Принцип работы генератора постоянного тока

Рис. 24.3. Генерация напряжения в ГПТ Рис. 24.4. Возникновение тормозного момента в ГПТ

Рассмотрим принцип работы ГПТ. Поворот рамки осуществляется посторонним двигателем против часовой стрелки (рис. 24.3). В активных проводниках наводятся ЭДС с направлением, определяемым по ППР, а на к зажимам генератора нагрузки R_н появляется ток i. Согласно ПЛР, на зажимах рамки создается напряжение u = 2e. Чтобы U не изменялось, требуется взять много рамок. При подключении проводники с током будет действовать пара сил F, создающих тормозной момент M_т (момент сопротивления М_с), который направлен против вращающего момента М, в чем и проявляется правило Ленца (рис. 24.4).

Электродвижущая сила якоря

На рис.24.5, а показана зона действия магнитного поля одного полюса машины, где ГН – геометрические нейтрали. Величина полюсного шага τ = πD/(2p), где D – диаметр якоря; 2р – количество полюсов машины. Распределение нормальной составляющей индукции B вдоль зазора между полюсом и якорем показано на рис.24.5,б.

Рис.24.5. Распределение поля между полюсом и якорем (а) и нормальная составляющая поля (б)

Найдем среднее значение ЭДС, индуцируемой в каждой из 2а параллельных ветвей обмотки якоря. Для простой петлевой обмотки 2а = 2р. Пусть N – общее число проводников якоря. При вращении якоря с угловой скоростью Ω ЭДС в каждом активном проводнике

e_i =ú ê = B_i = B_il = B_ilu,

где dS = ldx – площадь, пересекаемая проводником за время dt; l – длина проводника; dx – расстояние, проходимое проводником за время dt; dx/dt = u = ΩD/2 – линейная скорость проводника.

Каждая из параллельных ветвей обмотки якоря содержит N/2a последовательно включенных ЭДС e_i. При большом числе секций обмотки якоря суммарная ЭДС каждой ветви почти неизменна:

,

где B_ср = Ф/(lτ) – среднее значение магнитной индукции. Откуда

,

где С_м = pN/(2πa) – конструктивная константа данной машины.

В инженерной практике вместо Ω используют частоту вращения n, измеряемую числом оборотов якоря в минуту:

об/ мин.

Перейдя к частоте вращения n, получим выражение для величины ЭДС в цепи якоря

,

где С_е – константа ЭДС

С_e = ≈ .

Итак, для изменения ЭДС якоря генератора необходимо изменить либо магнитный поток путем изменения тока возбуждения, либо частоту вращения двигателя, вращающего якорь генератора.

Реакция якоря

В режиме холостого хода ток I_я в генераторе равен нулю, поскольку цепь якоря разомкнута, а в двигателе мал, так как скорость Ω велика и противоЭДС Е почти компенсирует U. По этой причине магнитное поле якоря в режиме холостого хода практически отсутствует. Под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток I_я, создающий собственное магнитное поле. Воздействие поля якоря на поле возбуждения называют реакцией якоря (рис.24.6).

Рис.24.6. Магнитное поле ГПТ

На рис.24.6 показано поле генератора, якорь которого вращается по часовой стрелке. Тогда токи в проводниках под верхним N-полюсом направлены от нас, а у правого S-полюса – к нам. В результате поток в зазоре под набегающим краем наконечника (левым) ослабляется Ф – ∆Ф, а под сбегающим (правым) – усиливается Ф + ∆Ф. У двигателя – наоборот. Номинальный режим должен быть на середине колена кривой на рисунке, где F = Iw – МДС. Из-за насыщения +∆Ф гораздо меньше –∆Ф, что уменьшает и искажает результирующий поток Ф. Физическая нейтраль (ФН) у генератора получается повернутой на некоторый угол по направлению вращения, у двигателя – против. Уменьшение потока приводит у ГПТ к падению E, у ДПТ – к падению М и изменению Ω.