Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока General Electric в Джорджтаунском музее электрических станций.

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы подразделяются на:

1. генераторы независимого возбуждения;
2. генераторы с самовозбуждением;

• генераторы параллельного возбуждения;
• генераторы последовательного возбуждения;
• генераторы смешанного возбуждения;

Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Генераторы независимого возбуждения

В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения $I_\text{в}$ не зависит от тока якоря $I_a$, который равен току нагрузки $I_\text{н}$. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1…3 % от номинального тока якоря.

Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Характеристика холостого хода $U_0=f(I_\text{в})$ при $I_\text{н}=0$ и $n=const$. Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. $E_\text{ост}$ составляет 2…4 % от $U_\text{ном}$.

Внешней характеристикой называется зависимость $U=f(I_\text{н})$ при $n=const$ и $I_\text{н}=const$. Под нагрузкой напряжение генератора

$U = E - {I_a}\Sigma r$

где $\Sigma r$ – сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки). С увеличением нагрузки напряжение $U$ уменьшается по двум причинам:

• из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении $\Sigma r$ машины;
• из-за уменьшения ЭДС $E$ в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Генераторы параллельного возбуждения

В генераторе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.

Регулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбуждения $I_\text{в}$ от тока якоря $I_a$ при постоянном напряжении $U$ и оборотах $n$. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.

Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи. При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС $E_\text{ост}$, и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена так, что ее НС $F_\text{в}$ направлена согласно с НС остаточного магнетизма, то магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС $E$, поток $\Phi$ и ток возбуждения $I_\text{в}$. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с $I_\text{в}=const$, $E=const$, зависящими от величины сопротивления $R_\text{в}=const$ цепи возбуждения.

Для режима холостого хода генератора:

$e = {i_B}{R_B} + L{{d{i_B}} \over {dt}}$

где $L$ – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением. У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения Iв равен току якоря Iа. Поэтому при холостом ходе, когда Iв = Iа =I = 0, ЭДС, наводимая в обмотке якоря, равна Еост.

Характеристики холостого хода и нагрузочная для такого генератора могут быть сняты при питании обмотки от независимого источника. Эти характеристики имеют тот же вид, что и для генератора независимого возбуждения.

Самовозбуждение генератора происходит, если сопротивление цепи якоря меньше критического. Внешняя характеристика генератора показана на рис. 12 (кривая 2). На этом же рисунке изображена характеристика холостого хода E=f(Iв) (кривая 1). При одном и том же токе Iв = I напряжение генератора меньше, чем ЭДС по характеристике холостого хода, из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.

http://principact.ru/images/stories/generator/im8.jpg

При малых нагрузках, когда ток якоря и, следовательно, ток возбуждения малы, магнитная система машины ненасыщена и ее ЭДС изменяется пропорционально току I. Падение напряжения и размагничивающее действие реакции якоря практически изменяются также пропорционально току I.Поэтому напряжение на выводах машины растет пропорционально току I. При больших токах происходит насыщение магнитной системы машины, вследствие чего ЭДС при увеличении I будет изменяться мало. Поэтому и напряжение с ростом тока нагрузки увеличивается незначительно, а при очень больших токах нагрузки из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря оно начинает уменьшаться.

Из-за сильной зависимости напряжения от тока нагрузки генераторы последовательного возбуждения широкого практического применения не нашли.

Генераторы смешанного возбуждения

В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ${\Delta U}_\text{посл}$ компенсировало суммарное падение напряжения $\Delta U$ при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение $U$ при изменении тока нагрузки от нуля до

См. также

• Генератор переменного тока

"Принципы действия устройств" Генераторы постоянного тока http://principact.ru/content/view/57/108/1/3/

Литература

• Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: Учебник для вузов. - СПб: Питер, 2008. - 320 с.

"Принципы действия устройств" Генераторы постоянного тока http://principact.ru/content/view/57/108/1/3/