Краткие теоретические и практические сведения

На рис 5.1 схематично изображена конструкция генератора постоянного тока: 1 – стальной корпус статора, который является одновременно и элементом конструкции, и магнитопроводом; 2 – шихтованные полюса статора; 3 – катушка обмотки возбуждения; 4 – шихтованный сердечник якоря; 5 – пазы с обмоткой якоря; 6 – коллектор; 7 – токосъемные меднографитовые щетки.

Как известно, в генераторе постоянного тока обмотка возбуждения создает постоянный магнитный поток (МДС ). Якорь генератора при вращении приводным двигателем пересекает это магнитное поле и в якорной обмотке наводится ЭДС, которая благодаря коллектору имеет постоянный знак относительно внешней (нагрузочной) цепи генератора. Величина ЭДС якорной обмотки, снимаемой с помощью скользящего контакта
“щетки–коллектор”, определяется соотношением

,

где С – постоянная генератора; Ф – магнитный поток полюса; – угловая скорость вращения якоря, .

В генераторе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения получает питание от якорной обмотки, и поэтому его называют генератором с самовозбуждением.

На рис. 5.2 изображена схема исследуемого генератора постоянного тока с параллельным возбуждением, где показан также нагрузочный реостат R_H и резисторный регулятор тока возбуждения R_B.

Маркировка обмотки возбуждения – Ш₁, Ш₂; цепи якорной обмотки (с добавочными полюсами) – Я₁, Я₂.

При работе с отключенной нагрузкой (холостом ходе) процесс самовозбуждения генератора развивается следующим образом. При вращении якоря приводным двигателем проводники якорной обмотки генератора пересекают весьма незначительный остаточный поток , существующий в корпусе статора и полюсах за счет гистерезисных качеств материала магнитопровода. В обмотке якоря индуктируется небольшая, так называемая остаточная ЭДС

(5.1)

Под действием этой ЭДС по замкнутой цепи “якорная обмотка – обмотка возбуждения” начинает протекать ток

Проходя по обмотке возбуждения, этот ток создает магнитное поле . Если его направление совпадает с направлением остаточного потока, то общий поток возбуждения генератора возрастает: . Тогда возрастает и ЭДС якорной обмотки, следовательно, увеличивается и ток в обмотке возбуждения. Такой процесс самовозбуждения развивается лавинообразно. Он, однако, ограничен насыщением магнитной цепи генератора и величиной сопротивления цепи обмотки возбуждения.

Как видно из вышеизложенного, необходимыми условиями самовозбуждения являются следующие:

1) наличие в корпусе статора и полюсах генератора остаточного намагничивания (остаточного потока );

2) совпадение направления потока, создаваемого током возбуждения, с направлением потока остаточного намагничивания;

3) сопротивление цепи возбуждения генератора должно быть меньше определенной критической величины .

Зависимость ЭДС якорной обмотки от тока возбуждения при отключенной нагрузке ( ) и постоянной скорости вращения ( ) называют характеристикой холостого хода генератора (рис. 5.3). Очевидно, что с ростом тока возбуждения растут магнитный поток и ЭДС якоря, но этот рост ограничен насыщением магнитной цепи генератора. Из-за явления гистерезиса магнитного материала магнитопровода нисходящая ветвь характеристики холостого хода проходит несколько выше восходящей.

При работе на нагрузку большая часть якорного тока идет в нагрузку, а незначительная – в обмотку возбуждения:

(5.2)

причем

(5.3)

и поэтому

Напряжение генератора определяется из выражения

(5.4)

где – суммарное сопротивление цепи якорной обмотки.

Таким образом, с увеличением тока нагрузки (практически равного якорному току) напряжение генератора будет снижаться за счет увеличения падения напряжения в цепи якорной обмотки. Кроме того, ток якорной обмотки создает свое магнитное поле, которое ослабляет основной поток возбуждения. Это явление называется реакцией якоря.

Зависимость напряжения U от величины якорного тока при постоянной скорости вращения якоря и постоянном сопротивлении цепи возбуждения называют внешней характеристикой генератора (рис. 5.4).

Характерный изгиб в зависимости после достижения максимального тока и небольшое значение тока короткого замыкания в генераторе с параллельным возбуждением объясняются следующим образом.

С ростом , как отмечено выше, напряжение U снижается из-за реакции якоря и возрастания падения напряжения . При этом уменьшается величина тока возбуждения:

(5.5)

следовательно, уменьшается магнитный поток возбуждения и дополнительно уменьшается величина ЭДС якорной обмотки , причем это уменьшение вначале незначительное, а затем довольно резко усиливается (что видно из характеристики холостого хода).

При снятии внешней характеристики рост якорного тока обеспечивается за счет уменьшения нагрузочного сопротивления. Однако значительное уменьшение ЭДС и напряжения генератора из-за уменьшения тока возбуждения приводит (после точки на внешней характеристике) к тому, что дальнейшее уменьшение величины сопротивления нагрузки не приводит к возрастанию якорного тока. В соотношении напряжение уменьшается быстрее, чем сопротивление нагрузки, поэтому и якорный ток начинает уменьшаться. В режиме короткого замыкания , , ток возбуждения и в генераторе будет только незначительный остаточный магнитный поток . Поэтому в якорной обмотке при коротком замыкании наводится небольшая ЭДС:

,

а ток короткого замыкания

(5.6)

Чтобы при различных токах нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным, необходимо соответствующим образом воздействовать на ток возбуждения генератора. Как необходимо изменять ток возбуждения генератора с ростом якорного тока, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным, показывает регулировочная характеристика (рис. 5.5).

Очевидно, чтобы напряжение с ростом оставалось постоянным, необходимо увеличивать ток возбуждения и, следовательно, магнитный поток Ф и ЭДС .