Генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением

Принцип работы генератора основан на явлении элек­тромагнитной индукции. Если рамка с активными про­водниками аb и сd (рис. 3.1, а) вращается в поле постоян­ных магнитов NS, то согласно закону электромагнитной индукции в проводниках аb и cd возникает ЭДС:

Е=В1Vsin α

где В - индукция магнитного поля;

1 - длина активного проводника;

V - окружная скорость движения проводника;

sin α - угол между направлением магнитных силовых линий и направлением движе­ния проводника в рассматриваемый момент времени.

Рис. 3.1. Принцип действия генератора постоянного тока

Если концы проводников подключить к кольцам и от них через щетки 1 и 2 питать цепь нагрузки лампы Rн, то при замыкании рубильника Р по цепи потечет ток I_Н, так­же изменяющийся по синусоидальному закону, т.е. пере­менный ток. Для выпрямления этой переменной ЭДС под­ключим проводники аb и cd не к кольцам, а к полу­кольцам (рис. 3.1, б). Щетки 1 и 2 установлены таким обра­зом, что переходят с одного полукольца на другое в мо­мент, когда в проводниках рамки ЭДС отсутствует (рамка повернута на 90° относительно продольной оси полюсов, т.е. расположена по поперечной оси полюсов). В этом слу­чае к щеткам 1 и 2 подводится ЭДС одного направления в течение полного оборота рамки, хотя в самих проводниках аb и cd ЭДС по-прежнему является переменной.

Под действием ЭДС одного направления по цепи нагруз­ки потечет ток 1_В, одного направления, но пульсирующий. Щетка 2, от которой ток оттекает во внешнюю цепь (на­грузки), считается положительной («плюсовой»), а щетка 1, к которой притекает ток, - отрицательной («минусовой»).

Таким образом, применение полуколец вместо колец позволило получить в цепи нагрузки ток одного направ­ления, хотя в проводниках рамки возникает переменная ЭДС, т.е. полукольца являются механическим выпрями­телем. Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного тока и получить большое значение ЭДС на щетках 1 и 2 ге­нератора постоянного тока, применяется большое число пластин, располагаемых на коллекторе, и большое число активных проводников якоря.

В реальных генераторах постоянного тока магнитное по­ле создается не постоянными магнитами, а обмотками возбуждения, расположенными на сердечниках полюсов. Магнитное поле с потоком Ф (рис. 3.2) создается за счет протекания тока Iв, в обмотке возбуждения W_В. В подвагонных генераторах обмотка включа­ется параллельно обмотке якоря Я - к щеткам 1 и 2.

Рис.3.2. Электрическая схема генератора постоянного тока

с параллельным возбуждением

За счет остаточной намагни­ченности сердечников полюсов в генераторе всегда имеется неболь­шое по величине магнитное поле (магнитный поток). При движении вагона якорь вращается в этом слабом магнитном поле. Под дей­ствием его в проводниках обмотки якоря возникает ЭДС, так что на щетках появляется небольшая выпрямленная коллектором ЭДС, под действием которой по обмот­ке возбуждения потечет ток возбуждения. Ток возбужде­ния вызовет появление магнитного потока, который име­ет большее значение, чем поток остаточного магнетизма, следовательно, на щетках возникает ЭДС большей вели­чины: Е=С_ЕnФ, где С_Е - конструктивный коэффициент генератора; n - частота вращения якоря, об/мин; Ф -магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения.

Большая ЭДС вызовет увеличение тока возбуждения (по закону Ома I_В= Е/r_В, где r_В - сопротивление обмотки воз­буждения, что приведет к дальнейшему возрастанию ЭДС и т.д. Происходит самовозбуждение генератора. При замы­кании рубильника Р под действием ЭДС через резистор Rн потечет ток нагрузки, который вызовет падение напряже­ния на сопротивлении r_В обмотки якоря, равное I r_Я. Зна­чит, напряжение и на щетках 1 и 2 будет меньше ЭДС на величину этого падения напряжения, т.е.

U = Е – I r_Я, или U = С_Е nФ - I r_Я.

Из последней формулы следует, что напряжение за­висит от частоты вращения генератора, т.е. скорости движения вагона; от магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, который в свою очередь зави­сит от тока возбуждения; от тока нагрузки генератора (чем больше ток нагрузки, тем меньше напряжение).