4.3.3.2. Принцип дії генератора постійного струму

У попередньому розділі було показано, що при обертанні якоря МПС у магнітному полі статора у якірній обмотці генерується постійна ЕРС. Підключимо тепер до щіток машини (затискачів Я1, Я2) із незалежним збудженням (рис. 4.59, а), барабанний якір якої обертається від первинного двигуна, навантаження R_н. За таких умов, під дією електрорушійної сили Е, яка генерується у якірній обмотці, у колі якоря і у зовнішньому колі, з’явиться струм (у даному випадку це один і той же струм)

,

де I та I_я – струми, відповідно, навантаження та якоря; R_я – опір обмотки якоря;

напрямок дії якого співпадає із напрямком дії ЕРС і визначається за правилом правої руки.

Із курсу фізики відомо, що на провідники зі струмом (активні ділянки витків якірної обмотки) у магнітному полі діють електромагнітні сили:

д

Рис. 4.59. До принципу дії генератора (а) та двигуна (б) постійного струму

е В = 2рФ/(dl) – магнітна індукція поля статора; I_д = I_я/(2a) – струм у одній із a паралельних віток якірної обмотки;

напрямок яких визначають за правилом лівої руки. Повна сила, яка діє на N витків паралельної вітки якірної обмотки машини буде:

У випадку, що розглядається, ця сила протидіє обертанню якоря, створюючи на валу машини гальмуючий електромагнітний момент

,

де с_м = pN/(2a) = 60c_e/(2) – коефіцієнт, постійна величина якого визначається конструктивними параметрами машини.

Для подолання цього моменту первинний двигун вимушений створювати зустрічний йому обертовий момент. Таким чином, машина перетворює механічну енергію первинного двигуна у електричну енергію постійного струму, тобто працює у режимі генератора.

Як випливає із перетвореного рівняння розрахунку струму якоря машини (рівняння електричної рівноваги ГПС):

,

,

напруга U на затискачах генератора (Я1, Я2) менша за ЕРС машини на величину спаду напруги R_я_я у обмотці якоря.

Дещо інакше працюють генератори із самозбудженням (шунтові, серієсні та компаундні). В цих машинах збудження магнітного поля статора відбувається за рахунок залишкового намагнічування головних полюсів. Попереднє намагнічування полюсів звичайно роблять на заводі виробнику при випробовуванні машини. Якщо ж генератор довгий час не працював і його полюси повністю розмагнітилися, то перед пуском машини їх намагнічують. Для цього обмотку збудження на деякий час приєднують до джерела постійного струму.

Зі зростанням обертів якоря генератора (за рахунок первинного двигуна) залишковий магнітний потік статора створює у якірній обмотці невелику (залишкову) ЕРС. Оскільки у шунтового і компаундного генераторів обмотки збудження і якоря утворюють замкнене коло, а у серієсного генератора ці обмотки замикають через навантаження, то залишкова ЕРС створює у колі машини невеликий струм. Проходячи по обмотці збудження цей струм підсилює магнітний потік. Збільшений магнітний потік створює більшу ЕРС у обмотці якоря, що у свою чергу збільшує струм в обмотці збудження і, отже, магнітний потік, і т. д.

Таким чином, після пуску генератора із самозбудженням ЕРС якірної обмотки автоматично зростає до розрахункової величини, яка обмежується магнітним насиченням сталі полюсів. Враховуючи, що процес самозбудження проходить дуже швидко, то для його сповільнення в коло збудження шунтових і компаундних генераторів вмикають регулювальні реостати, а у серієсних генераторів швидкість зростання струму регулюють швидкістю збільшення навантаження.