4.2.1. Коллекторные сварочные генераторы
В коллекторных сварочных генераторах знакопеременная ЭДС, генерируемая в обмотке якоря, выпрямляется с помощью механического устройства, называемого коллектором.
В коллекторе с вращающихся медных пластин с помощью неподвижных контактов (щеток) снимается и подается в сварочную цепь ЭДС от одной группы щеток со знаком плюс, а от другой – минус.
Конструктивная схема сварочного коллекторного генератора постоянного тока представлена на рис. 4.5.
В коллекторных сварочных генераторах намагничивающие обмотки (обмотки возбуждения) 2 располагаются на магнитных полюсах статора и служат для создания намагничивающего потока Фн. Кроме того, в сварочную цепь последовательно с обмоткой якоря и сварочной дугой включается дополнительная обмотка, которая в зависимости от направления, создаваемого ею магнитного потока (Фр) называется размагничивающей или подмагничивающей (рис. 4.6).
Рис. 4.5. Конструктивная схема коллекторного генератора:
1 – статор; 2 – обмотка возбуждения; 3 – магнитные полюса статора;
4 – ротор, в пазах которого уложена обмотка 5;
6 – коллектор, набранный из медных изолированных пластин 7;
8 – медноугольные щетки;
9 – контактные выводы
Рис. 4.6. Принципиальная схема коллекторного сварочного генератора:
р – последовательная обмотка; Я – обмотка якоря;
Фн – поток намагничивания; Фр – магнитный поток от последовательной
обмотки; 1 и 2 – клеммы для изменения направления потока Фр
Величина магнитного потока, наводимого обмотками, пропорциональна силе тока, протекающего через обмотку I, числу витков в обмотке и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению на пути R:
Магнитный поток генератора ФГ равен сумме потоков намагничивания Фн и потока от последовательной обмотки Фр:
При согласном включении последовательной обмотки р магнитные потоки складываются. При встречном включении последовательной обмотки суммарный магнитный поток генератора равен разности потоков Фн и Фр.
Коллекторные генераторы классифицируются в зависимости от способа возбуждения и получения внешних вольтамперных характеристик. В настоящее время находятся в эксплуатации, а также в составе сварочных агрегатов выпускаются следующие типы коллекторных сварочных генераторов:
а) с независимым возбуждением и последовательной обмоткой;
б) с самовозбуждением и последовательной обмоткой.
Генератор с независимым возбуждением и последовательной
размагничивающей (подмагничивающей) обмоткой
На рис. 4.7 приведена принципиальная схема генератора. Он имеет одну пару щеток и одну пару полюсов. На одном из полюсов находится намагничивающая независимая обмотка возбуждения н, получающая питание от постороннего источника постоянного тока. На другом полюсе установлена размагничивающая обмотка р, включенная последовательно с якорем и нагрузкой (сварочной дугой). Таким образом, магнитный поток генератора создается совместным действием независимой и последовательной обмоток. Это, как будет показано ниже, обеспечивает формирование крутопадающей внешней характеристики генератора. Плавное регулирование режима выполняется с помощью реостата R1, грубое – изменением числа витков последовательной обмотки р и включением балластного реостата R2.
Рис. 4.7. Генератор с независимым возбуждением и последовательной
размагничивающей обмоткой: а) – конструктивная схема;
б) – принципиальная схема
Формирование внешней характеристики осуществляется за счет совместного действия намагничивающей и размагничивающей обмоток.
В режиме холостого тока, когда цепь якоря разомкнута, дуга не горит (сварочный ток отсутствует Iд = 0), по независимой обмотке возбуждения идет намагничивающей ток Iно. Этот ток создает поток Фн, величина которого в соответствии с (4.5) зависит от числа витков н независимой обмотки и магнитного сопротивления Rн на пути потока:
При этом в обмотке якоря наводится ЭДС — ЕГ, которая в соответствии с (4.4), пропорциональна потоку Фн:
ЕГ = СГФн. (4.8)
Эта ЭДС без потерь передается на зажимы генератора. Из (4.7) и (4.8) следует, что напряжение холостого хода генератора определяется соотношением
Таким образом, напряжение холостого хода Uх можно регулировать изменением тока Iно в независимой обмотке.
Режим нагрузки возникает после зажигания дуги. При этом по цепи якоря, дуги и последовательной обмотки р идет сварочный ток Iд, который создает размагничивающий поток Фр:
Результирующий магнитный поток генератора равен разности между Фн и Фр:
Этот поток создает ЭДС генератора:
Напряжение на клеммах генератора UГ в режиме нагрузки будет меньше ЭДС ЕГ на величину потерь в активном сопротивлении проводников якоря и коллекторно-щеточного устройства (IдRГ):
Этими потерями можно пренебречь. Тогда, поставив в уравнение (4.12) значение Фн и Фр из (4.7) и (4.10), получим:
Первый член правой части уравнения (4.14) соответствует согласно (4.9) напряжению холостого хода Uх. В результате уравнение внешней характеристики генератора с последовательной размагничивающей обмоткой примет вид
Таким образом, согласно (4.10) при увеличении сварочного тока Iд возрастает размагничивающий поток последовательной обмотки Фр, что приводит к снижению результирующего потока ФГ (4.11). Поэтому снижаются ЭДС ЕГ и напряжение генератора UГ. Падающая внешняя характеристика у генератора с последовательной обмоткой формируется благодаря ее размагничивающему действию.
На рис. 4.8 приведено графическое изображение уравнения (4.15) – падающая внешняя вольт-амперная характеристика генератора. Видно, что с ростом тока Iд напряжение генератора UГ падает.
Рис. 4.8. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением
При коротком замыкании напряжение на дуге равно нулю (Uд = 0), а величина тока короткого замыкания (Iкз) зависит от конструктивно-электрических параметров генератора (от постоянной генератора СГ, числа витков в последовательной обмотке р и магнитного сопротивления R).
Регулирование режима. Как было показано выше (см. главу 1), для обеспечения устойчивого существования дугового разряда необходимо, чтобы источник питания подавал напряжение, равное напряжению дуги. На дуге при данной величине тока: UГ = Uд . Это соответствует точке пересечения вольт-амперных характеристик дуги и генератора. С учетом этого, если в уравнение (4.15) UГ подставить Uд , получим
Уравнение (4.17) позволяет определить способы регулирования (настройки) сварочного тока.
При постоянной нагрузке (Uд = const) ток можно регулировать изменением напряжения холостого хода Uх или изменением числа витков р последовательной размагничивающей обмотки.
Плавное регулирование тока осуществляется путем изменения Uх, точнее изменением тока Iно в обмотке возбуждения (см. формулу 4.7.) с помощью регулировочного реостата R1 (рис. 4.7, б).
Ступенчатое (грубое) регулирование осуществляется изменением числа витков размагничивающей обмотки р. При увеличении числа витков р сварочный ток согласно (4.17) уменьшается, т.к. при этом возрастает магнитный поток Фр (4.10), а результирующий поток согласно (4.11) снижается.
Из формулы (4.16) следует, что ток короткого замыкания (Iд = Iкз; Uд = 0) определяется выражением
Если вместо Uх подставить выражение (4.9), получим:
Число витков в обмотке возбуждения неизменно (н = const). Поэтому согласно формуле (4.19) ток короткого замыкания можно регулировать плавно – изменением тока Iн, грубо – изменением числа витков в последовательной обмотке р.
Генератор с самовозбуждением и последовательной
размагничивающей обмоткой
В генераторах этого типа ток намагничивающей обмотки создается якорем самого генератора, для чего служит третья щетка С, расположенная на коллекторе посередине между основными щетками а и б (рис. 4.9). Для питания намагничивающей обмотки н не требуется посторонний источник постоянного тока. Поэтому такие генераторы относятся к системе генераторов с самовозбуждением. Для того, чтобы в зоне вращения якоря при запуске генератора существовало магнитное поле, полюса статора изготавливают из ферромагнитной стали, имеющей остаточный магнетизм.
Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока на упрощенной модели
Между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть машины – якорь, вал которого вращается приводным двигателем. В двух продольных пазах сердечника якоря расположена обмотка в виде одного витка, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.
При вращении якоря в витке будет наводиться переменная ЭДС.
| E=B·V·l·cos a, | (1) |
где a — угол поворота витка относительно геометрической нейтрали (линии разделяющей зоны полюсов разной полярности)
Рисунок 4 Выпрямление тока коллектором
Если бы не было коллектора и щеток, то ток во внешней цепи тоже был бы переменным, но посредством коллектора он преобразуется в пульсирующий, так как в момент, когда ток в пазовых сторонах витка меняет свое направление, при переходе их из зоны полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, происходит смена коллекторных пластин под щетками.
Для получения постоянного тока во внешней цепи необходимо увеличить количество витков в обмотке якоря и равномерно распределить их по поверхности сердечника и соответственно увеличить количество коллекторных пластин.
Следовательно, назначение коллектора в генераторе – преобразовывать переменную ЭДС, индуцированную в обмотке якоря, в постоянную на выводах генератора.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Коллекторные генераторы постоянного тока конспект
На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.
Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.
Устройство и принцип работы
В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.
Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока
По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.
Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinw t; e2 = -Blvsinw t; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.
При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.
Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.
Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором
Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.
Рис. 3. Ротор генератора
Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.
С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.
И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.
Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.
Классификация
Различают два вида генераторов постоянного тока:
- с независимым возбуждением обмоток;
- с самовозбуждением.
Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:
- устройства с параллельным возбуждением;
- альтернаторы с последовательным возбуждением;
- устройства смешанного типа (компудные генераторы).
Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.
С параллельным возбуждением
Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.
Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.
Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.
Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.
С независимым возбуждением
В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.
На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.
Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.
С последовательным возбуждением
Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.
В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.
Со смешанным возбуждением
Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.
Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.
Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.
Технические характеристики генератора постоянного тока
Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:
- зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
- характеристики внешних параметров;
- регулировочные величины.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).
Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ
В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.
Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением
Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.
Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением
Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.
В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.
В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).
Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.
Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением
Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.
В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.
Реакция якоря
Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.
Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.
Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.
Мощность
Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.
Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.
На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.
Применение
До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.
На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.
Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.
Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:
— сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря , обмотки добавочных полюсов , компенсационной обмотки , последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта .
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 . Если генератор работает в режиме х.х. , то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода . 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 нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. 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 вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х.х. и электромагнитным моментом М, т. е.
Выражение (28.3) — уравнение моментов для генератора при . Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря , получим уравнение мощностей:
где — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (механическая); — мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); — электромагнитная мощность генератора.
Согласно (25.27), получим
или с учетом (28.1)
где — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря (см. § 29.8).
Учитывая потери на возбуждение генератора , получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:
Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем , преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность , передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь.
Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.
Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. от тока возбуждения :
Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения :
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки :
где — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.
Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выходе генератора:
Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока.
§ 28.2. Генератор независимого возбуждения
Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 28.2, а. Реостат , включенный в цепь возбуждения, дает возможность регулировать ток в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем.
Рис. 28.2 Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генератора независимого возбуждения
Характеристика холостого хода. При снятии характеристики генератор работает в режиме х.х. . Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения от нулевого значения до , при котором напряжение х.х. . Получают данные для построения кривой 1 (рис. 28.2, ). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля, и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до . Полученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается выше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагничивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от до , а затем увеличивают его до значения . В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагничивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, получим расчетную характеристику х.х.
Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины (см. § 26.1) и дает возможность судить о магнитных свойствах машины.
Нагрузочная характеристика генератора. Эта характеристика выражает зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС [см. (28.1)], поэтому нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характеристики холостого хода 2 (рис. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению , отложить вверх отрезок аb, равный , и провести горизонтально отрезок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbс — треугольник реактивный (характеристический).
Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбуждения напряжение на выводах ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генератора снизится до значения . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения при . Напряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря [см. (28.1)] и размагничивающего влияния реакции якоря . Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения , можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: . На рис. 28.3 эта ЭДС представлена отрезком bе. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (bе Глава 28 Коллекторные генераторы постоянного тока
Между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть машины – якорь, вал которого вращается приводным двигателем. В двух продольных пазах сердечника якоря расположена обмотка в виде одного витка, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.
При вращении якоря в витке будет наводиться переменная ЭДС.
| E=B·V·l·cos a , | (1) |
где a — угол поворота витка относительно геометрической нейтрали (линии разделяющей зоны полюсов разной полярности)
Рисунок 4 Выпрямление тока коллектором
Если бы не было коллектора и щеток, то ток во внешней цепи тоже был бы переменным, но посредством коллектора он преобразуется в пульсирующий, так как в момент, когда ток в пазовых сторонах витка меняет свое направление, при переходе их из зоны полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, происходит смена коллекторных пластин под щетками.
Для получения постоянного тока во внешней цепи необходимо увеличить количество витков в обмотке якоря и равномерно распределить их по поверхности сердечника и соответственно увеличить количество коллекторных пластин.
Следовательно, назначение коллектора в генераторе – преобразовывать переменную ЭДС, индуцированную в обмотке якоря, в постоянную на выводах генератора.
Устройство и принцип работы
Рисунок 3 Упрощенная модель генератора постоянного тока
Между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть машины – якорь, вал которого вращается приводным двигателем. В двух продольных пазах сердечника якоря расположена обмотка в виде одного витка, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.
При вращении якоря в витке будет наводиться переменная ЭДС.
| E=B·V·l·cos a , | (1) |
где a — угол поворота витка относительно геометрической нейтрали (линии разделяющей зоны полюсов разной полярности)
Рисунок 4 Выпрямление тока коллектором
Если бы не было коллектора и щеток, то ток во внешней цепи тоже был бы переменным, но посредством коллектора он преобразуется в пульсирующий, так как в момент, когда ток в пазовых сторонах витка меняет свое направление, при переходе их из зоны полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, происходит смена коллекторных пластин под щетками.
Для получения постоянного тока во внешней цепи необходимо увеличить количество витков в обмотке якоря и равномерно распределить их по поверхности сердечника и соответственно увеличить количество коллекторных пластин.
Следовательно, назначение коллектора в генераторе – преобразовывать переменную ЭДС, индуцированную в обмотке якоря, в постоянную на выводах генератора.
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением ЭДС для цепи якоря генератора,
— сумма сопротивлений всех участков цепи якоря (обмотки якоря rа, обмотки добавочных полюсов rд, компенсационной обмотки rк. о, последовательной обмотки возбуждения rс 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 генератор работает в режиме х.х. (Iа = 0), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода Мо. 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 нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. 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 М1 уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х.х. Мо и электромагнитным моментом M, т. е.
М1 = М0 + М. (28.3)
Выражение (28.3) — уравнение моментов для генератора при n = const. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря ω, получим уравнение мощностей:
где Р1 = М1ω— подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (механическая);
Р0 = М0ω— мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); Рэм — Мω — электромагнитная мощность генератора. Согласно (25.27), получим Рэм = EaIa , или с учетом (28.1)
Рэм = UIа + I 2 а Σr=Р2 + Рэа, (28.5)
где Р2 — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; Рэа — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря (см. § 29.9). Учитывая потери на возбуждение генератора Рэ.в, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:
P1 = P2+P0 + Pэа+Pэ.в. (28.6)
Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем Р1 преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность Р2, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь (Ро + Рэа + Рв).
Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии п= const. Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.
Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. Uo от тока возбуждения Iв: U0 = f(Iв) при I = 0 и п = const.
Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения Iв:
U=f(Iв) при I≠0 и n=const.
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:
U = f(I) при rpг=const и n = const.
Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора:
Устройство коллекторных машин постоянного тока
Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.
К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.
Коллекторная машина постоянного тока состоит из:
- Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.
- Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).
Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:
- сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.
- цельный шихтованный— применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.
Устройство щеточно коллекторного перехода.
Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4. 
Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4). 
Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.
Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).
Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.
Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.