Генератор постоянного тока ГПТ: основные понятия.

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.

Энергетическая диаграмма

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения представлена на рисунке 2. Получаемая от первичного двигателя механическая мощность P1 за вычетом потерь механических pмх, магнитных pмг и добавочных pд преобразуется в якоре в электромагнитную мощность Pэм. Мощность Pэм частично тратится на электрические потери pэла в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), а остальная часть этой мощности представляет собой полезную мощность P2, отдаваемую потребителям. Потери на возбуждение pв в генераторе независимого возбуждения покрываются за счет постороннего источника тока.

На основании изложенного для генератора независимого возбуждения имеем уравнение мощностей

Можно написать также следующее уравнение мощностей:

Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для других типов генераторов.

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.

Установка щеток в нейтраль

Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали.

Установка щеток на нейтраль производится индуктивным способом – путем включения и выключения постоянного тока в обмотке возбуждения неподвижной машины и наблюдения за показаниями вольтметра или гальванометра, присоединенного к щеткам. Щеточная траверса устанавливается и закрепляется в положении, при котором отклонение стрелки прибора при включении и выключении тока возбуждения равно нулю или минимально. Лучше иметь прибор с нулем посредине шкалы. Ток в обмотке возбуждения не должен превышать примерно 10% от номинального во избежание индуктирования больших э. д. с. самоиндукции, способных повредить изоляцию обмотки возбуждения.

Можно также установить щетки в таком положении, когда при холостом ходе у генератора напряжение максимально или у двигателя скорость вращения минимальна. Однако этот способ является более грубым.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

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.

§ 111. Способы возбуждения генераторов постоянного тока

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения для современных генераторов постоянного тока применяется независимое возбуждение магнитного потока и самовозбуждение. При независимом возбуждении (рис. 154, а) обмотка возбуждения соединяется с вспомогательным источником энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения I

в в цепи обмотки включается сопротивление
r
p. При таком возбуждении ток
I
в не зависит от тока в якоре
I
я.

Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Несмотря на то, что этот источник обычно имеет малую мощность (несколько процентов мощности генераторов), необходимость в нем является большим неудобством и поэтому генераторы независимого возбуждения находят ограниченное применение в специальных установках (ГД) и в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям. Генераторы с самовозбуждением имеют более широкое применение. В зависимости от соединения обмотки возбуждения они могут быть параллельного (рис. 154, б), последовательного (рис. 154, в) и смешанного (рис. 154, г) возбуждения. У генераторов параллельного возбуждения ток I

в мал (несколько процентов номинального тока якоря), а обмотка возбуждения имеет большое число витков. При последовательном возбуждении током возбуждения служит ток якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков. При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещается две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная. Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения, получившего наиболее широкое применение. Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, в магнитной цепи (ярмо и сердечники полюсов) которого сохранился небольшой остаточный магнитный поток Φост. Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется э. д. с.
Е
ост, составляющая несколько процентов номинального напряжения машины. Под действием э. д. с.
Е
ост в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, протекает ток
I
в. Намагничивающая сила обмотки возбуждения
I
вωв (ωв — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Φ
m
, что вызывает увеличение как э. д. с. в обмотке якоря
Е
, так и тока в обмотке возбуждения
I
в. Увеличение последнего вызывает дальнейшее увеличение Φ
m
, что в свою очередь увеличивает
Е
и
I
в. Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от скорости вращения якоря машины и сопротивления цепи обмотки возбуждения. При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается. Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается э. д. с. и напряжение, до которого возбуждается генератор. Изменение скорости вращения якоря генератора вызывает изменение э. д. с., которая пропорциональна скорости, вследствие чего изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор. Самовозбуждение генератора происходит лишь при определенных условиях, которые сводятся к следующим. 1. Наличие потока остаточного магнетизма. При отсутствии этого потока не создается э. д. с.
Е
ост, под действием которой в обмотке возбуждения начинает протекать ток, так что возбуждение генератора будет невозможным. Если машина размагничена и не имеет остаточного намагничивания, то по обмотке возбуждения надо пропустить постоянный ток от какого-либо постороннего источника электрической энергии. После отключения обмотки возбуждения в машине сохранится остаточный магнитный поток. 2. Обмотка возбуждения должна быть включена так, чтобы намагничивающая сила этой обмотки увеличивала поток остаточного магнетизма. При встречном включении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной работе может полностью размагнитить машину. В этом случае в обмотке возбуждения необходимо изменить направление тока, т. е. поменять местами провода, подходящие к ее зажимам. 3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть не чрезмерно большим; при очень большом сопротивлении цепи возбуждения самовозбуждение генератора невозможно. 4. Сопротивление внешней нагрузки должно быть относительно велико, так как при малом сопротивлении ток возбуждения будет также мал и самовозбуждения происходить не будет.
предыдущая страница

Фото генераторов постоянного тока

Читайте здесь! Что такое АВР для генератора?