Общие сведения о генераторах постоянного тока

В тех случаях, когда по условиям производства необходим или предпочтителен большой ток (предприятия химической и металлургической промышленности, транспорт и др.), его получают, преобразуя переменный ток в постоянный с помощью преобразователей, в качестве которых широко применяют установки двигатель-генератор.

Первичными источниками энергии генераторы постоянного тока работают, главным образом, в изолированных установках (как возбудители синхронных машин), на автомашинах, самолетах, при сварке дугой, для освещения поездов, на кораблях и др. Таким образом, область применения генераторов постоянного тока достаточно широка и соответственно многообразны предъявляемые к ним требования в отношении мощностей, напряжений, частот вращения, надежности работы, срока службы и др. Для работы генератора необходимо наличие в нем магнитного поля. В зависимости от способа создания магнитного поля генераторы делят на генераторы независимого возбуждения с электромагнитным возбуждением, с возбуждением постоянными магнитами (магнитоэлектрические) и с самовозбуждением, в которых ток для обмотки возбуждения поступает, от якоря генератора. При независимом возбуждении генератора обмотка возбуждения его получает питание от независимого источника постоянного тока.

Магнитоэлектрическое возбуждение находит применение лишь в машинах очень малой мощности. При самовозбуждении возможны три варианта соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря: параллельное (шунтовое), последовательное (сериесное) и смешанное (компаундное). В соответствии с этим различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения, имеющие две обмотки возбуждения: одну включенную параллельно, а другую — последовательно.

Характеристики генератора постоянного тока.Свойства генера­торов анализируют с помощью характеристик, устанавливающих зависимости между основными величинами, определяющими работу генератора: э.д.с. Е, напряжение на зажимах генератора U, ток возбуждения I_в, ток в якоре I_я и частота вращения п. Так как генераторы чаще всего работают с постоянной частотой вращения, то основную группу характеристик снимают при неизменной частоте вращения (n=const).

Напряжение U имеет наибольшее значение, поскольку оно определяет свойства генератора в отношении той сети, на которую он работает. Поэтому основными характеристиками являются:

1) нагрузочная U = f(I_B) при I_я = const. В частном случае, когда I_я = 0, нагрузочная характеристика переходит в характеристику х.х., имеющую важное значение для оценки генератора и построения других характеристик;

2) внешняя U = f(I_я) при R_B = const;

3) регулировочная I_в = f(I) при U = const. В частном случае, когда U=0, регулировочная характеристика переходит в характеристику к.з. I_к=f(I_в).

Режим работы электрической машины при условиях, для которых она предназначена, называют номинальным режимом работы. Номинальный режим работы характеризуется величинами, обозначенными на заводском щитке машины как номинальные: напряжение, мощность, ток, частота вращения. Номинальной мощностью генератора постоянного тока называют полезную электрическую мощность машины, выраженную в ваттах или киловаттах. Термин «номинальный» может относиться и к величинам, не указанным на паспортном щитке машины, но характеризующим номинальный режим работы: такие, как момент, ток возбуждения, к.п.д.

Энергетический процесс и уравнение э.д.с генератора постоянного тока.Воснове работы генератора лежит процесс преобразования подводимой к нему механической энергии в. электрическую. Рассмотрим процесс преобразования энергии на примере генератора независимого возбуждения, приводимого во вращение с постоянной частотой n = const. При независимом возбуждении мощность Р_в, необходимая для покрытия потерь в цепи возбуждения, не входит в мощность Р₁ подводимую к генератору от первичного двигателя (рис. 5.1).

При преобразовании энергии часть мощности тратится на покрытие механических потерь Р_мх и потерь в стали Р_с, а остальная часть преобразовывается в электромагнитную мощность

(5.1)

Полезная мощность Р₂=UI_Я, отдаваемая генератором в сеть, меньше мощности Р_эм на величину электрических потерь Р_м+P_щ в цепи якоря и в щеточных контактах:

(5.2)

Рис. 5.1. Энергетическая схема генератора постоянного тока независимого возбуждения

Так как Р₂ = UI_Я; Р_ЭМ = Е_Я1_Я и Р_М+Рщ = Iя²R₂ где Р_Я — сопротивление всех обмоток в цепи якоря и щеточного контакта, то Р₂=UI_Я = Е_ЯI_Я — I_Я²R_Я. После сокращения обеих частей этого равенства на I_Я получаем уравнение э.д:с. генератора:

Е_Я = U + I_ЯР_Я (5.3)

Уравнение моментов генератора.Предположим, что первичный двигатель развивает на валу генератора момент М₁, приводящий генератор во вращение по часовой стрелке с некоторой постоянной частотой п (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема работы генератора

Если генератор возбужден, то в проводнике, находящемся под северным полюсом, наводится э.д.с., направленная за плоскость чертежа. Если генератор работает в режиме х.х., то для вращения якоря нужен небольшой момент М₀. Этот момент затрачивается на преодоление трения в подшипниках; щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух, а также на покрытие потерь встали сердечника якоря. При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток i_я=I_я/(2а), в результате взаимодействия которого с основным магнитным полем машины на каждый проводник обмотки якоря действует сила

(5.4)

где В_СР — среднее значение магнитной индукции в зазоре; l — длина якоря.

Определив по правилу «левой руки» направление этих сил, убеж­даемся, что создаваемый ими электромагнитный момент направлен против вращающего момента первичного двигателя M₁. Величина электромагнитного момента (Н м).

,

где N — число активных проводников обмотки якоря.

Имея в виду, что i_Я = I_Я/(2а); и магнитный поток возбуждения Ф = В_ср , получим ; или

М=C_MI_ЯФ, (5.5)

где — величина, постоянная для данной машины. При неизменной частоте вращения (n = const) вращающий момент первичного двигателя М₁ уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х.х. М₀ и электромагнитным моментом М, т. е. M₁ = M₀ + M. Полученное выражение представляет собой уравнение моментов для генератора при n = const.