Хотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока широко используются в различных промышленных, транспортных и других установках (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и так далее). В этих случаях генераторы постоянного тока обычно приводятся во вращение электродвигателями переменного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.
Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
Различаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.
Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением (рисунок 1, а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. Генераторы последнего типа изготавливаются только на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы с электромагнитным возбуждением.
В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.
Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3 – 5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая – к машинам мощностью около 1 кВт.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рисунок 1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рисунок 1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рисунок 1, г).
Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают намагничивающую силу одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть намагничивающей силы возбуждения (65 – 80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.
Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)
На рисунке 1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от реостата возбуждения) подключен за последовательной обмоткой возбуждения ("длинный шунт"), однако этот конец может быть присоединен и непосредственно к якорю ("короткий шунт"). Существенной разницы в этих вариантах соединения нет, так как падение напряжения в последовательной обмотке составляет только 0,2 – 1,0% от Uн и ток iв мал. Обычно применяется соединение, изображенное на рисунке 1, г.
В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения составляет 1 – 5% от номинального тока якоря Iан или тока нагрузки Iн = Iан – iв. В генераторах последовательного возбуждения эти токи равны друг другу: iв = Iа = I и падение напряжения на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет 1 – 5% от Uн. Обмотки возбуждения у генераторов параллельного возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у генераторов последовательного возбуждения – относительно малое число витков большого сечения.
В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока возбуждения включают реостаты Rр.в (рисунок 1, а, б, и г).
Крупные машины постоянного тока работают с независимым возбуждением. Машины малой и средней мощности большей частью имеют параллельное или смешанное возбуждение. Генераторы с последовательным возбуждением менее распространены.
 |
| Рисунок 2. Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения |
Энергетическая диаграмма
Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения представлена на рисунке 2. Получаемая от первичного двигателя механическая мощность P1 за вычетом потерь механических pмх, магнитных pмг и добавочных pд преобразуется в якоре в электромагнитную мощность Pэм. Мощность Pэм частично тратится на электрические потери pэла в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), а остальная часть этой мощности представляет собой полезную мощность P2, отдаваемую потребителям. Потери на возбуждение pв в генераторе независимого возбуждения покрываются за счет постороннего источника тока.
На основании изложенного для генератора независимого возбуждения имеем уравнение мощностей
| P2 = P1 – pмх – pмг – pд – pэла = Pэм – pэла | (1) |
Можно написать также следующее уравнение мощностей:
| P1 = pмх + pмг + pд + Pэм | (2) |
Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для других типов генераторов.
Уравнение вращающих моментов
Если все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря
Ω = 2 × π × n
то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:
 | (3) |
Здесь
 | (4) |
представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,
 | (5) |
– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и
 | (6) |
– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности.
В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения
 | (7) |
где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M0 + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин < 0, он действует в направлении вращения и является движущим, поддерживая вращение за счет уменьшения кинетической энергии вращающихся масс.
Таким образом, в общем случае, при n ≠ const,
 | (8) |
Момент
| Mст = M0 + Mэм | (9) |
соответствующий статическим силам, называют статическим моментом. Поэтому можно также написать
| Mв = Mст + Mдин | (10) |
Уравнение напряжения
Уравнение напряжения U на зажимах генератора имеет вид
| U = Eа – Iа × rа – 2 × ΔUщ | (11) |
где
| Eа = cе × Фδ × n | (12) |
представляет собой э. д. с. якоря, rа – сопротивление всех последовательно соединенных обмоток цепи якоря, а 2 × ΔUщ – падение напряжение в контактном слое щеток обеих полярностей.
Обычно для упрощения вычислений вводят постоянное сопротивление щеточных контактов
| Rщ = 2 × ΔUщ / Iан | (13) |
и вместо выражения (11) пользуются уравнением
 | (14) |
где
| Rа = rа + Rщ | (15) |
– полное сопротивление якоря.
Вследствие непостоянства переходного сопротивления щеток уравнение (14) является несколько приближенным, но погрешность незначительна. Для угольных и графитных щеток берется 2 × ΔUщ = 2 В и для металлографитных щеток 2 × ΔUщ = 0,6 В. В режиме генератора всегда U меньше Eа.
Установка щеток в нейтраль
Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали.
Установка щеток на нейтраль производится индуктивным способом – путем включения и выключения постоянного тока в обмотке возбуждения неподвижной машины и наблюдения за показаниями вольтметра или гальванометра, присоединенного к щеткам. Щеточная траверса устанавливается и закрепляется в положении, при котором отклонение стрелки прибора при включении и выключении тока возбуждения равно нулю или минимально. Лучше иметь прибор с нулем посредине шкалы. Ток в обмотке возбуждения не должен превышать примерно 10% от номинального во избежание индуктирования больших э. д. с. самоиндукции, способных повредить изоляцию обмотки возбуждения.
Можно также установить щетки в таком положении, когда при холостом ходе у генератора напряжение максимально или у двигателя скорость вращения минимальна. Однако этот способ является более грубым.
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.