Я =(12) так как E u r_Я можно считать постоянными (генератор работает в области маг­нитного насыщения). Увеличение силы тока в якоре приводит к увеличению падения напряжения на якоре (r_Я I_Я). Из равенства E = RI_Я + r_Я I_Я = U + r_Я I_Я

видно, что первое слагаемое (напряжение на зажимах генератора) уменьшает­ся, что соответствует участку аb (рис. 24).

Дальнейшее увеличение нагрузки ведет к значительному уменьшению на­пряжения на зажимах генератора, а значит, и к значительному уменьшению тока в обмотке возбуждения I_Я (уменьшению магнитного потока) генератора. Генератор выходит из области магнитного насыщения статора и ЭДС генерато­ра уменьшается (Е= С_E пФ). Если падение напряжения генератора U и умень­шение сопротивления нагрузки происходит в одинаковой степени, то ток в цепи не будет изменяться I_Н=,что соответствует участку bс характеристики. При этом токе, называемом кри­тическим (I_КР), генератор размагничивается и «сбрасывает нагрузку», перехо­дит в режим короткого замыкания. Последующее уменьшение сопротивления нагрузки R_Н ведет к резкому уменьшению напряжения на зажимах генератора, следовательно, и к уменьшению тока в цепи. Это объясняется тем, что гене­ратор выходит из области магнитного насыщения, и изменение ЭДС оказыва­ется на прямолинейном участке характеристики холостого хода. При коротком замыкании, когда R_Н = 0, напряжение на полюсах генератора окажется равным нулю. Магнитный поток в этом случае будет обусловлен только остаточным магнетизмом и в якоре будет ЭДС остаточного магнетизма, которая и создает ток короткого замыкания в нагрузке I_К.З =(13)

Поэтому генераторы с параллельным возбуждением не боятся.короткого замыкания. При коротком замыкании они как бы сами выключаются из ава­рийного режима.

Генератор постоянного тока со смешанным возбуждением. Такой ге­нератор имеет две обмотки возбуждения: параллельную, которая считается основ­ной, и вспомогательную, включаемую последовательно с нагрузкой (рис. 25). Последовательная обмотка выполняется из толстого провода с малым числом витков, так как по ней протекает ток нагрузки. В режиме холостого хода ток в этой обмотке и магнитный поток равны нулю.

Характеристика холостого хода Е = f(I_В) аналогична характеристике генератора параллельного возбуждения, так как последовательная обмотка в режиме холостого хода не участвует в создании магнитного потока.

Внешняя характеристика. С ростом силы тока нагрузки растет магнит­ный поток последовательной обмотки возбуждения. Результирующий магнит­ный поток складывается из суммы магнитных потоков обмоток возбуждения. Обычно обмотки включают таким образом, чтобы магнитные потоки были направлены согласованно.

Число витков последовательной обмотки можно выбрать таким, чтобы падение напряже­ния, обусловленное обмоткой параллельного воз­буждения при работе генератора, было скомпен­сировано приращением ЭДС от потока последо­вательной обмотки. В этом случае напряжение генератора почти не будет изменяться с измене­нием нагрузки (кривая 1 на рис. 26). При встречном включении обмоток с рос­том силы тока нагрузки результирующий магнит­ный поток резко уменьшается, и машина размаг­ничивается очень быстро. Такое включение об­моток возбуждения применяется только для специальных генераторов (для питания устройства электродуговой сварки, включения дуговых про­жекторов). Здесь необходимо постоянство силы тока при колебаниях сопротивления нагрузки.

На щитке генераторов постоянного токаклеммы обмотки последовательного возбуждения обозначаются буквами: С₁ - начало обмотки и С₂ - ее конец; клеммы обмотки параллельного возбуждения обозначаются буквами: Ш₁ - начало обмотки и Ш₂ - ее конец; буквой Я₁ - начало якорной обмотки и Д₂ - конец обмотки дополни­тельных полюсов (Я₂ и Д₁ соединены вместе внутри машины). Стрелкой указа­но направление вращения со стороны коллектора и дается схема соединения выводов обмоток при этом вращении.

Рис. 25. Схема генератора постоянного тока со смешанным возбуждением

Рис. 26. Внешние характеристики генератора со смешанным возбуждением:

1 - при согласованном числе витков последовательной и параллельной обмоток;

2-при встречном включении обмоток