Основні теоретичні відомості. Електричні машини постійного струму можуть працювати як в режимі генератора, так і в режимі двигуна

Електричні машини постійного струму можуть працювати як в режимі генератора, так і в режимі двигуна, тобто вони оборотні і за конструкцією не відрізняються між собою. В режимі генератора вони перетворюють механічну енергію, яка підводиться до валу від первинного двигуна, в електричну енергію постійного струму. В режимі двигуна здійснюють перетворення електричної енергії постійного струму в механічну енергію, яка знімається з валу. Генератори постійного струму використовуються для живлення різного роду пристроїв, які працюють на постійному струмі, в тому числі електричних двигунів постійного струму.

Машина постійного струму складається з нерухомої частини – станини і рухомої частини – якоря, який обертається. Станина – порожнинний стальний циліндр, в якому замикається магнітний потік збудження машини. На внутрішній поверхні станини кріпиться парна кількість головних полюсів, які набираються з тонких 0,25÷0,5 мм ізольованих між собою листів електротехнічної сталі. На головних полюсах розташовані котушки збудження. Обмотки котушок збудження з’єднані таким чином, щоб полярність полюсів чергувалася. Між головними полюсами в машинах постійного струму встановлюють додаткові полюси, які служать для зменшення реакції якоря та покращують умови комутації. Обмотки додаткових полюсів з’єднують послідовно з колом якоря так, щоб збуджене ними магнітне поле було зустрічним до магнітного поля якоря.

Якір складається з осердя, обмоток і колектора. Осердя – циліндр впресований на вал машини. Воно виготовлене з тонких, ізольованих між собою шаром спеціального лаку, листів електротехнічної сталі з пазами на зовнішній поверхні. В пазах розташовані обмотки, які під’єднані до колектора. Колектор – циліндр, який складається з мідних ізольованих між собою пластин і призначений для отримання постійної напруги на зовнішніх затискачах генератора.

За способом збудження генератори поділяють:

- з незалежним збудженням;

- із самозбудженням (генератори паралельного, послідовного та змішаного збуджень).

Принцип роботи генераторів постійного струму базується на законі електромагнітної індукції, тобто на явищі індукування ЕРС у провідниках, які рухаються в магнітному полі. Якщо обертати якір генератора в магнітному полі залишкового магнетизму в його обмотках індукується невелика електрорушійна сила Е₀. Оскільки обмотка збудження з’єднана паралельно з обмоткою якоря, то в ній виникає струм збудження від залишкової ЕРС. Цей струм підсилює магнітний потік полюсів і тому ЕРС якоря буде зростати, що в свою чергу призводить до збільшення струму збудження. Збуджений генератор буде створювати змінну ЕРС, яка з допомогою колектора і мідно-графітних щіток перетворюється в постійну:

,

де р – кількість пар полюсів;

n – частота обертання якоря, хв^-1;

N – кількість провідників якоря;

а – кількість паралельних віток обмоток якоря;

Ф – магнітний потік одного полюса;

C – постійний конструктивний коефіцієнт, який дорівнює:

.

Якщо генератор не збуджується, необхідно змінити напрям струму в обмотці збудження. Самозбудження генератора може не відбутися і з інших причин, а саме: через відсутність залишкової намагніченості головних полюсів; обриву кола збудження; підвищеного опору кола збудження; забруднення колектора; неправильного розташування щіток на колекторі та через недостатню частоту обертання якоря.

Під реакцією якоря розуміють явище дії магнітного поля якоря на магнітне поле головних полюсів. В неробочому режимі генератора магнітне поле створюється тільки головними полюсами. При роботі генератора з навантаженням поле якоря накладається на поле полюсів і створюється результуюче поле.

При навантаженні генератора з паралельним збудженням напруга змінюється в залежності від струму навантаження Iнав. Це відбувається внаслідок спадів напруг в обмотці якоря та перехідному контакті щіток і тому напруга генератора зменшується. Струм збудження Iз, при сталому опорі кола збудження, пропорційний до напруги на щітках якоря. Тому із зменшенням напруги на якорі струм збудження також зменшується, що призводить до зменшення магнітного потоку Ф. Це в свою чергу викликає додаткове зменшення ЕРС і напруги на затискачах генератора, яка визначається за формулою:

U=E - IяRя,

де Iя – струм в обмотках якоря;

Rя – опір обмоток якоря.

Струм Iз генератора постійного струму паралельного збудження дорівнює:

,

де Rз – опір паралельної обмотки збудження;

Rр – опір регулюючого реостата, який ввімкнений послідовно до обмотки збудження.

Залежність E=f₁(Iз) при постійній частоті обертання якоря і при відсутності навантаження генератора (неробочий режим), називається характеристикою неробочого режиму (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Характеристика неробочого режиму генератора

Магнітне коло машини має залишковий магнітний потік (приблизно 2÷3% від номінального). При обертанні якоря в полі залишкового потоку в ньому індукується незначна ЕРС Е₀, яка викликає струм в обмотці збудження.

Залежність U=f₂(Iя) називається зовнішньою характеристикою генератора (рисунок 3.2), яку отримують при незмінному опорі кола збудження та сталій частоті обертання якоря. Струм якоря Iя визначається як сума струму обмотки збудження Iз і струму навантаження Iнав.

Рисунок 3.2 – Зовнішня характеристика генератора паралельного збудження

У генераторів з паралельним збудженням напруга знижується не тільки через розмагнічуючу дію реакції якоря і спаду напруги в колі якоря, але і внаслідок зменшення струму збудження Iз=U/(Rз+Rр) при (Rз+Rр)=const викликане зменшенням напруги U на клемах машини, до яких під’єднане коло обмотки збудження.

У генератора паралельного збудження при зменшенні опору навантаження струм Iя буде зростати до певного значення, яке називається критичним струмом Iкр=(1,5÷2,5) Iн. При подальшому зменшенні опору навантаження струм Iя починає зменшуватися (рисунок 3.2). Такий характер зміни зовнішньої характеристики пояснюється тим, що генератор паралельного збудження сам себе розмагнічує, так як зменшується струм збудження.

При кортокому замиканні обмотки якоря струм Iкз генератора з паралельним збудженням порівняно незначний (рисунок 3.2), так як в цьому режимі напруга і струм збудження дорівнюють нулю. Отже, струм короткого замикання створюється тільки ЕРС від залишкового магнетизму і складає (0,4 – 0,8)Iн:

.

Робота на ділянці аб зовнішньої характеристики (рисунок 3.2) нестійка і машина переходить в режим роботи, який відповідає точці б, тобто в режим короткого замикання.

Процентна зміна напруги генератора визначається за формулою:

,

де Uн – номінальна напруга генератора;

U₀ – напруга генератора в неробочому режимі.

Для генераторів з паралельним збудженням ΔU=(10÷20)%.

Залежність Iз=fз(Iнав) при сталій частоті обертання якоря n і незмінній напрузі U на затискачах генератора називається регулювальною характеристикою (рисунок 3.3). Вона показує, як необхідно змінювати струм збудження при зміні струму навантаження, щоб напруга на затискачах генератора була сталою. Iоз – струм збудження генератора в неробочому режимі (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Регулювальна характеристика генератора паралельного збудження