Работа машины постоянного тока в режиме генератора

При работе генератора используются явления электромагнитной индукции и механического действия магнитного поля на проводник с током.

Генератору необходимо сообщить механическую энергию, для чего якорь приводится во вращение первичным двигателем. Кроме того, необходимо создать магнитное поле. Для этого по обмотке возбуждения пропускают постоянный ток. При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке наводится ЭДС, пропорциональная величине магнитного потока и частоте вращения якоря .

,

где – конструктивный коэффициент ЭДС.

Если к щеткам генератора подключить нагрузку, то под действием ЭДС в цепи якоря появится ток . Ток якоря взаимодействует с магнитным полем, возникают электромагнитные силы и момент, направленный противоположно вращению якоря. Поэтому он является тормозным и преодолевается первичным двигателем.

Величина момента пропорциональна магнитному потоку и току якоря

. (1)

Ток якоря возбуждает свое магнитное поле, которое, накладываясь на основное магнитное поле, искажает и уменьшает его. Это приводит к уменьшению ЭДС и искрению на коллекторе. Воздействие поля якоря на основное магнитное поле называется реакцией якоря.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на три группы: генераторы независимого возбуждения, генераторы с самовозбуждением, генераторы с постоянными магнитами.

У генератора с независимым возбуждением обмотка возбуждения не имеет электрического соединения с обмоткой якоря и питается от постороннего источника постоянного тока (рис. 2).

У генератора с самовозбуждением обмотка возбуждения питается от якоря, и генератор не нуждается в постороннем источнике питания. По способу соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря генераторы с самовозбуждением делятся на три типа: параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

П ри параллельном возбуждении обмотка возбуждения соединяется параллельно с обмоткой якоря (рис. 3).

Самовозбуждение обычно осуществляется при холостом ходе генератора.

Рис. 2

Рис. 3

Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1. Наличие остаточного магнитного поля.

2. Совпадение по направлению магнитного поля возбуждения и остаточного магнитного поля.

3. Сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше критического.

4. Частота вращения якоря должна быть близкой к номинальной.

Характеристики генератора постоянного тока

О свойствах генератора судят по характеристикам, показывающим зависимость между основными величинами, определяющими работу машины. Основные характеристики генератора холостого хода: внешняя, регулировочная.

Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения при токе нагрузки и его частоте вращения (рис. 4). При этом ЭДС пропорциональна магнитному потоку .

Благодаря остаточному магнитному полю при и , характеристика не проходит через начало координат.

Х арактеристика состоит из трех частей: начальная прямолинейная часть, где магнитная система не насыщена, и при увеличении тока возбуждения магнитный поток и ЭДС увеличиваются (участок ); “колено” характеристики, где магнитная система находится в полунасыщенном состоянии и рост магнитного потока и ЭДС замедляются (участок 1-2); магнитная система насыщена (участок 2-3). Рис. 4

Положение точки А, соответствующее номинальной ЭДС, дает возможность судить об устойчивости напряжения генератора при работе и о пределах, в которых можно регулировать напряжение.

Если бы точка А находилась на прямолинейной части характеристики, то незначительные изменения , вызывали бы значительные изменения ЭДС и напряжения. В этом случае работа генератора была бы неустойчивой.

Если точка А находится на участке 2-3, то колебания напряжения незначительны, и генератор работает устойчиво, но возможность регулирования напряжения невелика, так как магнитная система машины насыщена. Поэтому точка А, соответствующая номинальной ЭДС, расположена на «колене» характеристики холостого хода.

Генераторы независимого и параллельного возбуждения имеют аналогичные характеристики холостого хода.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при ; .

Уравнение электрического состояния цепи якоря

, (2)

где – внутреннее сопротивление цепи якоря, состоящее из сопротивления обмотки якоря, обмотки дополнительных полюсов, сопротивления щеток и коллектора;

– для генератора независимого возбуждения;

– для генератора параллельного возбуждения;

– ток нагрузки.

Как видно из уравнения (2), напряжение на зажимах генератора независимого возбуждения при увеличении тока нагрузки уменьшается по двум причинам:

1. Увеличение падения напряжения в цепи якоря.

2. Возрастающее влияние потока якоря на основной поток полюсов (размагничивающее действие реакции якоря), приводящее к уменьшению ЭДС .

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения имеет вид кривой 1 (рис.5).

В генераторах параллельного возбуждения к двум указанным причинам добавляется третья – уменьшение тока возбуждения вследствие понижения напряжения, вызванного первой и второй причинами. Уменьшение тока возбуждения вызывает уменьшение магнитного потока, ЭДС ( ) и дополнительное уменьшение напряжения (см. рис. 5, кривая 2) – внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения. Рис. 5

Э тим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки, ток нагрузки увеличивается лишь до критического значения , а затем начинает самопроизвольно уменьшаться до тока короткого замыкания . При этом напряжение на зажимах генератора и ток возбуждения резко уменьшаются и исчезают. Ток короткого замыкания якоря генератора параллельного возбуждения определяется только потоком остаточной намагниченности и поэтому мал. Рис. 6.

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при и .

Регулировочная характеристика (рис. 6) показывает, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Из уравнения (2) следует, что при увеличении нагрузки напряжение уменьшается, а чтобы оно было неизменным, нужно увеличить ЭДС, которая зависит от тока возбуждения.

Очень важной характеристикой генератора является его КПД

, (3)

где – полезная мощность, отдаваемая генератором;

– мощность потерь в цепи возбуждения;

– мощность потерь в цепи якоря.

Формула (3) для расчета КПД генератора является приближенной, так как не учитывает магнитные и механические потери. Обычно магнитные и механические потери в генераторах очень малы.