ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ГЕНЕРАТОРА И ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические машины › Электрические машины постоянного тока

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Ea. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:

. (28.1)

Здесь

(28.2)

сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря ra , обмотки добавочных полюсов rД , компенсационной обмотки rк.о., последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта rщ.

При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М1 Если к генератору не подключена нагрузка (работает в режиме х.х. Ia=0 ), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода M0. Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе генератора с подключенной нагрузкой в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодей­ствуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М

. В генераторе этот момент направлен встречно вра­щающему моменту приводного двигателя
ПД
(рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока

При неизменной частоте вращения n = const вра­щающий момент приводного двигателя M1 уравнове­шивается суммой противодействующих моментов: мо­ментом х.х. M0 и электромагнитным моментом М,

т. е.

. (28.3)

Выражение (28.3) —называется уравнением моментов для генератора при постоянной частоте нагрузки. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря ω, получим уравнение мощностей:

,

(28.4)

где P1 = M1ω

— подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая); P0 = M0ω мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен­ной нагрузке); PЭМ = Mω— электромагнитная мощность генератора.

Согласно (25.27), получим

,

или с учетом (28.1)

, (28.5)

где P2

— полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощ­ность, отдаваемая генератором нагрузке;
PЭa
— мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря .

Учитывая потери на возбуждение генератора PЭВ, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:

. (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем P1

,
преобразуется в генераторе в полезнуюэлектрическую мощность P2
,
передаваемую нагрузке, и мощ­ность, затрачиваемую на покрытие потерь
.

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии n = const.

Конструкция генератора

Рассмотрим, что представляет собой генератор постоянного тока. Во-первых, это изготовленный из прочной стали или чугуна корпус устройства. По корпусу также проходит магнитное поле, создаваемое полюсами генератора. Во-вторых, это ротор и статор.

На ферромагнитный статор закрепляется катушка возбуждения. Направление магнитного потока определяют сердечники статора, оснащённые полюсами.

Для большого КПД самого генератора, ротор собран из металлических пластин. Кроме того такая конструкция ротора позволяет значительно сократить появление вихревых токов.

На металлические пластины сердечника наматывают медную или обмедненную обмотку – обмотку самовозбуждения. Количество щеток генератора, изготавливаемых из графита, зависит от количества полюсов на нем, как минимум две. Конструкцию генератора мы можем наглядно рассмотреть на рисунке.

Вывод контура генератора соединяются с помощью коллекторных пластин. Пластины делаются из доступного и хорошего проводника электрического тока – меди, а разделяются между собой диэлектриком.

Уравнение напряжения

Уравнение напряжения U на зажимах генератора имеет вид

где

представляет собой э. д. с. якоря, rа – сопротивление всех последовательно соединенных обмоток цепи якоря, а 2 × ΔUщ – падение напряжение в контактном слое щеток обеих полярностей.

Обычно для упрощения вычислений вводят постоянное сопротивление щеточных контактов

и вместо выражения (11) пользуются уравнением

где

– полное сопротивление якоря.

Вследствие непостоянства переходного сопротивления щеток уравнение (14) является несколько приближенным, но погрешность незначительна. Для угольных и графитных щеток берется 2 × ΔUщ = 2 В и для металлографитных щеток 2 × ΔUщ = 0,6 В. В режиме генератора всегда U меньше Eа.

Принцип действия

Принцип действия генератора постоянного тока, как и любого другого устройства похожего типа основан на знакомого нам со школы явления электромагнитной индукции и появление в устройстве электродвижущей силы – ЭДС. Вспомним школьную физику: если к проводнику с вращающимся внутри него постоянным магнитом присоединить какую-либо нагрузку, то в ней появится переменный ток. Такое возможно из-за того, что поменялись местами магнитные полюса самого магнита.

Чтобы получить ток постоянный необходимо присоединять точки подключения нагрузки синхронно со скоростью вращения магнита. Для этого и предназначен в генераторе коллектор, закреплённый на роторе и крутящийся с той же частотой.

Снимается полученная в результате всего этого процесса энергия с помощью графитных щёток, обладающих хорошей проводимостью и достаточно низким трением. Когда происходит переключения пластин коллектора ЭДС равна нулю, но полярность ее не меняется, за счёт переподключения на другой проводник.

Уравнение вращающих моментов

Если все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря

Ω = 2 × π × n

то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:

Здесь

представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,

– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и

– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности.

В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения

где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M0 + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин < 0, он действует в направлении вращения и является движущим, поддерживая вращение за счет уменьшения кинетической энергии вращающихся масс.

Таким образом, в общем случае, при n ≠ const,

Момент

соответствующий статическим силам, называют статическим моментом. Поэтому можно также написать

Классификация

Разделение генераторов по классам происходит по тому принципу, как они возбуждаются. Есть два основных типа классификации генераторов, это самовозбуждающиеся и генераторы с независимым возбуждением.

Первый класс это устройства, где обмотка питается непосредственно от якоря. Его можно подразделить на последовательно, параллельное и смешанное возбуждение. Второй класс подразделяется на электромагнитное и магнитоэлектрическое возбуждение.

Фото генераторов постоянного тока

Читайте здесь! Что такое Нотариальная доверенность? Подробно