РОЗДІЛ 2
Теоретичні відомості про електричні машини постійного струму

2.2 Принцип дії генератора

Основним типом машин постійного струму є колекторний тип з електромагнітним збудженням. В них основний магнітний потік Ф₀ створюється постійним струмом, що протікає по обмотці збудження, яка розташована на головних полюсах [1–4].

Розглянемо принцип роботи генератора постійного струму на прикладі найпростішої колекторної машини з електромагнітним збудженням, обмотка якоря якої складається лише з одного витка (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Найпростіша машина постійного струму

Між двома полюсами електромагніту розміщений якір, що є сталевим циліндром. На якорі розташована обмотка у вигляді витка авсd, кінці якої приєднані до двох пластин (півкілець), закріплених на валу й ізольованих одна від одної. Ці пластини утворюють колектор. До півкілець дотикаються щітки А та В, до яких приєднане навантаження генератора R_нав. Якір обертається під дією механічної сили первинного двигуна, наприклад турбіни, двигуна внутрішнього згоряння або електродвигуна. Колектор обертається разом з валом, а щітки А та В залишаються нерухомими.

Полярність полюсів електромагніту (головних полюсів машини) залежить від напрямку струму в обмотці збудження і може бути визначена за допомогою правої руки: якщо долоню правої руки покласти на котушку збудження таким чином, щоб чотири пальці співпадали з напрямком струму у витках котушки, тоді відігнутий у площині долоні на 90^° великий палець покаже напрямок магнітних силових ліній поля, створеного струмом котушки [1]. Відповідно до цього правила верхній полюс на рис. 2.2 є північним (N), а нижній – південним (S). Незалежно від числа полюсів машини їх полярність завжди чергується, тобто за полюсом N завжди буде полюс S. Силові лінії поля (лінії магнітної індукції) виходять з північного полюса, пронизують якір і входять у південний, двічі перетинаючи при цьому повітряний зазор. Далі вони замикаються по ярму машини (на рис. 2.2 не показано). Припустимо, що якір обертається проти руху годинникової стрілки з кутовою швидкістю w [рад/с]. При цьому сторони ав і cd витка перетинають силові лінії поля і в них, відповідно до закону електромагнітної індукції, індукується електрорушійна сила (ЕРС). Напрямок цієї ЕРС визначається правилом правої руки: якщо долоню правої руки розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий у площині долоні на 90^° великий палець збігався з напрямком руху провідника, то чотири витягнутих пальці покажуть напрямок індукованої у провіднику ЕРС. На рис. 2.2 напрямок ЕРС у провідниках ав і cd показаний стрілками.

Миттєве значення ЕРС для одного провідника обмотки визначається за формулою

                                                                                              (2.1)

де В_d – індукція в повітряному зазорі від основного магнітного поля в точці, де знаходиться провідник;

l – активна довжина провідника, що перетинає силові лінії поля;

J – лінійна швидкість руху провідника:

                                                ,                                                (2.2)

де D_a – діаметр якоря, м;

n – частота обертання якоря, об/хв.

Кутову швидкість обертання можна виразити через частоту обертання:

                                                                                                  (2.3)

В обох провідниках внаслідок симетрії індукуються однакові ЕРС, які по контуру витка додаються, і тому повна ЕРС якоря найпростішої машини становить

                                                                                    (2.4)

Активна довжина провідника – величина незмінна. Якщо швидкість руху якоря в процесі роботи генератора залишається незмінною, тоді lJ = const. Тому величина і напрямок ЕРC е_пр визначається винятково значенням магнітної індукції В_d. Але розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини в різних місцях по окружності якоря нерівномірний: під серединою полюсів В_d має максимальні значення (під північним полюсом – позитивне, під південним – негативне), ближче до країв полюсів індукція зменшується (рис. 2.3). Лінія О₁О₂, яка розділяє зони магнітних полюсів і проходить через центр якоря, називається геометричною нейтраллю. Магнітна індукція на геометричній нейтралі дорівнює нулю.

В процесі роботи генератора якір обертається і провідники його обмотки по черзі займають в магнітному полі положення з різними значеннями магнітної індукції. Тому в обмотці якоря наводиться змінна ЕРС. При цьому графік зміни ЕРС у функції часу відповідає діаграмі розподілу магнітної індукції В_d  в повітряному зазорі (див. рис. 2.3). Так, наприклад, при синусоїдному характері розподілу магнітної індукції ЕРС струм в обмотці якоря також буде синусоїдним. Якби в машині не було колектора (замість півкілець були б два кільця), то струм у зовнішньому колі генератора був би змінним. За допомогою колектора та щіток А і В змінний струм обмотки якоря перетворюється в пульсуючий, тобто незмінний за напрямом струм.

Рисунок 2.3 – Розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини

При зображеному на рис. 2.2 положенні витка abcd струм у зовнішньому колі генератора направлений від щітки А до щітки В, тобто щітка А має позитивну полярність, а щітка В – негативну. При повороті якоря на 180⁰ напрями ЕРС у провідниках і струму у витку зміняться на зворотні. Однак полярність щіток, а отже, і напрям струму в зовнішньому колі залишаються незмінними. Пояснюється це тим, що в той момент, коли струм у витку змінює свій напрям, відбувається зміна колекторних пластин під щітками. Таким чином, під щіткою А завжди знаходиться пластина, що з'єднується з провідником, розташованим під північним полюсом, а під щіткою В – пластина, з'єднана з провідником, розташованим під південним полюсом. В результаті полярність щіток при роботі генератора залишається незмінною незалежно від положення витка в магнітному полі. Тому і напрям струму в зовнішньому колі незмінний, хоча величина його змінюється, тому що при положенні провідників обмотки під серединою полюсів струм має максимальне значення, а при їхньому положенні на геометричній нейтралі струм дорівнює нулю. Це ілюструє рис. 2.4 а, на якому показані різні положення якоря генератора за один оберт, і рис. 2.4 б, в, на яких зображені графіки ЕРС і струму в обмотці якоря (рис. 2.4, б) і ЕРС і струму на щітках і в зовнішньому колі (рис. 2.4, в) [1].

Рисунок 2.4 – Процес комутації (а) та криві ЕРС і струму найпростішої машини в колі якоря (б) і в зовнішньому колі (в)

Таким чином, у генераторі постійного струму за допомогою колектора змінний струм в обмотці якоря перетворюється в пульсуючий струм у зовнішній ділянці кола.

Щоб зменшити пульсації й отримати практично постійний за величиною струм у зовнішньому колі, на якорі розташовують обмотку, що складається з декількох десятків витків (секцій). В процесі роботи генератора на холостому ході, коли струм в колі якоря відсутній (І_а = 0), в його обмотці від основного магнітного поля індукується ЕРС, діюче значення якої визначається за формулою

                                                                                                (2.5)

де с_е – конструктивна стала машини:

                                                 ,                                                 (2.6)

де р – число пар полюсів;

N – число активних провідників обмотки якоря;

а – кількість паралельних віток обмотки якоря.

Формулу для ЕРС можна представити в іншому вигляді:

                                                                                                (2.7)

де

                                                                                                 (2.8)

В режимі холостого ходу напруга генератора на затискачах якоря U₀ = Е₀. При роботі генератора в режимі навантаження (І_а ¹ 0) його вихідна напруга U менша ЕРС Е на величину спаду напруги в якірному колі:

                                                                                        (2.9)

де R_aS – повний опір якірного кола, який складається з власного опору обмотки якоря R_a, опору додаткових полюсів R_д.п., опору компенсаційної обмотки R_к.о. та опору щітково-колекторного переходу R_щ.

Якір генератора приводиться в обертання первинним двигуном, який створює на валу генератора обертовий момент Μ (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Процес створення обертового моменту в генераторі постійного струму

Якщо генератор працює в режимі холостого ходу (1_а = 0), для обертання його якоря потрібен невеликий момент, який називається моментом холостого ходу. Він витрачається на подолання сил тертя в підшипниках, тертя щіток з колектором, тертя частин, що обертаються, з опором повітрям.

В режимі навантаження в провідниках обмотки якоря під дією ЕРС виникає струм і_а. Оскільки ці провідники зі струмом знаходяться в магнітному полі, то відповідно до закону Ампера на них діють механічні сили, що залежать від величини індукції в повітряному зазорі в місці розташування провідника В_d, довжини провідника l і струму в ньому і_а:

                                                                                          (2.10)

Напрям сили визначається правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб силові лінії поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, то відігнутий у площині долоні на 90^° великий палець покаже напрям механічної сили, яка діє на провідник (див. рис. 2.5). Такі сили діють на всі провідники обмотки якоря, що в результаті створює електромагнітний момент М, спрямований назустріч моментові первинного двигуна й напряму обертання якоря, тобто є гальмівним моментом. Саме ця властивість генератора і дозволяє використовувати його як навантажувальний пристрій на валу двигуна. Величина електромагнітного моменту може бути знайдена з виразів

                                                                                        (2.11)

                                                                                       (2.12)

де D_а – зовнішній діаметр якоря.

З формули (2.12) видно, що, змінюючи величину магнітного потоку полюсів регулюванням струму збудження генератора і зміною струму якоря (струму навантаження), можна змінювати величину моменту генератора, а отже, і величину моменту навантаження на валу двигуна.

Напрям ЕРС в обмотці якоря, полярність щіток, напрям напруги і струму в зовнішньому колі генератора можна змінити одним із двох способів:

1) зміною напряму магнітного поля головних полюсів (зміною їхньої полярності). Для цього змінюють напрям струму в обмотці збудження, змінюючи полярність підведеної до неї напруги;

2) зміною напряму обертання якоря генератора за допомогою приводного двигуна.

На практиці здебільшого використовується перший спосіб.