Принцип действия генератора постоянного тока

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

Величина э.д.с, индуктируемой генератором, прямо  пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения якоря п:

 
где С — постоянный коэффициент, учитывающий число  витков обмотки  якоря,  число  пар полюсов  и другие постоянные   величины,    характеризующие данный генератор. Напряжение на выводах генератора  меньше его э.д.с. на  величину падения напряжения в цепи якоря. Падение напряжения в цепи якоря определяется по закону Ома и равно произведению тока якоря Iя на сопротивление цепи якоря Rя.    Следовательно, напряжение на выводах генератора

Общее сопротивление цепи якоря состоит из сопротивлений обмотки якоря, последовательной обмотки возбуждения, обмотки добавочных полюсов, щеток и переходов между коллектором и щетками. 
Падение напряжения в цепи якоря очень небольшое, так как сопротивление обмотки якоря мало. Поэтому напряжение генератора бывает лишь незначительно меньше его э.д.с. Из этих двух формул также следует, что величину э.д.с. генератора и напряжения на его зажимах можно изменять двумя способами: изменением магнитного потока полюсов или частоты вращения якоря. 
Отдаваемая во внешнюю цепь мощность генератора в киловаттах:

Мощность, отдаваемая генератором, всегда меньше мощности, затрачиваемой на вращение якоря  и возбуждение, потому что внутри генератора происходят потери энергии. К этим потерям относятся механические потери (трение в подшипниках, трение коллектора о щетки), потери на нагрев проводов обмотки якоря и обмотки возбуждения, магнитные потери и т. д. 
Отношение полезной мощности генератора, т. е. той, которую он отдает во внешнюю цепь, к мощности, затрачиваемой для привода генератора и его возбуждения, называют коэффициентом полезного действия генератора. Если тяговый генератор тепловоза работает  с    полной    нагрузкой,    его к.п.д. достигает 94—95%, т. е. потери в нем весьма малы. 
Для возбуждения (cсоздания   рабочего    магнитного   потока в   электрических   машинах) генератора по обмотке его главных полюсов пропускают ток, называемый током возбуждения. По способу возбуждения генераторы разделяются на два типа: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением. 
В генераторах с независимым возбуждением обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника электрической энергии, обычно от другого генератора постоянного тока или реже от аккумуляторной батареи (рис. 139, а).

Рис. 139. Схемы  возбуждения генератора: 
а -независимое возбуждение; б - параллельное возбуждение; в - последовательное возбуждение; г - смешанное возбуждение

В генераторах  с самовозбуждением питание обмотки  возбуждения осуществляется от самого генератора, т. е. током, вырабатываемым в его якоре. При этом используется явление остаточного магнетизма, которым обладает, например, мягкая сталь. Полюсные сердечники из мягкой стали являются постоянными магнитами, хотя и очень слабыми. 
В обмотке вращающегося якоря генератора за счет остаточного магнетизма индуктируется небольшая э.д.с. Под действием этой э.д.с. в обмотке возбуждения возникает незначительный ток. Магнитный поток, создаваемый током возбуждения, усилит остаточный магнитный поток полюсов, и э. д. с. якоря возрастет, что в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению тока возбуждения. Так  последовательно  магнитный    поток полюсов достигает расчетной величины. Генератор индуктирует необходимую э. д. с. и сам питает током свою обмотку возбуждения. 
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения с якорем разделяются на три основных типа (рис. 139, б, в, г). В генераторе параллельного возбуждения обмотка главных полюсов включается параллельно силовой цепи. 
Ток, вырабатываемый в обмотке якоря, разветвляется: основной ток проходит в силовую цепь, а небольшая часть тока — по обмотке возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения обмотка главных полюсов включается последовательно с якорем и по ней проходит весь ток, вырабатываемый генератором. В генераторе со смешанным возбуждением имеются параллельная и последовательная обмотки возбуждения. Сила тока в параллельных обмотках возбуждения обычно ограничивается с помощью резисторов R (см. рис. 139, б, г). 
Характеристики генератора, а значит, области его применения зависят от схемы возбуждения. О свойствах генератора прежде всего позволяет судить его внешняя характеристика. Внешней характеристикой генератора называют зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при неизменной частоте вращения якоря и заданных    условиях    возбуждения. 
Рассмотрим более подробно условия работы генератора на тепловозе, свойства, которыми он должен обладать, и необходимую его внешнюю характеристику.

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Тяговый генератор  тепловоза обеспечивает использование  номинальной мощности дизеля тепловоза. Дизель развивает такую мощность вплоть до номинальной, какую требует  от него генератор. Если генератор по каким-то причинам будет развивать  небольшую мощность, то регулятор двигателя, поддерживая постоянной частоту вращения коленчатого вала, с помощью реек топливных насосов уменьшит подачу топлива в цилиндры. Дизель будет недогружен. Тепловоз совсем не сможет вести поезд, либо поведет его с пониженной скоростью. Следовательно, характеристика тягового генератора в значительной мере определяет тяговые качества локомотива. Какой же она должна быть, чтобы обеспечить реализацию номинальной мощности дизеля и, значит, тепловоза? 
Мощность, вырабатываемая генератором, как указывалось выше, равна произведению тока нагрузки на напряжение на его выводах. Тепловоз с поездом движется по различному профилю пути. В процессе движения на подъеме скорость поезда обычно уменьшается, на уклоне или площадке после подъема — увеличивается. При этом скорость может изменяться в несколько раз. Изменение скорости движения приводит к изменению в широких пределах режима работы и тока, потребляемого тяговыми электродвигателями от генератора. Следовательно, ток /г генератора при работе дизеля на номинальной  мощности будет  значительно изменяться в зависимости от скорости движения локомотива. Легко догадаться, что для поддержания постоянства мощности тягового генератора в случае изменения тока необходимо обратно пропорционально изменять напряжение Ur генератора. Например, если скорость тепловоза уменьшилась и ток в тяговых двигателях и генераторе увеличился в два раза, то напряжение генератора должно снизиться также в два раза. Произведение тока генератора на его напряжение останется прежним, следовательно, мощность, вырабатываемая тяговым генератором, также останется постоянной. 
Однако ток и напряжение тягового генератора могут меняться лишь в определенных пределах. Максимальное напряжение генератора не может быть превышено по условиям магнитного насыщения системы возбуждения, прочности изоляции электрической машины, допускаемому напряжению между коллекторными пластинами. Ток генератора также ограничен определенным предельным значением. В случае дальнейшего увеличения тока произойдет перегрев обмотки якоря, коллектора, начнется искрение под щетками, генератор может выйти из строя. 
Изобразим требуемую внешнюю характеристику тягового генератора, т. е. зависимость его напряжения от тока, графически в системе прямоугольных координат (рис. 140). На горизонтальной прямой (оси абсцисс) будем откладывать ток генератора Iг на вертикальной прямой (ось ординат)  — напряжение генератора  Ur.

Рис. 140. Внешняя  характеристика тягового генератора тепловоза

Например, генератор  вырабатывает ток величиной I'г, а его напряжение в этот момент времени равно U'г. Точка Д1 определит графически данный режим работы генератора. Отложив на осях координат целый ряд значений тока генератора и соответствующие им напряжения генератора, аналогичным способом найдем ряд точек Д2, Дз и т. д. Соединив эти точки линией, мы получим графическое изображение внешней характеристики тягового генератора. 
Требуемая внешняя характеристика тягового генератора может быть представлена кривой АБВГ. Основной рабочей частью характеристики является участок БВ, на котором напряжение тягового генератора изменяется обратно пропорционально току генератора и его мощность сохраняется постоянной. Эта кривая носит название гиперболы. После того как ток уменьшился до величины Iг1 (точка Б характеристики), а напряжение возросло до предельно допустимого значения Uг1, дальнейшего возрастания напряжения с уменьшением тока не происходит. Участок кривой АБ характеризует ограничение мощности генератора по напряжению. В случае когда ток достигает предельно допустимой величины, напряжение генератора начинает резко уменьшаться, предупреждая дальнейшее увеличение тока. Участок характеристики ВТ является ограничением по величине максимального тока генератора. 
Рассмотренная внешняя характеристика тягового генератора является  теоретической.  В  реальных условиях с целью упрощения систем регулирования генераторов допускают некоторые отклонения фактических характеристик от теоретической. Однако сближение реальной и теоретической характеристик является необходимым и служит критерием оценки систем регулирования. 
Внешняя характеристика тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 141) приближается к гиперболе при токе генератора 2600—5800 А.

Рис. 141. Внешняя  характеристика и изменение мощности тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л при номинальном режиме работы в зависимости от тока

В гиперболической  части внешней характеристики мощность генератора практически поддерживается постоянной. При меньших токах  наступает ограничение мощности по возбуждению: напряжение почти не повышается и мощность с уменьшением тока снижается. Величина максимального тока также строго ограничивается. 
Посмотрим, можно ли получить такую внешнюю характеристику у генератора с самовозбуждением. Напряжение генератора параллельного возбуждения (кривая 2, рис. 142) несколько падает с увеличением тока нагрузки.

Рис. 142. Внешние характеристики генератопров с возбуждением: 
1 - независимым; 2- параллельным; 3 - последовательным; 4 - смешанным согласованным; 5 - смешанным встречным

Это происходит за счет возрастания внутреннего падения напряжения (в цепи якоря) и усиления реакции якоря. Кроме того, вызванное этими причинами падение напряжения приводит к уменьшению тока возбуждения и дополнительному понижению напряжения генератора. У генератора последовательного возбуждения (кривая 3, рис. 142) в аналогичных условиях напряжение растет, так как весь ток якоря проходит по обмоткам его главных полюсов. 
Генератор со смешанным возбуждением  (кривая 4, рис. 142) в случае, если магнитные потоки обеих обмоток его возбуждения имеют одинаковые направления, может поддерживать на своих выводах напряжение близкое к постоянному. При встречном направлении магнитных потоков обмоток возбуждения напряжение генератора с увеличением тока нагрузки резко снижается за счет размагничивания последовательной обмоткой. Но его внешняя характеристика представляет собой выпуклую кривую (кривая 5, рис. 142), отличающуюся от гиперболы. 
Если напряжение на выводах обмотки возбуждения генератора независимого возбуждения сохраняется постоянным, то его внешняя характеристика изображается почти горизонтальной линией  (кривая 1, рис.  142). 
Следовательно, генераторы с самовозбуждением и рассмотренный генератор независимого возбуждения не удовлетворяют по своим характеристикам   требованиям,    предъявляемым к тяговому генератору тепловоза. Поэтому генераторы мощных тепловозов выполняются с независимым возбуждением и специальной системой регулирования тока возбуждения, обеспечивающей реализацию необходимой внешней характеристики. Как уже отмечалось, тяговые генераторы тепловозов обычно используются для пуска дизеля. Поэтому на главных полюсах генератора, кроме обмотки независимого возбуждения, располагается еще пусковая обмотка. Пусковая обмотка обеспечивает возбуждение генератора лишь при его работе в режиме электродвигателя. На генераторном режиме она отключена. Принцип действия генератора в двигательном режиме не отличается от принципа действия других электродвигателей постоянного тока.