5.3.3. Ерс якоря генератора

Обмотка якоря складається з окремих секцій, з’єднаних послідовно. Кінець останньої секції з’єднаний з початком першої і створюють кільцеве з’єднання. Секції підключені до колекторних пластин, на які з протилежних сторін накладені щітки. Ці щітки розділяють обмотку якоря на дві однакові частини, які створюють паралельний шлях для струму якоря (рис.5.31). Один паралельний шлях позначимо α = 1. Інша кількість пар щіток на колекторі утворює 2α паралельних шляхів.

В ідповідно до закону електромагнітної індукції ЕРС однієї сторони, гілка якої знаходиться під одним полюсом, становить:

E_в=Вlv.

Запишемо лінійну швидкість v через кутову ω:

v = ωR,

де R – радіус якоря машини, який визначається через довжину поверхні якоря; πR =рτ, де р – кількість пар полюсів, τ – лінійна довжина поверхні одного полюса (ширина полюса).

Тепер лінійна швидкість становить: .

ЕРС однієї сторони гілки визначається:

.

Добуток довжини гілки (l) на ширину полюса τ становить площу полюса: S = l·τ . Добуток індукції В полюса на його площу S становить величину магнітного потоку Ф: Ф = В S. З урахуванням вище наведених рівнянь ЕРС однієї сторони гілки становить:

.

Обмотка якоря складається з N витків. Сторони витків знаходяться під протилежними полюсами. Тому ЕРС на виводах обмотки якоря необхідно визначати :

.

Підставляючи в останню формулу вираз для Е_в, одержуємо наступну формулу для ЕРС якоря:

.

Позначивши , отримуємо: , де k_e - конструктивний параметр, який для окремих машин має стале значення. Цей коефіцієнт враховує кількість пар полюсів, кількість витків обмотки якоря та кількість паралельних гілок обмотки якоря.

Враховуючи, що , n – частота обертання якоря за хвилину, отримуємо:

.

Так як - це конструктивна стала для даної машини величина, то одержимо просту і важливу формулу для ЕРС машини постійного струму: .

Як видно з останньої формули, ЕРС генератора прямо пропорційна конструктивному коефіцієнту, магнітному потоку та швидкості обертання якоря.

5.3.4. Типи генераторів за способом збудження головного магнітного поля

5.3.5. Генератори з незалежним збудженням. Основні характеристики

Головний магнітний потік генератора незалежного збудження утворюється обмоткою збудження, розташованою на головних полюсах машини. Ця обмотка живиться від стороннього джерела електричної енергії.

Основними характеристиками генераторів постійного струму є

характеристика холостого ходу, зовнішня і регулювальна. Ці характеристики можуть бути одержані як розрахунково, так і дослідно.

Характеристика холостого ходу Е(і_зб) - це залежність ЕРС від струму

збудження під час роботи генератора в холостому режимі (споживач вимкнений, І = 0) при n=n_ном = const.

При холостому ході генератора незалежного збудження магнітний потік Ф, а тим самим і ЕРС є функціями струму збудження і_зб: Ф = f₁ (і_зб),

Е = С_еnФ = С_еnf₁( і_зб) = f ₂ (і_зб). Якщо змінюється напрям струму збудження,

змінюється і напрям магнітного потоку Ф, і відповідно напрям ЕРС.

Характеристика холостого ходу генератора незалежного збудження показана

на рис. 5.33.

З няття цієї характеристики доцільно починати з максимального струму збудження - точки а кривої, що відповідає напрузі (1,15÷1,25) U_н. Якщо

зменшується і_зб, напруга зменшується по (1) а-б характеристики. Якщо і_зб = 0, генератор розвиває ЕРС Е₀ = (0,02÷0,05) Е_н за рахунок залишкового магнітного поля ΔФ = (0,02 - 0,05)Ф_н. При зміні знака струму збудження змінюється напрям ЕРС. Процес буде проходити далі по спадаючій частині характеристики - до точки б. При зменшенні струму збудження за абсолютним значенням процес піде по кривій (2) з точки б до точки а.

За розрахункову приймають середню характеристику 3 (пунктирна лінія), розташовану між характеристиками 1 і 2. Точку "А" в області насичення, яка відповідає номінальним даним генератора, вибирають на "коліні" характеристики холостого ходу. Вибирати точку "А" в області великого насичення феромагнітного матеріалу з метою підвищення ЕРС недоцільно, тому що це призводить до значного збільшення струму і_зб, потужності й габаритів обмотки збудження.

Як видно із характеристики холостого ходу, ЕРС (чи напругу на клемах

генератора) машин незалежного збудження можна змінювати в широких межах від - Е до +Е, змінюючи значення та напрям струму збудження регулювальним реостатом R_р та перемиканням обмотки збудження.

Зовнішня характеристика U(I) генератора - це залежність напруги на

затискачах генератора від струму навантаження при і_зб.0 = і_зб.н, n = n_н = сопst.

Залежність U(I) може бути одержана на основі другого закону Кірхгофа для кола якоря генератора:

(12.1),

де І_я – струм якоря, що дорівнює струму І споживача, r_я - повний опір якоря, в я кий входять: опір самої обмотки якоря, щіткового контакту, обмотки

додаткових полюсів і компенсаційної обмотки (при її наявності).

Якщо в генераторах незалежного збудження знехтувати реакцією якоря й не змінювати струм збудження і_зб. = const, то будемо мати, що Ф = сопst та

Е = сопst. За цих умов зовнішня характеристика (12.1) U(I_я ) є прямою лінією

(1) (рис. 5.34,а): в режимі холостого ходу R_н=> ∞, І = 0, U= U_хх = Е, а при

навантаженні напруга на його клемах зменшиться на величину падіння напруги в якорі самого генератора

Внаслідок реакції якоря магнітний потік і ЕРС теж дещо зменшуються при збільшенні навантаження, тому зовнішня характеристика одержується

не прямолінійною (крива 2, рис. 5.34, а). Для отримання номінальної напруги при номінальному навантаженні (І = І_н) необхідно встановити при холостому ході напругу , вищу від номінальної на

Зміна напруги генератора визначається співвідношенням:

і є порівняно невеликою й становить приблизно 5-10 %.

Регулювальна характеристика (рис. 5.34,б) є залежністю струму збудження від струму навантаження при та . Вона показує, як необхідно змінювати струм збудження, щоб підтримувати напругу на затискачах генератора постійною.

Як видно із співвідношення (12.1), при навантаженні генератора збільшується падіння напруги в самому генераторі ( ), внаслідок чого зменшується напруга на його клемах. Для підтримання її незмінною необхідно збільшувати струм збудження і тим самим збільшувати ЕРС і відповідно U.

Регулювальна характеристика нелінійна, що пояснюється нелінійністю

зовнішньої характеристики та характеристики холостого ходу.

Перевагою генераторів незалежного збудження є можливість змінювати напругу на їх клемах в широких межах від – U_max до + U_max. До недоліків належить необхідність стороннього джерела електричної енергії для живлення обмотки збудження.

Генератори з незалежним збудження використовують тільки при великих потужностях, а також при малій потужності, але низькій напрузі.