Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия электрического генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (э.д.с), называемая э.д.с индукции (Индукция от латинского слова inductio — наведение, побуждение), или индуктированной э.д.с. Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Явление возникновения индуктированной э.д.с. в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуктируется э.д.с, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием э.д.с. по цепи потечет ток, называемый индуктированным током.
Опытным путем установлено, что величина индуктированной э.д.с., возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, возрастает с увеличением индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его перемещения. Индуктированная э.д.с. возникает только тогда, когда проводник пересекает магнитное поле. При движении проводника вдоль магнитных силовых линий э.д.с. в нем не индуктируется. Направление индуктированной э.д.с. и тока проще всего определить по правилу правой руки (рис. 131): если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, отогнутый большой палец показывал бы направление движения проводника, то остальные вытянутые пальцы укажут направление действия индуктированной э.д.с. и направление тока в проводнике. Магнитные силовые линии направлены от северного полюса магнита к южному.
. Устройство электрической машины постоянного ток
Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока
Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1 
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,
где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.
На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)
Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.
В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи, через сопротивление RH протекает ток IЯ.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф
(1)
где Се - константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство - коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.
29. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. Характеристики холостого хода, внешнего и регулировочного.
Обмотка возбуждения полюсов включена параллельно обмотке якоря. Во время работы генератора ток, проходящий по обмотке якоря IЯ от положительной щетки растекается по двум параллельным ветвям: внешней сети и обмотке возбуждения. Ток сети I и ток возбуждения IB притекая к отрицательной щетке, в сумме своей равны току якоря. Поэтому можно написать: IЯ = I + IB
Полезная мощность генератора характеризуется величиной тока, отдаваемого генератором в сеть. Поэтому ток возбуждения должен быть по возможности малым. Обычно ток возбуждения у генераторов с параллельным возбуждением составляет 2,5% от номинального тока якоря. Для создания необходимой намагничивающей силы обмотка возбуждения изготовляется из большого числа витков тонкой медной изолированной проволоки.
Если при холостом ходе генератора менять ток возбуждения регулировочным реостатом, то при постоянной скорости якоря э. д. с. генератора будет также меняться. Зависимость между э. д. с. и током возбуждения машины, как известно, называется характеристикой холостого хода. У генератора с параллельным возбуждением эта характеристика аналогична характеристике холостого хода генератора с независимым возбуждением.
ри нагрузке генератора с параллельным возбуждением напряжение его меняется в зависимости от тока нагрузки. У генератора с параллельным возбуждением напряжение с нагрузкой меняется от трех причин:
1) вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;
2) вследствие уменьшения магнитного потока, вызванного действием реакции якоря;
3) под действием первых двух прнчнн напряжение генератора (или напряжение на щетках якоря) с нагрузкой уменьшается. Ток возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения пропорционален напряжению на щетках якоря.
Поэтому с уменьшением напряжения на якоре ток возбуждения также уменьшится, что приведет к уменьшению магнитного потока полюсов, а это, в свою очередь, вызовет дополнительное уменьшение э. д. с. и напряжения на зажимах генератора
Этого не было у генератора с независимым возбуждением, так как обмотка возбуждения машины питалась от независимого (отдельного) источника постоянного напряжения.
Если при постоянной скорости вращения якоря и неизменном сопротивлении цепи возбуждения менять сопротивление внешней сети, то ток сети будет также меняться. Отмечая величину тока сети по амперметру, включенному в цепь якоря, и определяя напряжения генератора по вольтметру, включенному на зажимы машины, можно установить зависимость между током нагрузки и напряжением генератора. Эта зависимость, как известно, называется внешней характеристикой. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением дана на фиг. 285. Характеристика показывает, что с увеличением нагрузки напряжение генератора уменьшается. В пределах нормальной работы уменьшение напряжения с нагрузкой у генераторов этого типа бывает невелико (сплошная часть характеристики). У генераторов с дополнительными полюсами оно составляет 8—15% при номинальной нагрузке. При работе генератора изменение напряжения устраняют путем изменения сопротивления цепи возбуждения с помощью регулировочного реостата. Дальнейшее увеличение тока нагрузки сопровождается значительным уменьшением напряжения (пунктирная часть характеристики). При некоторой величине сопротивления внешней цели ток нагрузки достигает максимального критического значения IМАКС по достижении которого ток начинает уменьшаться, даже если сопротивление внешней цепи будет становиться меньше. Это объясняется тем, что на величину тока сети оказывает влияние не только величина сопротивления сети, но также и напряжение генератора. Как только ток сети достигнет критического значения IМАКС. вышеуказанные факторы, влияющие на уменьшение напряжения, становятся преобладающими и, несмотря на уменьшение сопротивления сети, ток сети будет уменьшаться.
При коротком замыкании напряжение генератора становится равным нулю, а э. д. с, наводимая в обмотке якоря за счет остаточного магнетизма полюсов, будет создавать в цепи ток короткого замыкания. Иногда случается, что впервые включаемый генератор с параллельным возбуждением не дает напряжения. Это может произойти потому, что сердечники полюсов не имеют остаточного магнетизма или обладают им, но неправильное соединение обмотки возбуждения привело к тому, что ток в обмотке создал магнитный поток возбуждения, направленный против потока остаточного магнетизма, и произошло размагничивание полюсов. В этом случае концы обмотки возбуждения нужно отсоединить и подключить их на некоторое время к источнику постоянного напряжения (например, к аккумуляторной батарее). Этого будет достаточно для приобретения полюсами остаточного магнетизма, и генератор будет создавать небольшую э. д. с. при работе с отключенной обмоткой полюсов. Если генератор включают впервые и нет уверенности в правильном присоединении обмотки возбуждения, то, пустив его в ход, касаются концами обмотки возбуждения якорных выводов на щитке (соблюдая правила техники безопасности) и наблюдают за показаниями вольтметра генератора. Если показания вольтметра увеличиваются, то это означает, что обмотка возбуждения соединена правильно. Если же показания вольтметра уменьшаются, то нужно поменять местами концы обмотки возбуждения. После установления правильности включения обмотки возбуждения генератор останавливают и прочно закрепляют концы обмотки возбуждения на его щитке. Изменение направления вращения генератора с параллельным возбуждением влечет за собой изменение направления индуктированной э. д. с. в обмотке якоря, перемену полярности щеток и изменение направления тока в обмотке возбуждения, а это приводит к размагничиванию полюсов. Поэтому на генераторах с параллельным возбуждением указывают направление вращения якоря.