Работа машины постоянного тока в режиме генератора.

Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М1. При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них индуктируется эдс, направление которой определяется правилом правой руки (изо). Если якорь вращается с частотой в минуту n, то в его обмотке индуктируется эдс Е = СnФ.

Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо приемник энергии Rн (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет проходить ток I, направление которого в обмотке якоря совпадает с направлением эдс.
В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ, направление которого определяется правилом левой руки.
Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлению вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента, следовательно, машина потребляет механическую энергию.

В случае равновесия моментов, т. е. М1 = Мэ, якорь машины вращается с неизменной частотой.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря начнет изменяться. Если почему-либо момент первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора (М1 < Мэ), вращение якоря машины начнет замедляться. При этом будет уменьшаться как эдс, так и ток в обмотке якоря, что понизит тормозной электромагнитный момент генератора.
В случае увеличения момента первичного двигателя (М1 > Мэ) частота вращения якоря, а также эдс и ток в его обмотке будут возрастать, что увеличит тормозной электромагнитный момент.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря, эдс и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.

Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.

Так же при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства частоты вращения якоря генератора.

Схема работы генератора постоянного тока

Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки Rн, сопротивление обмотки якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и коллектором Rщ.

Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов(Ro6 + Rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя+Rн).

Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.

Так как IRn = U, где U - напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия эдс для генератора: U = E - IRя.

Из уравнения равновесия эдс легко получить уравнение мощностей,
т. е. UI = EI - IRя или Р2 = Рэ - IRя, где Р2 - полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии; Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую;
IRя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.

При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю (Рэ = 0), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р0, расходуемую на покрытие потерь холостого хода.
Мощность Р0 складывается из механических потерь на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины РMex и из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст.

В генераторах с самовозбуждением мощность Р0 включает также мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P1 = Pэ + P0.
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/, где = 2n/60 рад/с - угловая скорость якоря.

Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60a)nФ, то электромагнитный момент машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2a)IФ.

Величины а, р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2a = К представляет собой некоторый постоянный для данной машины коэффициент, и электромагнитный момент равен: МЭ = КIФ, т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на магнитный поток полюсов.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока в генераторах с магнитным возбуждением используют постоянные магниты, а в генераторах с электромагнитным возбуждением - 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, проходящим по обмотке возбуждения.

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

При независимом возбуждении (изо, а) обмотка возбуждения включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp. При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре I.
Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. 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 (изо, б), последовательного (изо, в) и смешанного (изо, г) возбуждения.

Схемы возбуждения генераторов постоянного тока:
а - независимого, б - параллельного, в - последовательного, г - смешанного

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. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф0. Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется эдс Е0, составляющая несколько процентов номинального напряжения машины.

Под действием эдс Е0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, проходит ток Iв.
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения IB ( - число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф, что вызывает повышение как эдс в обмотке якоря Е, так и тока в обмотке возбуждения Iв. Увеличение последнего приводит к дальнейшему возрастанию 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 частоты 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 эдс и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Напряжение так же, как и эдс, прямо пропорционально частоте, вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Характеристики генераторов постоянного тока

Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре I, ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n.

Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничнвании стали, б — при изменении частоты вращения якоря

Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между эдс в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.

Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как эдс, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ, то при постоянной частоте вращения эдс окажется прямо пропорциональной магнитному потоку.
Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.

При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф0, который индуктирует в обмотке якоря эдс Е (изо, а).
Эта эдс составляет несколько процентов (2 - 5%) номинального напряжения машины.
С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и эдс, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв возрастает и эдс (кривая 1).

Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения Iв, то эдс также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).
На изо, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различной частоте вращения якоря генератора.

Вращению якоря машины с номинальной частотой nн, указанной в паспорте генератора, соответствует кривая 1. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики.

Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение эдс.

Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения эдс требуются очень большие изменения тока возбуждения.

При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так как эдс пропорциональна частоте. При n' > nн характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2), а при n' < nн - ниже (кривая 3), чем при номинальной частоте вращения.

Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В), либо на пологом (точка С) участке магнитной характеристики, что вызывает изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.

Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения (I = Iв). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет примерно равным эдс и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.

Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.

Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения RB постоянно) и снимается при неизменной частоте вращения.

Для генераторов независимого возбуждения при постоянном RB неизменен также и ток возбуждения Iв. Внешние характеристики такого генератора показаны на изо, а.

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику на понижение напряжения, соответствующую току обмотки возбуждения, при котором напряжение генератора равно номинальному при холостом ходе.
С возрастанием нагрузки (тока I в якоре генератора) увеличивается как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает понижение напряжения.
При изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение на зажимах генератора уменьшается на величину Uпн.
Характеристике на повышение напряжения (кривая 2) соответствует такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после чего нагрузка генератора уменьшается.

С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также снижается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает повышение напряжения.
При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на зажимах генератора увеличивается на величину Uпв.
За счет насыщения стали повышение напряжения меньше, чем понижение, так как размагничивающее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.

В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения RB ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора, которое при изменении нагрузки меняется.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения

В генераторах независимого возбуждения увеличение нагрузки вызывает понижение напряжения под воздействием падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 1 на изо, б).

В генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также уменьшается ток возбуждения, что вызывает уменьшение магнитного потока и понижение напряжения.
Следовательно, при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшается в большей мере (кривая 2), чем в генераторах независимого возбуждения.

Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения Iмакс, не превышающего номинальный ток более чем
в 2 - 2,5 раза.
При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального.

Понижение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то эдс понижается в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.

При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного потока.
Поэтому в обмотке якоря будет эдс только от остаточного магнитного потока Е0, имеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания Iк будет также мал.

Внешняя характеристика на повышение напряжения у генератора параллельного возбуждения (кривая 3) имеет такой же вид, как у генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения

Для генератора последовательного возбуждения внешняя характеристика показана на изо, в. В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря (Iв = I), и при холостом ходе (I = 0) в обмотке якоря будет создана эдс Е0 за счет остаточного магнетизма.
С увеличением нагрузки также возрастет ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение эдс (кривая 1).

Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше эдс вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 2).

Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не нашли применения.

В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая магнитодвижущая сила, создающая магнитный поток, равна сумме магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток, а при встречном включении — разности этих магнитодвижущих сил.

Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения

На изо, г показаны внешние характеристики генератора смешанного возбуждения.
С увеличением нагрузки такого генератора уменьшается напряжение на его зажимах в результате падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря.
Однако с увеличением нагрузки возрастает также ток в последовательной обмотке возбуждения.
Поэтому при согласном включении обмоток увеличение нагрузки вызывает увеличение магнитного потока и эдс обмотки якоря.

Если эдс с повышением нагрузки возрастает на величину, равную понижению напряжения генератора, так как падает напряжение в его сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (кривая 1).

Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует регулировки тока возбуждения при изменениях нагрузки.

При уменьшении числа витков последовательной обмотки эдс с возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени и не будет компенсировать понижения напряжения, так что напряжение на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2), т. е. генератор недовозбужден.

Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше, чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то генератор окажется перевозбужденным, и напряжение на его зажимах будет возрастать с увеличением нагрузки (кривая 3).

При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика подобна внешней характеристике генератора параллельного возбуждения (кривая 4), однако токи максимальный Iмакс и короткого замыкания Iк у генератора смешанного возбуждения будут меньше соответствующих токов генератора параллельного возбуждения в результате размагничивающего действия магнитодвижущих сил последовательной обмотки.

Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужденные, а также перевозбужденные, позволяющие компенсировать падение напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным при изменении тока.

Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не обеспечивают постоянства напряжения и поэтому широкого применения не нашли. Их используют лишь в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).

Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при постоянном напряжении на зажимах генератора.
Регулировочная характеристика генератора показывает, в какой мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.

В генераторах независимого и параллельного возбуждения с увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины и размагничивающее действие потока реакции якоря.

В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбужденных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает изменений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен при изменениях тока нагрузки.