Принцип действия генератора постоянного тока

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.

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.

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.

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.

УСТРОЙСТВО ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л представляет собой электрическую машину постоянного тока. Его длительная номинальная мощность, т. е. мощность, которая может быть получена от него неограниченное время, равна 2000 кВт. Тяговый генератор состоит из следующих основных частей: магнитной системы, якоря, щеткодержателей со щетками и вспомогательных устройств (рис. 143). Магнитная система генератора предназначена для создания мощного магнитного поля в нем. Она образована из станины (ярма) генератора, главных и добавочных полюсов. Станина генератора, являясь частью магнитной системы, представляет собой и его остов (корпус). Изготовлена станина из стали с малым содержанием углерода, обладающей высокой магнитной проницаемостью. Снаружи станина имеет лапы, с помощью которых генератор устанавливают на поддизельной раме. 
Магнитная система генераторов постоянного тока в зависимости от их мощности может иметь различное число полюсов. Генераторы большой мощности выполняются многополюсными, так как при этом уменьшаются их размеры и масса. Тяговый генератор, тепловоза 2ТЭ10Л имеет 10 главных полюсов. Сердечники главных полюсов изготовлены из тонких листов электротехнической стали с большой магнитной проницаемостью (рис. 144). В сердечнике, набранном из отдельных изолированных листов, вихревые токи намного меньше, чем в цельном. Листы стягиваются заклепками.

Сердечники полюсов прикреплены к станине болтами. Наконечники сердечников имеют такую форму, которая позволяет, во-первых, удерживать полюсную катушку и, во-вторых, придать распределению магнитных силовых линий между полюсом и якорем желаемый характер. 
На каждом главном полюсе размещены катушки обмоток независимого возбуждения и пусковой. Катушка независимого возбуждения выполнена из 105 витков медного провода сечением 1,7 х 6,9 мм. Пусковая катушка полюса, по которой кратковременно пропускается ток большой силы только при пуске дизеля, имеет всего три витка из сдвоенного провода сечением 2,26X40 мм. В генераторах северный и южный полюсы чередуются между собой, т. е. за северным полюсом следует южный, затем опять северный и т. д. 
Добавочные полюсы установлены между главными.  По  числу главных полюсов тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л оборудован 10 добавочными полюсами. Каждый добавочный полюс состоит из сердечника и катушки с шестью витками провода сечением 16X25 мм (рис. 145).Ввиду небольших размеров сердечники добавочных полюсов выполнены цельными (сплошными). Полюсы снабжены изоляционными рамками для усиления изоляции от корпуса и пружинными рамками для предупреждения вибрации катушек на сердечниках полюсов. 
Якорь генератора (рис. 146) служит для размещения на нем обмотки и коллектора, а также для уменьшения сопротивления магнитной цепи генератора.

С целью снижения массы генератора корпус якоря выполнен полым. Корпус оканчивается фланцем для соединения с помощью муфты с коленчатым валом дизеля, а с противоположной стороны снабжен ребристой втулкой. Во внутреннее отверстие втулки запрессован укороченный вал якоря. Применение укороченного вала вместо сквозного позволило дополнительно уменьшить массу якоря. Наружное кольцо ребристой втулки предназначено для установки коллектора генератора. Вал якоря опирается на сферический двухрядный роликовый подшипник (см. рис. 143), расположенный в съемной капсуле. Капсула крепится к подшипниковому щиту генератора и позволяет снять подшипник без полной разборки электрической машины. Подшипник закрыт крышками и уплотнительными кольцами. 
Сердечник якоря набран из сегментных    листов   электротехнической (см. рис. 146) стали толщиной 0,5 мм, стянутых с помощью нажимных шайб и шпилек. Нажимные шайбы одновременно являются обмоткодержателями для лобовых частей якорной обмотки. Листы сердечника изолированы друг от друга, благодаря чему резко снижаются потери энергии в сердечнике, уменьшается его нагрев вихревыми токами. Эти листы по наружной поверхности имеют зубцы. При сборке впадины между зубцами образуют пазы, в которые укладывается обмотка якоря. 
Якорная  обмотка   —  двухходовая петлевая   с  уравнительными   соединениями. Обмотка состоит из секций. Каждая секция имеет несколько витков хорошо изолированного медного провода прямоугольного сечения 2,83 X 5,5 мм. Готовые секции укладывают в пазы сердечника якоря и соединяют  с  пластинами  коллектора. 
При работе генератора его якорь вращается с большой скоростью и на секции обмотки якоря действуют значительные центробежные силы. В пазах сердечника якоря секции обмотки укрепляют специальными клиньями из изоляционного материала (рис. 147).

Участки обмотки, выходящие из пазов сердечника якоря, стягивают бандажами из стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением, или стеклоткани. Для того чтобы витки проволоки бандажа не расходились, их по всей окружности пропаивают оловом вместе с пластинами из жести (замками). Бандажи надежно прижимают лобовые части обмоток к цилиндрическим  обмоткодержателям корпуса якоря. В генераторах последних лет изготовления проволочные бандажи заменены более надежными в эксплуатации стеклобандажами (из стеклоткани). Стеклобандажи в отличие от проволочных не оказывают влияния на магнитное поле электрической машины. 
Коллектор, как уже указывалось, служит для выпрямления переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря генератора, и для съема тока. Он состоит из большого числа медных коллекторных пластин. Например, коллектор тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л имеет 465 пластин. При сборке коллектора между его пластинами прокладывают изоляцию из миканитовых прокладок. Миканит -— электроизоляционный материал, получаемый склеиванием тонких листочков слюды различными связующими материалами. Изоляция (миканитовые манжеты и цилиндры) прокладывается также между собранными в виде кольца коллекторными пластинами, корпусом коллектора инажимным конусом (см. рис. 146). Основания коллекторных пластин выполнены в виде ласточкина хвоста и входят в выступы корпуса коллектора и нажимного конуса, которые стягиваются шпильками и надежно удерживают пластины. Собранный коллектор напрессовывают на ребристую втулку якоря. 
Выступающую часть коллекторных пластин, в которую впаиваются выводы обмотки якоря, называют петушками. В тяговых генераторах тепловозов 2ТЭ10Л каждая коллекторная    пластина соединена с    концами секций обмотки якоря посредством ленточной меди («гибкого петушка»). Гибкий петушок припаивают одним концом к пластине коллектора, другим — к выходам  обмотки якоря. 
Токосъем с коллектора электрических машин осуществляется щетками. В тепловозных электрических машинах применяются высококачественные электрографитовые щетки (рис. 148).

Эти щетки изготовлены из угольного порошка с добавлением связующих материалов. Они прессуются в виде брусков нужных размеров и подвергаются действию высокой температуры (до 3000°С) в электропечах. В результате термической обработки углерод переходит в другую свою модификацию — графит. Поэтому термообработка щеток и получила название графитации. Графитация позволяет значительно повысить качество щеток. Они становятся мягче, прочнее, износоустойчивее, меньше изнашивают коллектор, выдерживают большие токовые нагрузки. Такие щетки имеют достаточное электрическое сопротивление, поэтому обладают высокими коммутирующими качествами. 
Рабочую поверхность щеток точно притирают (пришлифовывают) к поверхности коллектора. Поверхность коллектора, по которой скользят щетки, делается строго цилиндрической и тщательно шлифуется. Для обеспечения более спокойной, без ударов и вибраций работы щеток с целью повышения надежности их могут устанавливать наклонно к поверхности коллектора электрической машины или снабжать резиновыми амортизаторами. 
Щетки вставляют в специальные латунные обоймы, называемые щеткодержателями. Щеткодержатели тягового генератора тепловоза 2ТЭ10Л показаны на рис. 149. Назначение щеткодержателей — удерживать щетки в правильном положении и прижимать их к поверхности коллектора. Для этого щеткодержатели имеют пружины. В щеткодержателе установлены две щетки с резиновыми амортизаторами. Электрический ток отводится от щеток по гибким медным тросикам (шунтам). Второй конец тросика надежно соединен с бракетом щеткодержателей. 
В соответствии с числом главных полюсов тяговый генератор тепловоза 2ТЭ10Л имеет десять алюминиевых бракетов, на каждом из них укреплено по девять щеткодержателей с восемнадацатью щетками. Бракеты на изоляторах крепятся к поворотной траверсе. Траверса устанавливается в подшипниковом щите генератора (см. рис. 143 и 149) и может поворачиваться для облегчения доступа при осмотре и ремонте к каждому щеткодержателю. Пять бракетов щеткодержателей одной полярности соединены шиной; одна из шин является плюсовой, вторая - минусовой.

При работе дизеля тепловоза коленчатый вал через пластинчатую муфту вращает якорь тягового генератора в магнитном поле, создаваемом его полюсами. В якорной обмотке индуктируется э. д. с, при замыкании внешней цепи ток проходит из якорной обмотки через одну группу пластин коллектора, плюсовые щеткодержатели к тяговым электродвигателям и далее через минусовые щеткодержатели, другую группу пластин коллектора возвращается в якорную обмотку. 
Несмотря на принимаемые меры по снижению электрических, магнитных, механических потерь энергии в генераторе, они остаются достаточно большими и приводят к нагреву деталей. Наиболее чувствительной к повышенным температурам является изоляция обмоток и коллектора электрических машин. Для предупреждения перегрева генераторов, прежде всего электрической изоляции, их охлаждают наружным воздухом. При этом в отечественных тяговых генераторах мощностью до 1500 кВт обычно используется самовентиляция. Для подачи охлаждающего воздуха в более мощные тяговые генераторы на тепловозах устанавливают специальные дополнительные  вентиляторы. 
Тяговый генератор тепловоза ТЭЗ выполнен с самовентиляцией. Для этого  на  якоре  генератора  со стороны, противоположной коллектору, укреплен центробежный вентилятор. Вентилятор засасывает воздух со стороны коллектора. Далее поток воздуха проходит внутри генератора, охлаждает его. и выбрасывается вентилятором через патрубок наружу под раму тепловоза. 
На тепловозах 2ТЭ10Л установлен отдельный центробежный вентилятор для охлаждения воздухом тягового генератора (рис. 150).