Работа машины постоянного тока в режиме генератора

При изменении тока в секции создается э. д. с. самоиндукции которая может достигать сравнительно больших значений.

Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются э. д. с. взаимоиндукции.

Э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными э. д. с, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.

Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором вызывает возникновение дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором, и способствует развитию дуги. Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению послед него.

Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин, как-то: неровностью поверхности коллектора, биением щеток загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на не и т. д.

Даже незначительное искрение щеток является нежелательный так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышаете нагрев последнего за счет увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором.

Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных э. д. с. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся. активные стороны коммутируемы: секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при ко тором индуктируемая в секциях э. д. с. вращения еv„ будет равен; и противоположна реактивной э. д.с. еr, т. е. еv = —еr. Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительны полюсы Nк и Sк, размещая их между главными полюсами.

На рис. 141 показана схема генератора, якорь которого вращается каким-либо двигателем в направлении, показанном стрел­кой. В обмотке якоря индуктируется э. д. с, и при нагрузке проте­кает ток. Направление э. д. с. и тока в проводниках обмотки пока­зано на схеме, на которой выделены проводники 1 п 2 коммутируе­мой секции. Реактивная э. д. с. er препятствуя изменениям тока коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2

встречно изменениям тока, как показано на схеме. Для компенсации реактивной э, д. с. в проводниках 1 и 2 нужно создать э, д. с. вращения еv = еr, для чего и установлены дополнительные полюсы Nк

и Sk

Таким образом, полярность дополни­тельного полюса в генераторе должна со­ответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря глав­ного полюса. В двигателе полярность до­полнительного полюса должна соответст­вовать полярности предыдущего по на­правлению вращения якоря главного по­люса.

Обмотку возбуждения дополнитель­ных полюсов соединяют последовательно

с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная э. д. с. была компенси­рована при любой нагрузке машины. Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником  якоря  и  дополнительным  полюсом  создан сравнительно большой  воздушный промежуток. Так как реактивная э. д. с. пропорциональ­на току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том  случае,  если э. д. с. вращения также пропорциональна току ( нагрузки. Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изме­няться пропорционально току якоря.

§ 110. РАБОТА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ ГЕНЕРАТОРА

Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М1. При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них ин­дуктируется э. д.с, направление которой определяется правилом правой руки (рис. 142). Если якорь вращается с числом оборотов в минуту п, то в его обмотке индуктируется э. д. с.

Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо при­емник энергии г (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет протекать ток Iя, который в обмотке якоря имеет направление, совпадающее с направлением э. д.с. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ, направление которого определяется правилом левой руки.

Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлении вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента,

следовательно, машина потребляет механическую энергию.

В случае равновесия моментов, т. е. М1== Мэ, якорь машины вращается с неизменно скоростью. При нарушении равновесия моментов число оборотов якоря начнет изменяться. Если  почему-либо  момент  первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора  (М1<Мэ), то число оборотов якоря машины начнет уменьшаться.  При  этом  будет  уменьшаться  как э. д. с, так и ток в обмотке якоря, что вызывает уменьшение тормозного электромагнитного момента генератора. В случае увеличения момента первичного двигателя (М1>Мэ) число обо­ротов якоря, а также э. д. с. и ток в его обмот­ке будут увеличиваться, что вызывает увеличение тормозного электромагнитного момента.

При нарушении равновесия моментов число оборотов якоря, э. д.с. и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстанов­ления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.

Таким образом, любое изменение момента первичного двига­теля, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соот­ветствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности. Так же при изменениях на­грузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства числа оборо­тов якоря генератора.

Ток обмотки якоря Iя, протекающий при нагрузке генератора, встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки rн, со­противление обмотки якоря rоб и сопротивление переходных кон­тактов между щетками и коллектором rщ. Обозначив через rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов (rоб+rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение:

Сопротивление rщ непостоянно  и зависит от большого  числа факторов, как-то: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, скорости вращения, радение напряжения в щеточных контактах остается примерно нанесенным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 в на пару угольных и графитных щеток).

Поэтому внутреннее сопротивление машины rя также не явля­йся  величиной постоянной при  изменении нагрузки генератора.

Так как Iяrн=U, где (U— напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия э. д.с. лля генератора:

Из уравнения равновесия э. д.с. легко получить уравнение мощ­ностей, т. е.

или

где Р2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии,

Рэ— внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую,

Роб —потери мощности в обмотке якоря и щеточных контак­тах.

При  холостом  ходе  генератора  электромагнитная  мощность равна нулю (Рэ=0), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р0, расходуемую на покрытие потерь холостого хода. Мощность Р0 складывается из потерь механических на трение в подшипниках и трение о воз­дух вращающихся частей машины Рмех и из потерь в стали на

гистерезис и вихревые токи Pст. В генераторах с самовозбужде­нием мощность Р0 включает также мощность, затраченную на со­здание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.

При  нагрузке  генератора  первичный  двигатель  затрачивает мощность Р1 = Рэ + Ро.