ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

ЛЕКЦИЯ 33. ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Важнейший классификационный признак генераторов – это способ получения магнитного поля. В зависимости от этого различают:

• генераторы с независимым возбуждением;
• генераторы с самовозбуждением.

В генераторах с независимым возбуждением обмотку возбуждения (ОВ) запитывают от отдельного источника, например, от аккумуляторной батареи. Для питания ОВ требуется мощность на несколько порядков меньше мощности генератора, т.е. ток в ОВ мал.

Генераторы с самовозбуждением встречаются гораздо чаще, и они подразделяются на два типа:

• генераторы с параллельным возбуждением (рис. 1) – ОВ включается параллельно обмотке якоря;
• генераторы со смешанным возбуждением (рис.2) – одна ОВ включается параллельно обмотке якоря, а другая – последовательно с ней.

Название определяется тем, как включается обмотка возбуждения:

Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока: рассмотрим его на примере ГПТ с параллельным возбуждением.

Как следует из первого правила Кирхгофа: I_Я = I_Н + I_В, где I_Я – ток обмотки якоря;

I_Н – ток нагрузочного сопротивления;

I_В – ток обмотки возбуждения.

При изготовлении генератора его полюса намагничивают. Для чего на стадии изготовления через обмотку якоря (ОЯ) пропускают ток от какого-либо постороннего источника, например, от аккумуляторной батареи.

Следовательно, в исходном состоянии система генератора обладает какой-то остаточной намагниченностью, т.е. в пространстве между полюсами, где помещен якорь, будет иметь место некоторый магнитный поток, называемый остаточным (Ф_ОСТ). Этот магнитный поток небольшой, т.к. он связан именно с остаточным намагничиванием.

Если теперь якорь начать вращать, то под действием Ф_ОСТ в обмотке якоря будет наводиться ЭДС, называемая остаточной (e_ОСТ). Эта величина также небольшая, т.к. она прямо пропорциональна среднему значению магнитного потока, а он невелик.

Как только в обмотке якоря возникнет e_ОСТ, то в ОВ, включенной параллельно якорю, сразу же появится ток возбуждения (I_В); величина этого тока сначала также будет небольшой, т.к. ЭДС невелика.

Но за счет этого тока будет возникать дополнительный магнитный поток, и если ток течет в нужном направлении, то дополнительный магнитный поток будет совпадать по направлению с Ф_ОСТ, а значит, магнитный поток в системе будет увеличиваться. Но усиление магнитного потока вызовет усиление ЭДС, что в свою очередь вызовет дальнейшее увеличение тока в ОВ, что, в свою очередь, приведет к дальнейшему увеличению магнитного потока и т.д.

Однако этот процесс не бесконечный, прекращение его будет связано с тем, что в определенный момент очередное усиление тока возбуждения не приведет к усилению магнитного потока, т.е магнитная система войдет в состояние насыщения.

Таким образом, условия самовозбуждения генератора можно сформулировать так:

1. наличие остаточного намагничивания (если генератор после изготовления пролежал несколько лет на складе, то он, с гарантией, размагнитился, и Ф_ОСТ в нем будет равен нулю. В этом случае необходимо произвести намагничивание, подключив ОВ к какому-нибудь внешнему источнику);

2. создаваемый током возбуждения магнитный поток должен совпадать по направлению с отсаточным магнитным потоком, иначе будет происходить не усиление магнитного потока, а ослабление, т.е. система выйдет из состояния насыщения. Это достигается реализацией смены полярности подключения ОВ к якорю;

3. сопротивление ОВ не должно превышать некоторого критического значения, иначе генератор не заработает (нельзя при намотке генератора использовать тонкий провод из-за его большого сопротивления).

Характеристики генераторов постоянного тока:

Рассмотрим характеристики генераторов с параллельным возбуждением. Основных характеристки три:

1. характеристика холостого хода: это зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения. При токе возбуждения, равном нулю, существует некоторая ЭДС остаточная (e_ОСТ), вызванная наличием остаточного магнитного потока (Ф_ОСТ). С ростом тока магнитный поток увеличивается, соответственно будет увеличиваться и ЭДС.

При достаточно больших токах магнитная система войдет в состояние насыщения, а Þ прекратится рост ЭДС.

Раздвоение кривой связано с тем, что при уменьшении тока изменились начальные условия, т.е., когда мы снимаем зависимость в прямом направлении, в сторону увеличения, мы производим дополнительное намагничивание магнитной системы, и остаточный магнитный поток становится другим, а именно, больше, чем был. Соответственно, при уменьшении тока кривая пойдет выше.

2. внешняя характеристика генератора: она отражает зависисмость напряжения генератора от тока якоря (или тока нагрузки) при постоянной частоте вращения.

Участок ab кривой соответствует состоянию магнитного насыщения (Ф = const), а это значит, что постоянной будет и ЭДС.

На участке bc ЭДС уже не будет постоянной. Этому участку соответствуют большие значения тока якоря.

Это приводит к тому, что заметную роль начинает играть явление реакции якоря, которое заключается в ослаблении магнитного поля системы в результате действия собственного поля якоря, которое будет тем больше, чем больше ток якоря.

Начиная с точки с, даже небольшое уменьшение тока возбуждения приведет к значительному уменьшению магнитного потока. Поэтому на участке cd процесс уменьшения напряжения на выходе генератора начинает развиваться лавинообразно. Все процессы заканчиваются полным размагничиванием магнитной системы генератора.

3. регулировочная характеристика: показывает, как необходимо изменять ток возбуждения при увеличении тока нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным.

Для поддержания постоянного напряжения при увеличении падения напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря необходимо обеспечивать соответствующий рост ЭДС генератора.

Обеспечение возрастания ЭДС возможно лишь путем влияния на магнитный поток увеличением тока возбуждения.

Наряду с генераторами с параллельным возбуждением, широкое применение имеют генераторы со смешанным возбуждением. В этих генераторах наряду с параллельной обмоткой возбуждения дополнительно последовательно включается еще одна ОВ. Ее использование позволяет осуществить частичную компенсацию магнитного потока, создаваемого параллельной ОВ.

Т.к. через последовательную ОВ протекает практически весь ток, который течет через ОЯ, то с увеличением тока якоря, когда происходит постепенное уменьшение тока возбуждения, приводящее к уменьшению магнитного потока, дополнительный магнитный поток, создаваемый второй ОВ будет увеличиваться, т.к. ток якоря увеличивается, и это позволяет сохранить ЭДС постоянной в более широком диапазоне тока.

За счет применения второй ОВ в генераторах со смешанным возбуждением рабочий участок внешней характеристики при согласном включении обмоток охватывает гораздо больший диапазон токов.

В итоге сравнительный график двух зависимостей напряжения от тока нагрузки для генераторов с параллельным и смешанным возбуждением при согласном включении выглядит следующим образом:

1 – генератор с параллельным возбуждением;

2 – генератор со смешанным возбуждением.

Если же обмотки включаются встречно, что достигается сменой полярности обмотки якоря или одной из обмоток возбуждения, то наблюдается более резкое снижение напряжения на выходе генератора и зависимость приобретает вид:

Такой режим может находить полезное применение, например, при работе генератора на сварочном аппарате, когда при возникновении дуги происходит резкое снижение напряжения. Достоинство такого режима заключается в том, что подобное включение обмоток не дает развиваться чрезмерно большому току.