ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические генераторы постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции, который рассматривался в гл. 1. В проводнике длиной /, перемещаемом в магнитном поле перпендикулярно вектору магнитной индукции В с некоторой скоростью v, индуктируется электродвижущая сила (ЭДС) — е, которая определяется формулой

Рис. 2.1. Принцип работы генератора постоянного тока

Направление ЭДС определяют правилом правой руки. Если изготовить рамку (виток) и концы рамки вывести к коллекторным пластинам А и В (рис. 2.1), то в обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС рамки (витка) — е будет равна:

Если подсоединить к коллекторным пластинам нагрузку (лампу Л), то при вращении этой рамки против часовой стрелки в верхней ветви рамки будет идти ток к коллекторной пластине А, а в нижней — от коллекторной пластины В, при этом проходя через лампу Л.

В общем случае генератор постоянного тока (рис. 2.2, а)

Рис. 2.2. Электромагнитная схема генератора постоянного тока (а) и эквивалентная электрическая схема обмотки якоря генератора (б)

имеет обмотку возбуждения 7, расположенную на явно выраженных полюсах 2 статора. По обмотке возбуждения проходит постоянный ток /_в, который создает магнитный поток возбуждения Ф_в. На роторе 3 размещена обмотка якоря 4, в которой при вращении ротора индуктируется ЭДС. Обмотка имеет некоторое количество витков, концы которых присоединены к пластинам коллектора. Таким образом, ротор является якорем. При вращении якоря направление ЭДС в проводниках якоря зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется независимо от частоты вращения.

При вращении якоря проводники перемещаются от одного полюса к другому и индуктируемая в них ЭДС меняет направление. Однако количество проводников, находящихся под одним полюсом, остается неизменным и суммарная ЭДС, индуктируемая в них, тоже остается постоянной по величине и направлению. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря при помощи щеток 5.

Эквивалентная электрическая схема обмотки якоря генератора показана на рис. 2.2, б. Обмотка якоря выполняется замкнутой и симметричной. При подключении нагрузки через обмотку якоря будет проходить ток /_я, направление которого будет определяться направлением ЭДС. В обмотке якоря ток /_я будет разветвляться и проходить по двум параллельным ветвям (токи /_я).

В генераторе постоянного тока при вращении якоря в обмотке якоря индуктируется ЭДС (Е), определяемая по формуле

где п — частота вращения;

Ф_в — магнитный поток;

С_Е — постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами данной машины, но не зависящий от режима ее работы.

Когда к генератору подключают нагрузку, в якоре возникает падение напряжения — /_яг_я (где /_я — ток якоря, г_я — сопротивление обмотки якоря), вследствие чего напряжение Uна зажимах машины равно:

У генератора постоянного тока направление ЭДС, т.е. полярность генератора, зависит от направления вращения якоря, а величина напряжения генератора зависит от частоты вращения п и величины тока нагрузки /_я.

По способу возбуждения (создания магнитного поля) генераторы постоянного тока разделяют на две группы: генераторы с независимым возбуждением (рис. 2.3, а, д) и генераторы с самовозбуждением (рис. 2.3, б, в, г). Генераторы с независимым возбуждением раз-

Рис. 2.3. Способы возбуждения генераторов постоянного тока деляют на генераторы с электромагнитным возбуждением, обмотка возбуждения ОВ которых питается от постороннего источника (рис. 2.3, а), и генераторы с возбуждением постоянными магнитами ПМ (рис. 2.3, д).

У генераторов с самовозбуждением обмотки возбуждения получают питание от обмоток якоря. Эти генераторы в зависимости от способа включения обмоток возбуждения относительно обмоток якоря делят на: генераторы параллельного возбуждения (шунтовые, рис. 2.3, б), последовательного возбуждения (сериесные, рис. 2.3, в) и смешанного возбуждения (компаундные, рис. 2.3, г).

Электрические и другие свойства генераторов постоянного тока определяются по их характеристикам (холостого хода, внешняя, регулировочная и скоростная). Однако у генераторов вагонов с приводом от оси колесной пары частота вращения изменяется, поэтому каждая характеристика представляет собой семейство кривых для всего диапазона частот вращения. На практике характеристики приводят для трех значений частоты вращения — наименьшей (мин), средней (ср) и наибольшей (макс).

Характеристикой холостого хода называется зависимость ЭДС Е генератора (напряжение Щ при холостом ходе) от тока возбуждения /_в при неизменной частоте вращения п. На рис. 2.4 представлены характеристики холостого хода генератора с параллельным возбуждением.

Рис. 2.4. Характеристики холостого хода генератора

При сравнительно небольших значениях тока возбуждения и магнитного потока магнитная цепь машины не насыщена и зависимость ЭДС от тока возбуждения /_в линейна. При возрастании тока /_в и потока Ф_в магнитная система насыщается и характеристика холостого хода становится нелинейной. Генератор с параллельным возбуждением является самовозбуж- дающейся машиной, однако самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий: оно может начаться только в том случае, если в начальный момент, когда /_в = 0, в обмотке якоря индуктируется некоторая начальная ЭДС, необходимая для создания тока в цепи возбуждения. Такая ЭДС может быть создана лишь потоком остаточного магнетизма (Е_ост), поэтому для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо, чтобы магнитная цепь машины обладала остаточным магнетизмом. Если машина будет размагничена, то в обмотке якоря не будет индуктироваться ЭДС Е_ост, т.е. не начнется процесс самовозбуждения. По той же причине при разгоне ротора генератора до достижения частоты вращения я_мин генератор должен работать на холостом ходу. Если во время разгона к генератору подключить большую нагрузку, то вследствие значительного падения напряжения в якоре, напряжение на его зажимах в начале разгона снизится почти до нуля и процесс самовозбуждения не начнется.

Внешней характеристикой генератора называется зависимость напряжения U от тока нагрузки /_н при неизменной частоте вращения п и неизменном сопротивлении г_в цепи возбуждения. Внешние характеристики генератора, работающего без регулятора напряжения, при различной частоте вращения показаны на рис. 2.5. При увеличении тока нагрузки /_н, и следовательно тока якоря /_я, напряжение U уменьшается по следующим причинам:

— в результате падения напряжения 1_яг_я на внутреннем сопротивлении г_я цепи якоря (сопротивление обмоток якоря и добавочных полюсов);

Рис. 2.5. Внешние характеристики генератора, работающего без регулятора напряжения

• — вследствие уменьшения ЭДС Е в результате размагничивающего действия якоря (магнитный поток машины при нагрузке становится меньше магнитного потока при холостом ходе);
• — из-за уменьшения тока возбуждения, и следовательно магнитного потока, вследствие уменьшения напряжения генератора (у генераторов с самовозбуждением) .

Для генераторов с параллельным возбуждением изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке составляет 5—10 %. Генератор может работать устойчиво только на участке АБ внешней характеристики. Рабочим является ее начальный участок до номинального тока / . Участок

Б В характеристики соответствует неустойчивой работе генератора и по достижении критического тока I генератор, размагничиваясь, переходит в режим короткого замыкания, соответствующий точке В (см. рис. 2.5).

При работе с регулятором напряжения внешняя характеристика имеет линейную зависимость и представляет собой линию параллельную оси абсцисс.

Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения /_в от тока нагрузки /_н при неизменном напряжении U и постоянной частоте вращения п.

Регулировочная характеристика показывает, как надо изменять ток в обмотке возбуждения генератора, чтобы его напряжение при изменении тока нагрузки было постоянным. Регулировочные характеристики, полученные при различных частотах вращения, показаны на рис. 2.6. Пока генератор работает при нагрузках, не превышающих номинальную, т.е. на пологой начальной части внешней характеристики его напряжение U уменьшается сравнительно мало и ток возбуждения для поддержания неизменным Uдолжен возрастать незначительно.

Рис. 2.6. Регулировочные характеристики генератора

При дальнейшем увеличении нагрузки напряжение генератора начинает резко падать, значит, ток возбуждения должен сильно увеличиться. Точки А_1? А₂, А₃ регулировочной характеристики соответствуют режиму холостого хода. По регулировочной характеристике можно определить наибольший и наименьший токи возбуждения, необходимые для стабилизации напряжения генератора при неизменной частоте вращения и нагрузки. Наименьший ток /_{в мин} соответствует наибольшей частоте вращения «_макс и холостому ходу машины; наибольший /_{в макс} — наименьшей частоте вращения «_мин и номинальной нагрузке / .

Скоростной регулировочной характеристикой называется зависимость тока возбуждения /_в от частоты вращения п при постоянном напряжении U на зажимах генератора и неизменном токе нагрузки /_н. Обычно эти характеристики строят для номинального напряжения генератора при холостом ходе (рис. 2.7, кривая 1) и номинальной нагрузке (рис. 2.7, кривая 2).

Рис. 2.7. Скоростные регулировочные характеристики генератора

По этим кривым можно опреде- лить токи /„ _макс и /_{в мин}, т.е. диа- пазон изменения тока возбуждения, необходимый для поддержания стабильного напряжения на нагрузке. Отношение К^_ъ = /_{в макс}//_{в мин} называют коэффициентом регулирования тока возбуждения.