В первые дни электрификации генератор постоянного тока оставался единственным альтернативным источником электроэнергии. Довольно быстро эти генераторы были вытеснены более совершенными и надежными трехфазными генераторами. В некоторых отраслях постоянный ток по-прежнему был востребован, поэтому оборудование для его генерации совершенствовалось и развивалось.
Даже в наше время, с изобретением мощных выпрямителей, генераторы постоянного тока не утратили своего значения. Они используются, например, для питания линий электропередач в городском электротранспорте, используемом трамваями и троллейбусами. Они до сих пор используются в телекоммуникационных технологиях в качестве источника постоянного тока в низковольтных цепях.
Устройство и принцип работы
Генератор основан на принципе, вытекающем из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет изменять направление магнитного потока на противоположное (см. рис. 1). Согласно закону электромагнитной индукции, в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила увеличивается по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору подключить нагрузку R (два желтых полукольца на рисунке), то через образовавшуюся цепь потечет ток.
Рис. 1 Принцип работы генератора постоянного тока
По мере того, как катушки рамки покидают зону магнитного потока, ЭДС ослабевает и становится равной нулю, когда рамка находится в горизонтальном положении. При дальнейшем вращении противоположные стороны петли меняют магнитную полярность, при этом часть рамки, которая находилась под северным полюсом, перемещается в положение над южным магнитным полюсом.
Величина ЭДС в каждой активной обмотке цепи определяется по формуле: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где B — магнитная индукция, l — длина стороны рамки, v — линейная скорость вращения контура, t — время, wt — угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.
Когда полюса меняются местами, направление тока меняется. Однако, поскольку коллектор вращается синхронно с ободком, ток на нагрузке всегда течет в одном направлении. Это означает, что данная модель генерирует постоянный ток. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, что означает, что она подчиняется закону синусоиды.
Строго говоря, такая конструкция только обеспечивает полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график генерируемого тока имеет вид, показанный на рисунке 2.
Рисунок 2: График тока, генерируемого примитивным генератором переменного тока.
Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Необходимо сгладить пульсации до приемлемого уровня. Это достигается за счет увеличения числа полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамы используется более сложная конструкция — якорь, с большим количеством обмоток и соответствующим числом коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются различными способами, о чем будет сказано ниже.
Рисунок 3: Ротор генератора переменного тока
Арматура изготовлена из листовой стали. Сердечники якоря имеют пазы, в которые помещается несколько витков провода, образующих рабочую обмотку ротора. Провода в пазах соединяются последовательно, образуя катушки (секции), которые, в свою очередь, образуют замкнутый контур через коллекторные пластины.
С точки зрения физики процесса генерации, не имеет значения, вращаются ли обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якорь маломощных генераторов изготавливается из постоянных магнитов, а получаемый переменный ток выпрямляется с помощью диодных мостов и других схем.
И наконец: если на коллектор подается постоянное напряжение, генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронного двигателя.
Структура двигателя (он же генератор) хорошо видна на рисунке 4. Неподвижный статор состоит из двух полюсных сердечников из ферромагнитных пластин и обмоток возбуждения, соединенных последовательно. Щетки выровнены относительно друг друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.
Рисунок 4: Двигатель постоянного тока
Классификация
Различают два типа генераторов постоянного тока:
- Обмотки с косвенным возбуждением;
- Самовозбуждение.
Альтернаторы самовозбуждаются с помощью самогенерируемой электроэнергии. Генераторы переменного тока с самовозбуждением делятся на типы по принципу соединения обмоток якоря:
- устройства с параллельным возбуждением;
- генераторы переменного тока с последовательным возбуждением;
- Устройства смешанного типа (составные генераторы).
Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения обмотки якоря.
С параллельным возбуждением
Для обеспечения нормальной работы оборудования необходимо стабильное напряжение на клеммах генератора, не зависящее от колебаний общей нагрузки. Это достигается путем регулировки параметров возбуждения. В генераторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключаются через управляющий реостат параллельно обмотке якоря.
Реостаты возбуждения могут коротко замкнуть обмотку возбуждения. Если этого не сделать, то при прерывании цепи возбуждения ЭДС самоиндукции в обмотке быстро возрастает, что может привести к разрушению изоляции. В условиях короткого замыкания энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.
Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря остаточному магнетизму, всегда присутствующему в сердечнике электромагнита, параллельные обмотки самовозбуждаются. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники катушек изготавливаются из литой стали.
Процесс возбуждения продолжается до тех пор, пока ток не достигнет предельного значения, а ЭДС не достигнет номинального значения при оптимальной скорости вращения клапана.
Преимущество: генераторы с параллельным возбуждением мало подвержены воздействию токов короткого замыкания.
С независимым возбуждением
В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используются батареи или другие внешние устройства. В маломощных машинах для обеспечения основного магнитного потока используются постоянные магниты.
Мощные генераторы переменного тока имеют возбудитель на валу, который генерирует постоянный ток, приводящий в движение главную обмотку якоря. Возбуждение достаточно для 1 — 3% номинального тока якоря и не зависит от тока якоря. Изменение ЭДС контролируется реостатом.
Преимущество независимого возбуждения заключается в том, что ток возбуждения никак не зависит от напряжения на клеммах. Преимущество этого способа заключается в том, что ток возбуждения не зависит от напряжения на клеммах.
С последовательным возбуждением
Последовательные обмотки вырабатывают ток, равный току генератора. Поскольку на холостом ходу нет нагрузки, возбуждение равно нулю. Это означает, что характеристика холостого хода не может быть снята, т.е. отсутствует характеристика управления.
В генераторах переменного тока с последовательным возбуждением, когда ротор вращается на холостом ходу, ток практически отсутствует. Для запуска процесса возбуждения необходимо подключить внешнюю нагрузку к клеммам генератора. Такая сильная зависимость от напряжения нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Эти устройства можно использовать только для питания устройств с постоянной нагрузкой.
Со смешанным возбуждением
Конструкции генераторов со смешанным возбуждением сочетают в себе полезные функции. Их особенности: устройства имеют две катушки, основную, соединенную параллельно с обмоткой якоря, и вспомогательную, соединенную последовательно. Для регулирования тока возбуждения в цепь параллельной обмотки включен реостат.
Процесс самовозбуждения генератора со смешанным возбуждением аналогичен процессу самовозбуждения генератора с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка не участвует в самовозбуждении). Характеристики холостого хода такие же, как у генератора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжение на клеммах генератора.
Смешанное возбуждение сглаживает пульсации напряжения при номинальной нагрузке. Это главное преимущество таких генераторов перед другими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что приводит к более высоким ценам на эти устройства. Такие генераторы также не переносят короткого замыкания.
Технические характеристики генератора постоянного тока
Работа генератора постоянного тока определяется соотношениями между основными переменными, которые называются его характеристиками. Основные характеристики следующие
- взаимосвязи между величинами во время работы на холостом ходу;
- характеристики внешних параметров;
- контрольные значения.
В главе «Классификация» мы частично описали некоторые характеристики управления и зависимости от холостого хода. Кратко рассмотрим внешние характеристики, соответствующие номинальному режиму работы генератора. Внешние характеристики очень важны, поскольку они показывают зависимость напряжения от нагрузки и снимаются при стабильной скорости вращения якоря.
Внешние характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядят следующим образом: это кривая зависимости напряжения от нагрузки (см. рисунок 5). Как видно из графика, падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости вращения якоря двигателя).
Рисунок 5: Внешние характеристики GCT
В генераторах с параллельным возбуждением зависимость между напряжением и нагрузкой более выражена (см. рис. 6). Это происходит из-за падения тока возбуждения в обмотках. Чем больше ток нагрузки, тем быстрее падает напряжение на клеммах генератора. В частности, при постепенном снижении сопротивления до уровня неисправности напряжение упадет до нуля. Однако резкое короткое замыкание вызовет реверс генератора и может оказаться смертельным для электрической машины такого типа.
Рисунок 6: Характеристики ГКТ с параллельным возбуждением
Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении приведет к увеличению ЭДС. (См. верхнюю кривую на рисунке 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстает от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери из-за наличия вихревых токов.
Рисунок 7: Внешние характеристики генератора переменного тока с последовательным возбуждением
Обратите внимание, что когда напряжение достигает максимума, оно начинает быстро уменьшаться по мере увеличения нагрузки, хотя кривая ЭДС по-прежнему стремится вверх. Такое поведение является недостатком, ограничивающим использование этого типа генераторов.
Генераторы переменного тока со смешанным возбуждением предусматривают возможность последовательного и параллельного включения обеих катушек. Результирующая намагничивающая сила в случае согласованного возбуждения равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а в случае противоположного возбуждения — разности этих сил.
При постепенном увеличении нагрузки от холостого хода до номинальной нагрузки напряжение на клеммах будет почти постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается, когда число витков в последовательной обмотке превышает число витков, соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).
Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке иллюстрируется кривой 3. Противоположная обмотка иллюстрируется кривой 4.
Рис. 8 Внешние характеристики КТ со смешанным возбуждением
Инверторы со смешанным возбуждением используются, когда необходимо ограничить токи короткого замыкания, например, в сварочных аппаратах.
В нормально возбужденном смешанном типе ток возбуждения постоянен и в основном не зависит от нагрузки.
Реакция якоря
Когда к генератору подключается внешняя нагрузка, токи в обмотках генератора создают собственное магнитное поле. Между полями статора и ротора создается магнитное сопротивление. Результирующее поле сильнее там, где якорь находится в контакте с полюсами магнита, и слабее там, где оно отходит от полюсов магнита. Другими словами, якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в катушках. Следствием этой реакции является искрение щеток на пластинах коллектора.
Реакция якоря может быть уменьшена путем добавления компенсирующих магнитных полюсов или смещения щеток от центральной линии геометрической нейтрали.
ЭДС
Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотке и скорости вращения якоря. Увеличивая или уменьшая эти параметры, можно управлять ЭДС и, следовательно, напряжением. Самый простой способ добиться желаемого эффекта — регулировать скорость вращения арматуры.
Мощность
Различают видимую мощность генератора и его полезную мощность. Кажущаяся мощность пропорциональна току при постоянной ЭДС: P = EIa. Полезная мощность, имеющаяся в цепи, равна P1 = UI.
КПД
Важной характеристикой генератора является его КПД, т.е. отношение полезной мощности к кажущейся мощности. Обозначим это символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.
На холостом ходу ηe = 0. Максимальная эффективность достигается при номинальной нагрузке. КПД генератора большой мощности приближается к 90%.
Применение
До недавнего времени на железных дорогах не было альтернативы использованию тяговых генераторов постоянного тока. Однако эти генераторы уже заменяются трехфазными синхронными машинами. Переменный ток синхронного генератора выпрямляется с помощью полупроводниковых выпрямителей.
В некоторых российских локомотивах нового поколения уже используются асинхронные двигатели переменного тока.
Аналогичная ситуация наблюдается и с автомобильными генераторами. Генераторы постоянного тока заменяются асинхронными генераторами, а затем выпрямителями.
Пожалуй, только самоходные мобильные сварочные аппараты неизменно работают в паре с генераторами постоянного тока. Некоторые отрасли промышленности также не отказались от использования мощных генераторов постоянного тока.
