Принцип работы генератора основан на явлении элек­тромагнитной индукции. Если рамка с активными про­водниками аb и сd (рис. 3.1, а) вращается в поле постоян­ных магнитов NS, то согласно закону электромагнитной индукции в проводниках аb и cd возникает ЭДС:

где В - индукция магнитного поля;

1 - длина активного проводника;

V - окружная скорость движения проводника;

sin α - угол между направлением магнитных силовых линий и направлением движе­ния проводника в рассматриваемый момент времени.

Рис. 3.1. Принцип действия генератора постоянного тока

Если концы проводников подключить к кольцам и от них через щетки 1 и 2 питать цепь нагрузки лампы Rн, то при замыкании рубильника Р по цепи потечет ток I Н, так­же изменяющийся по синусоидальному закону, т.е. пере­менный ток. Для выпрямления этой переменной ЭДС под­ключим проводники аb и cd не к кольцам, а к полу­кольцам (рис. 3.1, б). Щетки 1 и 2 установлены таким обра­зом, что переходят с одного полукольца на другое в мо­мент, когда в проводниках рамки ЭДС отсутствует (рамка повернута на 90° относительно продольной оси полюсов, т.е. расположена по поперечной оси полюсов). В этом слу­чае к щеткам 1 и 2 подводится ЭДС одного направления в течение полного оборота рамки, хотя в самих проводниках аb и cd ЭДС по-прежнему является переменной.

Под действием ЭДС одного направления по цепи нагруз­ки потечет ток 1 В, одного направления, но пульсирующий. Щетка 2, от которой ток оттекает во внешнюю цепь (на­грузки), считается положительной («плюсовой»), а щетка 1, к которой притекает ток, - отрицательной («минусовой»).

Таким образом, применение полуколец вместо колец позволило получить в цепи нагрузки ток одного направ­ления, хотя в проводниках рамки возникает переменная ЭДС, т.е. полукольца являются механическим выпрями­телем. Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного тока и получить большое значение ЭДС на щетках 1 и 2 ге­нератора постоянного тока, применяется большое число пластин, располагаемых на коллекторе, и большое число активных проводников якоря.

В реальных генераторах постоянного тока магнитное по­ле создается не постоянными магнитами, а обмотками возбуждения, расположенными на сердечниках полюсов. Магнитное поле с потоком Ф (рис. 3.2) создается за счет протекания тока Iв, в обмотке возбуждения W В. В подвагонных генераторах обмотка включа­ется параллельно обмотке якоря Я - к щеткам 1 и 2.

Рис.3.2. Электрическая схема генератора постоянного тока

с параллельным возбуждением

За счет остаточной намагни­ченности сердечников полюсов в генераторе всегда имеется неболь­шое по величине магнитное поле (магнитный поток). При движении вагона якорь вращается в этом слабом магнитном поле. Под дей­ствием его в проводниках обмотки якоря возникает ЭДС, так что на щетках появляется небольшая выпрямленная коллектором ЭДС, под действием которой по обмот­ке возбуждения потечет ток возбуждения. Ток возбужде­ния вызовет появление магнитного потока, который име­ет большее значение, чем поток остаточного магнетизма, следовательно, на щетках возникает ЭДС большей вели­чины: Е=С Е nФ, где С Е - конструктивный коэффициент генератора; n - частота вращения якоря, об/мин; Ф -магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения.

Большая ЭДС вызовет увеличение тока возбуждения (по закону Ома I В = Е/r В, где r В - сопротивление обмотки воз­буждения, что приведет к дальнейшему возрастанию ЭДС и т.д. Происходит самовозбуждение генератора. При замы­кании рубильника Р под действием ЭДС через резистор Rн потечет ток нагрузки, который вызовет падение напряже­ния на сопротивлении r В обмотки якоря, равное I r Я. Зна­чит, напряжение и на щетках 1 и 2 будет меньше ЭДС на величину этого падения напряжения, т.е.

U = Е – I r Я, или U = С Е nФ - I r Я.

Из последней формулы следует, что напряжение за­висит от частоты вращения генератора, т.е. скорости движения вагона; от магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, который в свою очередь зави­сит от тока возбуждения; от тока нагрузки генератора (чем больше ток нагрузки, тем меньше напряжение).

1. Общие сведения

Генераторы постоянного тока используют в энергетических ус­тановках в качестве источников электрической энергии. При ра­боте генератора его якорь приводится во вращение приводным двигателем, а в обмотку возбуждения подается постоянный ток для создания основного магнитного потока. В результате в обмот­ке якоря генератора индуктируется ЭДС Е=С w Ф и к его выводам может быть подключен потребитель элект­рической энергии (нагрузка).

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения раз­нимают генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуж­дением.

У генератора с независимым возбуждением обмотка возбужде­ния, расположенная на главных полюсах, питается током 1 В от по­стороннего источника постоянного тока, не имеющего электри­ческой связи с обмоткой якоря. Генераторы малой мощности могут иметь независимое возбуждение от постоянных магнитов. В генераторе с самовозбуждением питание обмотки возбужде­ния осуществляется с выводов цепи якоря генератора. В зависи­мости от схемы подключения обмотки возбуждения различают ге­нераторы с параллельным, последовательным и смешанным воз­буждением. У генераторов с параллельным возбуждением обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря и нагрузке; с последовательным возбуждением - последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой. У генераторов со смешанным возбуждением на главных полюсах размещены две обмотки возбуждения, по кото­рым протекают токи возбуждения 1 В и I в2 . Одну из них подключа­ют параллельно обмотке якоря, а другую - последовательно с ней.

На электромагнитное возбуждение генераторов расходуется 0,3...5 % их номинальной мощности. Независимое возбуждение используют в генераторах большой мощности, а также в низко­вольтных генераторах. Схему последовательного возбуждения в генераторах практически не применяют. Принципиальные элект­рические схемы генераторов постоянного тока с разными систе­мами возбуждения приведены на рисунке 4.1. Обозначения начала и конца обмоток по ГОСТу: обмотка якоря - Я1, Я2; обмотка до­бавочных полюсов -Д1, Д2; компенсационная обмотка - K 1, К2; обмотка возбуждения независимая - M 1, М2; обмотка возбужде­ния параллельная (шунтовая) - Ш1, Ш2; обмотка возбуждения последовательная (сериесная) - CI , С2.

В режиме холостого хода генератора к его валу приложен не­значительный момент первичного двигателя М 1 преодолевающий момент генератора М 0 , обусловленный тормозными моментами, возникающими при его работе от сил трения, вихревых токов в

якоре и других электромагнитных явлений. При подключении к выводам цепи якоря сопротивления нагрузки R H в обмотке якоря будет протекать ток I, от взаимодействия которого с магнитным нолем возбуждения создается тормозной электромагнитный мо­мент М=СФ I , также преодолеваемый первичным двигателем. Полный энергетический баланс в генераторе с самовозбуждением может быть представлен как

где - вентиляционные и механические потери мощности на трение; - магнитные потери (на гистерезис и вихревые токи); - добавочные потери; - потери мощности на возбуждение.

Коэффициент полезного действия генератора представляет со­бой отношение полезной мощности Р 2 , отдаваемой генератором нагрузке, к механической мощности Р 1 , подводимой к генератору,

где - сумма потерь мощности.

§ 111. СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнит­ным и электромагнитным возбуждением. Для создания магнитногопотока в генераторах первого типа используют постоянные магниты,

а в генераторах второго типа - электромагниты. Постоянные, магниты применяют лишь в машинах очень малых мощностей. Таким образом, электромагнитное возбуждение является наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока. При этом способе возбуждения магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения.

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть с независимым возбужде­нием и с самовозбуждением.

При независимом возбуждении (рис. 143, а) обмотка возбуж­дения включается в сеть вспомогательного источника энергии по­стоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление r р. При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре Iя.

Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Несмотря на то что этот источник обычно имеет малую мощность (несколько процентов мощности генераторов), необходимость в нем является большим неудобством, поэтому генераторы независимого возбуж­дения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения обмотки возбуждения могут быть параллельного (рис. 143, б), по­следовательного (рис. 143, в) и смешанного (рис. 143, г) возбуж­дения.

У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет большое число витков. При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.

При смешанном возбуждении на полюсах генератора помеща­ются две обмотки возбуждения - параллельная и последователь­ная.

Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока про­текает одинаково при любой схеме возбуждения. Так, например, в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение, процесс самовозбуждения протекает следую­щим образом.

Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет не­большой остаточный магнитный поток Ф 0 . Этим магнитным пото­ком в обмотке вращающегося якоря индуктируется э. д. с. Е 0 , со­ставляющая несколько процентов номинального напряжения ма­шины.

Под действием э. д. с. Е 0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, протекает ток Iв. Намагничивающая сила обмотки возбуждения Iвw (w- число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф, что вызывает увеличение как э. д. с. в обмотке якоря Е, так и тока в обмотке возбуждения Iв. Увеличение последнего вызывает дальнейшее увеличение Ф, что в свою очередь увели­чивает Е и Iв.

Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуж­дение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от скорости вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения. При насыщении стали Магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и про­цесс самовозбуждения заканчивается. Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и маг­нитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается э.д. с. и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Изменение скорости вращения якоря генератора вызывает из­менение э.д. с, которая пропорциональна скорости, вследствие чего Изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Самовозбуждение генератора будет происходить лишь при определенных условиях, которые сводятся к следующим:

1. >Наличие потока остаточного магнетизма. При отсутствия этого потока не будет создаваться э. д. с. Е 0 , под действием котором в обмотке возбуждения начинает протекать ток, так что возбуждение генератора будет невозможным. Если машина размагничена и не имеет остаточного намагничивания, то по обмотке возбуждения надо пропустить постоянный ток от какого-либо постороннего источника электрической энергии. После отключения обмотки возбуждения машина будет иметь вновь остаточный магнитный поток.

2. Обмотка возбуждения должна быть включена согласно с потоком остаточного магнетизма, т. е. так, чтобы намагничивающая сила этой обмотки увеличивала поток остаточного магнетизма.

При встречном включении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной работе может полностью размагнитить машину. Если обмотка возбуждения оказалась включенной встречно, то необходимо изменить направление тока в ней, т. е. поменять ме­стами провода, подходящие к зажимам этой обмотки.

3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть чрезмерно большим, при очень большом сопротивлении цепи воз­буждения самовозбуждение генератора невозможно.

4. Сопротивление внешней нагрузки должно быть велико, так как при малом сопротивлении ток возбуждения будет также мал и самовозбуждения не произойдет.

11.Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением: принцип действия, условия самовозбуждения, характеристики.

Генератор с параллельным возбуждением . В этом генераторе (рис. 8.47, а ) обмотка возбуждения подсоединена через регулировочный реостат параллельно нагрузке. Следовательно, в данном случае используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Чтобы установить их, рассмотрим процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуждения - обмотка якоря» в режиме холостого хода. Для рассматриваемого контура получим уравнение

где е и i в - мгновенные значения ЭДС в обмотке якоря и тока возбуждения; ΣR в = R в + R р.в - суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением ΣR а можно пренебречь, так как оно значительно меньше ΣR в); L в - суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря. Все члены, входящие в (8.59), можно изобразить графически (рис. 8.47,б). ЭДС е при некотором значении i в тока возбуждения можно определить по характеристике ОА холостого хода генератора, а падение напряжения i в ΣR в - по вольтамперной характеристике ОВ его цепи возбуждения. Характеристика ОВ представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом у к оси абсцисс; при этом tg γ = ΣR в. Из (8.59) имеем

Следовательно, если разность (e - i в ΣR в) > 0, то производная di в /dt > 0, и происходит процесс увеличения тока возбуждения i в.

Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения наблюдается при di в /dt = 0, т. е. в точке пересечения С характеристики холостого хода ОА с прямой ОВ . При этом машина работает с некоторым установившимся током возбуждения I в0 и ЭДС Е 0 = U 0 .

Из уравнения (8.60) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий:

1) процесс самовозбуждения может начаться только в том случае, если в начальный момент (i в = 0) в обмотке якоря индуцируется некоторая начальная ЭДС. Такая ЭДС может быть создана потоком остаточного магнетизма, поэтому для начала процесса самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуцирует в его обмотке ЭДС Е ост. Обычно поток остаточного магнетизма имеется в машине из-за наличия гистерезиса в ее магнитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника;

2) при прохождении тока i в по обмотке возбуждения ее МДС F в должна быть направлена согласно МДС остаточного магнетизма F ocт. В этом случае под действием разности е - i в ΣR в происходит процесс нарастания тока i в, магнитного потока возбуждения Ф в и ЭДС е. Если указанные МДС направлены встречно, то МДС обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается и процесс самовозбуждения не сможет начаться;

3) положительная разность е - i в ΣR в, необходимая для возрастания тока возбуждения i в от нуля до установившегося значения I в0 , может возникать только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока i в прямая ОB располагается ниже характеристики холостого хода ОА. При увеличении сопротивления цепи возбуждения ΣR в возрастает угол наклона γ прямой ОB к оси тока I в и при некотором критическом значении угла γ кр (соответствующем критическому значению сопротивления ΣR в.кр) прямая ОВ" практически совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ≈ i в ΣR в и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было меньше критического значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что ΣR в < ΣR в.кр, то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока i в ниже установившегося значения I в0 или увеличении его свыше I в0 возникает соответственно положительная или отрицательная разность (е - i в ΣR в), стремящаяся изменить ток i в так, чтобы он стал снова равным I в0 . Однако при ΣR в > ΣR в.кр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения ΣR в до значения, большего ΣR в.кр, то его магнитная система размагничивается и ЭДС уменьшается до Е ост. Если генератор начал работать при ΣR в > ΣR в.кр, то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие ΣR в < ΣR в.кр ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора и его напряжения. Обычно можно уменьшать напряжение генератора, увеличивая сопротивление ΣR в, лишь до (0,6-0,7)U ном. Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U = f (I н) при n = const и R в = const (кривая 1, рис. 8.48). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Это объясняется тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом

нагрузки (падения напряже-ния в якоре и размагничи-вающего действия реакции якоря), существует еще третья причина - уменьше-ние тока возбуждения I в = U /ΣR в, который зависит от напряжения U, т. е. от тока I н.

Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока I кр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки R н ток I н = U /R н начинает уменьшаться, так как напряжение U падает быстрее, чем уменьшается R н. Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива; в этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий точке b , т. е. в режим короткого замыкания.

Особенно наглядно видно действие причин, вызывающих уменьшение напряжения генератора с ростом нагрузки, из рассмотрения рис. 8.49, на котором показано построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, параллельную оси абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника, соответствующего номинальной нагрузке; катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна лежать на характеристике холостого хода 1. Через начало координат и вершину А проводят прямую 2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является вольтамперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения. По ординате точки пересечения Е характеристик 1 и 2 получаем напряжение генератора U 0 = E 0 при холостом ходе.

Ток возбуждения I в.ном при номинальном режиме соответствует абсциссе точки А, а ЭДС генератора E ном при номинальной нагрузке - ординате точки В. Ее можно определить по характеристике холостого хода, если уменьшить ток возбуждения I в.ном на величину отрезка ВС, учитывающего размагничивающее действие реакции якоря. При построении внешней характеристики 3 ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются напряжениями U 0 и U ном. Промежуточные точки с , d,... получают, проводя

прямые А"С", А"С", А""С"" ,..., параллельные гипотенузе АС , до пересечения с вольт-амперной характеристикой 2 в точках А", А", А"" ,..., а также с характеристикой холостого хода 1 в точках С", С", С"", .... Ординаты точек А" А" А"" ,... соответствуют напряжениям при токах нагрузки I a1 , I a2 , I a3 ,..., величины которых определяются из соотношения

I a ном: I a 1: I a 2 , Ia 3 … = AC : A"C" : A"C" : A""C"" ...

При переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода напряжение генератора изменяется на 10 - 20%, т. е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При установившемся коротком замыкании якоря ток I к генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал (см. рис. 8.48), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток к. з. создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4 - 0,8) I ном. Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как и у генератора с независимым возбуждением.

Большинство генераторов постоянного тока, выпускаемых отечественной промышленностью, имеют параллельное возбуждение. Для улучшения внешней характеристики они обычно имеют небольшую последовательную обмотку (один - три витка на полюс). При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением.

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают, независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (рис 6-10, а) Напряжение на зажимах такого генератора (кривая 1 на рис 6-11) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн)

Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (рис. 6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь,

вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение па зажимах генератора UH уменьшается несколько быстрее (кривая 2 на рис. 6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания.

Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (рис. 6-10, е). При отсутствии нагрузки в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на рис. 6- 11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: ОВ, - включаемую параллельно якорю, (дополнительную) - последовательно (рис. 6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.