властивості генератора постійного струму визначаються в основному способом включення обмотки збудження. Існують генератори незалежного, паралельного, послідовного і змішаного збудження:

• з незалежним збудженням: обмотка збудження живиться від стороннього джерела постійного струму (акумуляторної батареї, невеликого допоміжного генератора, званого збудником, або випрямляча),

• з паралельним збудженням: обмотка збудження підключена паралельно обмотці якоря і навантаженні,

• з послідовним збудженням: обмотка збудження включена послідовно з обмоткою якоря і навантаженням,

• зі змішаним збудженням: є дві обмотки збудження - паралельна і послідовна, перша підключена паралельно обмотці якоря, а друга - послідовно з нею і навантаженням.

Генератори з паралельним, послідовним і змішаним збудженням відносяться до машин з самозбудженням, так як харчування їх обмоток збудження здійснюється від самого генератора.

Порушення генераторів постійного струму: а - незалежне, б - паралельне, в - послідовне, г - змішане.

Всі перераховані генератори мають однаковий пристрій і відрізняються лише виконанням обмоток збудження. Обмотки незалежного і паралельного збудження виготовляють з дроту малого перерізу, вони мають велике число витків, обмотку послідовного збудження - з дроту великого перетину, вона має мале число витків.

Про властивості генераторів постійного струму судять по їх характеристикам: холостого ходу, зовнішньої і регулювальної. Нижче будуть розглянуті ці характеристики для генераторів різного типу.

Генератор з незалежним збудженням

Характерною особливістю генератора з незалежним збудженням (рис. 1) є те, що його струм збудження Iв не залежить від струму якоря I я, а визначається тільки напругою Uв подається на обмотку збудження, і опором Rв ланцюга збудження.

Мал. 1. Принципова схема генератора з незалежним збудженням

Зазвичай струм збудження невеликий і становить 2-5% номінального струму якоря. Для регулювання напруги генератора в ланцюг обмотки збудження часто включають регулювальний реостат Rрв. На тепловозах ток Iв регулюють шляхом зміни напруги Uв.

Характеристика холостого ходу генератора (рис. 2, а) - залежність напруги Uo при холостому ході від струму збудження Iв при відсутності навантаження Rн, т. Е. При Iн = Iя = 0 і при постійній частоті обертання п. При холостому ході, коли ланцюг навантаження розімкнути, напруга генератора Uo одно його е. д. з. Eo = cЕФn.

Так як при знятті характеристики холостого ходу частота обертання n підтримується незмінною, то напруга Uo залежить тільки від магнітного потоку Ф. Тому характеристика холостого ходу буде подібна залежності потоку Ф від струму збудження I я (магнітної характеристиці магнітного ланцюга генератора).

Характеристику холостого ходу легко зняти експериментально, поступово збільшуючи струм збудження від нуля до значення, при якому U0 = 1,25Uном, а потім зменшуючи струм збудження до нуля. При цьому виходять висхідна 1 і спадна 2 гілки характеристики. Розбіжність цих гілок пояснюється наявністю гістерезису в муздрамтеатрі машини. При Iв = 0 в обмотці якоря потоком залишкового магнетизму індукується залишкова е. д. з. Еост, яка зазвичай становить 2-4% номінального напруги Uном.

При малих токах збудження магнітний потік машини невеликий, тому в цій області потік і напруга Uo змінюються прямо пропорційно току збудження і початкова частина цієї характеристики є прямою. При збільшенні струму збудження магнітна ланцюг генератора насичується і наростання напруги Uo сповільнюється. Чим більше стає струм збудження, тим сильніше позначається насичення магнітного кола машини і тим повільніше зростає напруга U0. При дуже великих токах збудження напруга Uo практично перестає зростати.

Характеристика холостого ходу дозволяє судити про значення можливого напруги і про магнітні властивості машини. Номінальна напруга (вказане в паспорті) для машин загального застосування відповідає насиченою частини характеристики ( «коліну» цієї кривої). У тепловозних генераторах, що вимагають регулювання напруги в широких межах, використовують як криволінійну, так і прямолінійну ненасичену частина характеристики.

Е. д. С. машини змінюється пропорційно частоті обертання n, тому при n2

Зовнішня характеристика генератора (рис. 2, б) являє собою залежність напруги U від струму навантаження I п = I я при постійних частоті обертання n і струмі збудження Iв. Напруга генератора U завжди менше його е. д. з. Е на значення падіння напруги у всіх обмотках, включених послідовно в ланцюг якоря.

Зі збільшенням навантаження генератора (струму обмотки якоря I я - IН) напруга генератора зменшується з двох причин:

1) через збільшення падіння напруги в ланцюзі обмотки якоря,

2) через зменшення е. д. з. в результаті розмагнічуючого дії потоку якоря. Магнітний потік якоря кілька послаблює головний магнітний потік Ф генератора, що призводить до деякого зменшення його е. д. з. Е при навантаженні в порівнянні з е. д. з. Ео при холостому ході.

Зміна напруги при переході від режиму холостого ходу до номінальної навантаженні в розглянутому генераторі складає 3 - 8℅ від номінального.

Якщо замкнути зовнішній ланцюг на дуже малий опір, т. Е. Зробити коротке замикання генератора, то напруга його падає до нуля. Струм в обмотці якоря Ік при короткому замиканні досягне неприпустимого значення, при якому може перегоріти обмотка якоря. У машинах малої потужності струм короткого замикання може в 10-15 разів перевищити номінальний струм, в машинах великої потужності це співвідношення може досягати 20-25.

Мал. 2. Характеристики генератора з незалежним збудженням: а - холостого ходу, б - зовнішня, в - регулювальна

Регулювальна характеристика генератора (рис. 2, в) являє собою залежність струму збудження Iв від струму навантаження Iн при постійній напрузі U і частоті обертання п. Вона показує, як треба регулювати струм збудження, щоб підтримувати постійним напруга генератора при зміні навантаження. Очевидно, що в цьому випадку в міру зростання навантаження потрібно збільшувати струм збудження.

Перевагами генератора з незалежним збудженням є можливість регулювання напруги в широких межах від 0 до Umax шляхом зміни струму збудження і мале зміна напруги генератора під навантаженням. Однак він вимагає наявності зовнішнього джерела постійного струму для живлення обмотки збудження.

Генератор з паралельним збудженням.

В цьому генераторі (рис. 3, а) струм обмотки якоря I я розгалужується в зовнішній ланцюг навантаження RH (струм Iн) і в обмотку збудження (струм Iв), струм Iв для машин середньої та великої потужності становить 2-5% номінального значення струму в обмотці якоря. У машині використовується принцип самозбудження, при якому обмотка збудження живиться безпосередньо від обмотки якоря генератора. Однак самозбудження генератора можливо тільки при виконанні ряду умов.

1. Для початку процесу самозбудження генератора необхідна наявність в магнітному колі машини потоку залишкового магнетизму, який індукує в обмотці якоря е. д. з. Еост. Ця е. д. з. забезпечує протікання по ланцюгу «обмотка якоря - обмотка збудження» деякого початкового струму.

2. Магнітний потік, створюваний обмоткою збудження, повинен бути спрямований згідно з магнітним потоком залишкового магнетизму. В цьому випадку в процесі самозбудження буде наростати струм збудження Iв і, отже, магнітний потік Ф машини е. д. з. Е. Це буде тривати до тих пір, поки з-за насичення магнітного кола машини не припиниться подальше збільшення Ф, а отже, Е і Iв. Збіг у напрямку зазначених потоків забезпечується шляхом правильного приєднання обмотки збудження до обмотці якоря. При неправильному її підключенні відбувається розмагнічування машини (зникає залишковий магнетизм) і е. д. з. Е зменшується до нуля.

3. Опір ланцюга збудження RB має бути менше деякого граничного значення, званого критичним опором. Тому для якнайшвидшого збудження генератора рекомендується при включенні генератора в роботу повністю виводити регулювальний реостат Rрв, включений послідовно з обмоткою збудження (див. Рис. 3, а). Ця умова обмежує також можливий діапазон регулювання струму збудження, а отже, і напруги генератора з паралельним збудженням. Зазвичай зменшувати напругу генератора шляхом збільшення опору кола обмотки збудження можна лише до (0,64-0,7) Uном.

Мал. 3. Принципова схема генератора з паралельним збудженням (а) і зовнішні характеристики генераторів з незалежним і паралельним збудженням (б)

Слід зазначити, що для самозбудження генератора необхідно, щоб процес збільшення його е. д. з. E і струму збудження Iв відбувався при роботі машини в режимі холостого ходу. В іншому випадку через малу значення Eoст і великого внутрішнього падіння напруги в ланцюзі обмотки якоря напруга, що подається на обмотку збудження, може зменшитися майже до нуля і струм збудження не зможе збільшитися. Тому навантаження до генератора слід підключати тільки після встановлення на його затискачах напруги, близького до номінального.

При зміні напрямку обертання якоря змінюється полярність щіток, а отже, і напрямок струму в обмотці збудження, в цьому випадку генератор розмагнічується.

Щоб уникнути цього при зміні напрямку обертання необхідно переключити дроти, що приєднують обмотку збудження до обмотці якоря.

Зовнішня характеристика генератора (крива 1 на рис. 3, б) являє собою залежність напруги U від струму навантаження Iн при незмінних значеннях частоти обертання n і опору кола збудження RB. Вона розташовується нижче зовнішньої характеристики генератора з незалежним збудженням (крива 2).

Пояснюється це тим, що крім тих же двох причин, які сприяють зменшенню напруги з ростом навантаження в генераторі з незалежним збудженням (падіння напруги в ланцюзі якоря і розмагнічуюче дію реакції якоря), в розглянутому генераторі існує ще третя причина - зменшення струму збудження.

Так як струм збудження IB = U / R в, т. Е. Залежить від напруги U машини, то зі зменшенням напруги за вказаними двох причин зменшується магнітний потік Ф і е. д. з. генератора Е, що призводить до додаткового зменшення напруги. Максимальний струм Iкр, відповідний точці а, називається критичним.

При короткому замиканні обмотки якоря струм Ік генератора з паралельним збудженням малий (точка б), так як в цьому режимі напруга і струм збудження дорівнюють нулю. Тому струм короткого замикання створюється тільки е. д. з. від залишкового магнетизму і становить (0,4 ... 0,8) Iном .. Зовнішня характеристика точкою а ділиться на дві частини: верхню - робочу і нижню - неробочу.

Зазвичай використовується не вся робоча частина, а тільки деякий її відрізок. Робота на ділянці аб зовнішньої характеристики нестійка, в цьому випадку машина переходить в режим, відповідний точці б, т. Е. В режим короткого замикання.

Характеристику холостого ходу генератора з паралельним збудженням знімають при незалежному збудженні (коли струм в якорі Iя = 0), тому вона нічим не відрізняється від відповідної характеристики для генератора з незалежним збудженням (див. Рис. 2, а). Регулювальна характеристика генератора з паралельним збудженням має такий же вигляд, як і характеристика для генератора з незалежним збудженням (див. Рис. 2, в).

Генератори з паралельним збудженням застосовують для живлення електричних споживачів в пасажирських вагонах, автомобілях і літаках, в якості генераторів управління на електровозах, тепловозах і моторних вагонах і для заряду акумуляторних батарей.

Генератор з послідовним збудженням

У цього генератора (рис. 4, а) струм збудження Iв дорівнює току навантаження Iн = Iя і напруга сильно змінюється при зміні струму навантаження. При холостому ході в генераторі індукується невелика е. д. з. Еост, створювана потоком залишкового магнетизму (рис. 4, б).

Зі збільшенням струму навантаження I та = Iв = Iя зростають магнітний потік, е. д. з. і напруга генератора, це зростання, як і у інших самозбуджується машин (генератора з паралельним збудженням), триває до певної межі, обумовленого магнітним насиченням машини.

При збільшенні струму навантаження понад Iкр напруга генератора починає зменшуватися, так як магнітний потік збудження через насичення майже перестає збільшуватися, а розмагнічуюче дію реакції якоря і падіння напруги в ланцюзі обмотки якоря IяΣRя продовжують зростати. Зазвичай ток Iкр значно більше номінального струму. Генератор може працювати стійко тільки на частині аб зовнішньої характеристики, т. Е. При токах навантаження, великих номінального.

Так як в генераторах з послідовним збудженням напруга сильно змінюється при зміні навантаження, а при холостому ході близько в нулю, вони непридатні для харчування більшості електричних споживачів. Використовують їх лише при електричному (реостатному) гальмуванні двигунів з послідовним збудженням, які при цьому переводяться в генераторний режим.

Мал. 4. Принципова схема генератора з послідовним збудженням (а) і його зовнішня характеристика (б)

Генератор зі змішаним збудженням.

В цьому генераторі (рис. 5, а) найчастіше паралельна обмотка збудження є основною, а послідовна - допоміжної. Обидві обмотки знаходяться на одних полюсах і з'єднані так, щоб створювані ними магнітні потоки складалися (при згодному включенні) або віднімати (при зустрічному включенні).

Генератор зі змішаним збудженням при згодному включенні його обмоток збудження дозволяє отримати приблизно постійна напруга при зміні навантаження. Зовнішня характеристика генератора (рис. 5, б) може бути в першому наближенні представлена ​​у вигляді суми характеристик, створюваних кожною з обмоток збудження.

Мал. 5. Принципова схема генератора зі змішаним збудженням (а) і його зовнішні характеристики (б)

При включенні тільки однієї паралельної обмотки, по якій проходить струм збудження Iв1, напруга генератора U поступово зменшується з ростом струму навантаження Iн (крива 1). При включенні однієї послідовної обмотки, по якій проходить струм збудження Iв2 = Iн напруга U зростає зі збільшенням струму Iн (крива 2).

Якщо підібрати число витків послідовної обмотки так, щоб при номінальному навантаженні створюване нею напруга ΔUПОСЛ компенсувало сумарне падіння напруги ΔU при роботі машини з одного тільки паралельної обмоткою, то можна домогтися, щоб напруга U при зміні струму навантаження від нуля до номінального значення залишалося майже незмінним ( крива 3). Практично воно змінюється в межах 2-3%.

Збільшуючи число витків послідовної обмотки, можна отримати характеристику, при якій напруга UHOM буде більше напруги Uо при холостому ході (крива 4), така характеристика забезпечує компенсацію падіння напруги не тільки у внутрішньому опорі ланцюга якоря генератора, але і в лінії, що з'єднує його з навантаженням . Якщо послідовну обмотку включити так, щоб створюваний нею магнітний потік був спрямований проти потоку паралельної обмотки (зустрічне включення), то зовнішня характеристика генератора при великому числі витків послідовної обмотки буде круто падаючої (крива 5).

Зустрічне включення послідовної і паралельної обмоток збудження застосовують у зварювальних генераторах, що працюють в умовах частих коротких замикань. У таких генераторах при короткому замиканні послідовна обмотка майже повністю розмагнічує машину і зменшує струм к. З. до значення, безпечного для генератора.

Генератори з зустрічно включеними обмотками збудження використовують на деяких тепловозах в якості збудників тягових генераторів, вони забезпечують сталість потужності, що віддається генератором.

Такі збудники застосовують також на електровозах постійного струму. Вони живлять обмотки збудження тягових двигунів, які при рекуперативному гальмуванні працюють в генераторному режимі, і забезпечують отримання круто падаючих зовнішніх характеристик.

Генератор змішаного збудження є типовим прикладом регулювання по впливі, що обурює.

Генератори постійного струму часто включаються паралельно для роботи на загальну мережу. Необхідною умовою паралельної роботи генераторів з розподілом навантаження пропорційно номінальної потужності є ідентичність їх зовнішніх характеристик. У разі застосування генераторів змішаного збудження їх послідовні обмотки для вирівнювання струмів доводиться з'єднувати в загальний блок за допомогою зрівняльного дроти.