Генераторы постоянного тока

Влияние реакции якоря  можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для  ослабления влияния реакции якоря  в машинах постоянного тока применяют  дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока.

 

 

Коммутация

 

 

 

Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное  переключение секций обмотки из одной  параллельной ветви в другую, при  этом ток в переключенных секциях  изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.

Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви  в другую и все сопутствующие  этому переключению явления называют процессом коммутации, а продолжительность  этого процесса - периодом коммутации.

Рассмотрим этот процесс  несколько подробнее на примере  обмотки с двумя параллельными  ветвями.

Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только с коллекторной пластиной 1 (Рис.6-8, а), ток нагрузки I, протекает от пластины 1 до точки а, где разветвляется  в обе параллельные ветви. Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной линией) находится в правой параллельной ветви. Как только правый край щетки коснется пластины 2, начнется процесс коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не сойдет с пластины 1, при этом в течение всего периода коммутации выделенная нами секция будет замкнута накоротко щеткой (Рис.6-8, б) Так как за все время коммутации значение и направление токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере перехода щетки коллекторной пластины 1 на пластину 2 ток под набегающим краем будет увеличиваться, а под сбегающим - уменьшаться, распределяясь обратно пропорционально площади соприкосновения, плотность тока при этом будет везде постоянной. Но так было бы при очень медленном движении коллектора относительно щетки. На самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли секунды, за это время ток в выделенной секции (провода 1-4) изменяется от + до нуля и от нуля до - . Так как секция имеет большую индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции в ней появится дополнительный ток, направление которого (по закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции. Этот дополнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим краем щетки, и в момент схождения щетки с пластины I между этой пластиной и щеткой произойдет искрение.

Теперь, когда щетка стала  касаться только пластины 2 (Рис.6-8, в), выделенная нами секция 1-4 оказалась в левой  параллельной ветви, ток в ней  изменил свое направление на противоположное. После этого начнется коммутация следующей секции, т.е. под щеткой снова будет наблюдаться искрение.

Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. Точно  в таких же условиях находится  и щетка другой полярности, где  направление токов во всех проводниках  будет противоположным. Для уменьшения добавочного тока, возникающего в  коммутируемых секциях, в машинах  высокого напряжения применяют твердые  угольные щетки, образующие большие  контактные сопротивления в замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока главным  образом осуществляется с помощью  дополнительных полюсов. Этот метод  основан на следующем.

 

 

ЭДС самоиндукции в коммутируемых  секциях возникает при прохождении  этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь дополнительным полем в коммутируемой секции создать равную и противоположную ЭДС, то дополнительный ток при этом может исчезнуть. Именно так и поступают на практике. Дополнительные полюсы размещают на геометрической нейтрали и снабжают обмотками, включенными последовательно в цепь нагрузки (Рис.6-9). Дополнительные полюсы своим полем индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки, и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом поле дополнительных

Рис.6-9полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции  якоря. У генераторов за главным  полюсом по направлению его вращения ставят дополнительный полюс противоположной  полярности, а у двигателя - такой  же полярности. Это условие автоматически  выполняется при переходе машины из режима работы генератора в режим  двигателя, так как направление  тока изменяется на противоположное.

 

У большинства машин постоянного  тока делают по два дополнительных полюса на каждую пару главных полюсов. У маломощных машин (до 5 кВт) на каждую пару главных полюсов делают один дополнительный полюс.

 

 

Способы возбуждения  генераторов постоянного тока

 

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся  якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости  от способа подключения обмоток  возбуждения различают: независимого, параллельного, последовательного  и смешанного возбуждения.

 

 

Генератор независимого возбуждения  имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику  тока через регулировочный реостат (Рис.6-10, а). Напряжение на зажимах такого генератора (кривая I на Рис.6-11) с увеличением  тока нагрузки несколько уменьшается  в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного  возбуждения является генератором  с самовозбуждением: обмотку возбуждения  ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (Рис.6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I, напряжение на зажимах генератора U" уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения  и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора UB уменьшается  несколько быстрее (кривая 2 на Рис.6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого  замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного  возбуждения не боится короткого  замыкания.

Генератор последовательного  возбуждения имеет обмотку возбуждения  ОВ, включаемую последовательно с  якорем (Рис.6-10, в). При отсутствии нагрузки ( =0) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на Рис.6-11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

Из-за большого непостоянства  напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в  настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения  имеет две обмотки: 0ВУ - включаемую параллельно якорю, ОВ2 (дополнительную) - последовательно (Рис.6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.

 

 

Обратимость машин  постоянного тока

 

Электрические машины постоянного  тока, как и машины переменного  тока, обратимы, т.е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим  образом.

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в  обмотках якоря и электромагнитов  установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (Рис.6-12, и). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение.

 

 

Применяя правило левой  руки, можно легко заметить, что  при изменении направления тока только в якоре (Рис.6-12, б) или только в обмотке возбуждения (Рис.6-12, б) направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное  изменение направления тока в  обеих обмотках не изменяет направления  вращения якоря (Рис.6-12, г)

Электродвигатели конструктивно  не отличаются от генераторов постоянного  тока, т.е. они имеют точно такое  же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).

Рассмотрим некоторые  особенности двигателей. Если двигатель  постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря  включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток , значение которого может быть определено по закону Ома:

 

. (17)

 

Так как сопротивление  обмотки якоря мощных двигателей составляет лишь десятые и сотые  доли ома, а рабочее напряжение - порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного двигателя в 10-30 раз. Такой ток не только не желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и будет равен:

 

. (18)

 

Сопротивление пускового  реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более  чем в 1,1 - 1,5 раза.

В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь  придет во вращение, обмотка его  будет вращаться в магнитном  поле и в ней индуцируется ЭДС  самоиндукции , полярность которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т.е. по мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.

Иначе говоря, у нормально  вращающегося двигателя основная часть  подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре  при выведенном пусковом реостате можно  выразить уравнением:

 

. (19)

 

Для выяснения роли ЭДС  самоиндукции в преобразовании электрической  энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (19) представим в следующем виде:

 

. (20)

 

Получили уравнение электрического равновесия, согласно которому приложенное  к зажимам двигателя напряжение сети U уравновешивается суммой ЭДС  самоиндукции  и падением напряжения на сопротивлении якоря 

Умножив обе части уравнения (20) на I, получим:

 

. (21)

 

В этом новом уравнении (21) левая часть I U представляет собой не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части - мощность, поглощаемую сопротивлением якоря (электрические потери в якоре). Очевидно, что член представляет собой электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно, и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности,, которая преобразуется в механическую (включая механические потери).

 

Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в  механическую. При неподвижном якоре = 0 преобразование (полезное) отсутствует ( = 0), хотя потребляемая из сети мощность максимальна. Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя ( 0) потребляемая из сети мощность     ( ) уменьшается, а преобразованная мощность становится отличной от нуля     ( 0).

Для получения формулы  скорости двигателя подставим в  уравнение (19) значение ЭДС из соотношения (7). После преобразования получим:

 

. (22)

 

Учитывая, что падение  напряжения на сопротивлении якоря  значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна подводимому напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает скорость его вращения (и наоборот).

Действительно, если при  установившемся токе в якоре и  скорости вращения уменьшить магнитный  поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и электрическое равновесие (20) нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться, быстрее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна  его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя может быть выражено той же формулой, что и  для генератора (13).