Глава I
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. Принцип работы генератора
Электрическими генераторами называют машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Они применяются для питания различных приемников, в том числе и устройств связи железнодорожного транспорта. Генераторы могут быть постоянного и переменного токов. Последние выполняются трехфазными и однофазными. Работа генератора основана на явлении электромагнитной индукции. Это явление заключается в том, что в проводнике, который при движении в магнитном поле пересекает его силовые линии, возбуждается электродвижущая сила. Направление индуцированной э. д. с. определяется правилом правой руки.
Процесс преобразования механической энергии в электрическую поясним на простейшей принципиальной схеме генератора постоянного тока (рис. 1, а). На поверхности стального якоря уложен виток изолированного провода абвг. Концы витка присоединены к двум медным полукольцам (пластинам) 1 и 2, которые закреплены на валу якоря и тщательно изолированы друг от друга. Пластины 1 и 2 образуют простейший коллектор машины. На коллектор опираются неподвижные щетки А и Б, к которым подключен приемник энергии сопротивлением r. От северного полюса генератора N к южному S через воздушные зазоры и стальной якорь замыкается магнитный поток Ф. При равномерном вращении якоря стороны витка аб и вг пересекают магнитные силовые линии, поэтому в них индуцируются э. д. с. ех и е2, изменяющиеся по синусоидальному закону. По такому же закону изменяется полная э. д. с. витка е = eY + е2 = Ет sin ω.
Э. д. с. становится максимальной, когда проводники аб и вг находятся под серединами полюсов, и принимает нулевое значение, когда эти же проводники попадают на нейтральную плоскость, где они не пересекают магнитных линий поля. Ясно, что в двухполюсной машине одному обороту якоря в магнитном поле соответствует полный цикл изменения э. д. с. (рис. 2, а). Причем за первую половину оборота, когда э. д. с. е имеет положительный знак, щетка А касается первой пластины коллектора, а щетка Б — второй пластины (см. рис. 1, а). За вторую половину оборота при отрицательном знаке э. д. с. щетка А касается второй пластины коллектора, а щетка Б — первой пластины (см. рис. 1, б). Переключение каждой щетки с одной пластины на другую происходит в момент прохождения витка через нейтральную плоскость, когда э. д. с. витка равна нулю. Таким образом, за счет вращения якоря в постоянном магнитном поле в витке абвг получают синусоидальную э. д. с.
Чтобы от данной машины получить постоянное напряжение и ток, в ее конструкцию внесен коллектор (коммутатор), предназначенный для выпрямления тока. Рассмотрим подробнее работу этой части генератора. Для этого определим полярность напряжения на щетках Л и Б за обе половины оборота якоря. Пользуясь правилом правой руки, легко установить, что за первую половину оборота (см. рис. 1, а) э. д. с. е1 направлена от точки а к точке б, а э. д. с. е2 — от точки в к точке г. Обе э. д. с. в замкнутом контуре направлены по ходу стрелки часов и создают ток ί, направленный от коллекторной пластины 1 через щетку A, приемник энергии r к щетке Б и коллекторной пластине 2. Следовательно, пластина коллектора 1 и щетка A, от которых ток отводится во внешнюю цепь, имеют положительный потенциал, а пластина коллектора 2 и щетка Б, через которые ток обратно поступает в генератор, — отрицательный.
На рис. 1, б показано положение якоря для момента времени t2 второй половины оборота якоря, когда э. д. с. е имеет отрицательный знак. Полярность на пластинах коллектора здесь противоположна полярности, указанной на рис. 1, а. Пластина коллектора 1 имеет отрицательный потенциал. Такой же потенциал имеет щетка Б, соприкасающаяся с этой пластиной. Пластина коллектора 2 имеет положительный потенциал, который передается щетке А.
Нетрудно заметить, что полярность напряжения на щетках А и Б и направление тока i во внешней цепи одинаковы за обе половины оборота якоря генератора. Щетка А все время имеет положительный потенциал, а щетка Б — отрицательный. Объясняется это тем, что при смене полярности происходит переключение коллекторных пластин. Щетка А касается то одной, то другой пластины коллектора в те промежутки времени, когда они имеют положительный потенциал (+). При обратной полярности эти же пластины касаются щетки Б. На рис. 2, б представлены графики выпрямленного напряжения и и тока i рассмотренного генератора.
Рис. 3. Кольцевой якорь генератора постоянного тока
Большое изменение значения (пульсация) полученного тока не позволяет использовать его для работы многих приемников энергии. Особенно чувствительна к пульсации тока аппаратура связи. Даже при незначительном ее значении в каналах связи возникают помехи и искажения. Поэтому пульсацию выпрямленного тока необходимо снизить. Для этого увеличивают число витков обмотки якоря и количество пластин коллектора.
Действие многопластинчатого коллектора покажем на примере кольцевого якоря (рис. 3, а), имеющего в поперечном сечении форму кольца. На якорь спиралью намотана обмотка. В данном случае обмотка состоит из шести витков и соединяется с коллектором, имеющим шесть коллекторных пластин. Первый виток обмотки якоря содержит проводники 1—1″, второй 2—2″, а последний — шестой — 6—6″. Проводник 6″ последнего витка соединяется с проводником 1 первого витка. Поэтому обмотка якоря замкнута.
Проводники витков 1, 2, 3, …, 6 на внешней цилиндрической поверхности кольцевого якоря пронизываются магнитным потоком генератора Ф. Они являются активной частью витков. При вращении якоря в них возникают э. д. с. е±—eQ. Направление э. д. с. и тока в якоре, найденное по правилу правой руки, показано на рис. 3, а. Проводники обмотки якоря 2″, 3″, …, 6″ на внутренней полости сердечника якоря не пронизываются магнитным потоком полюсов. Поэтому в них, как и в боковых частях витков, э.д.с. не возникают. На рис. 3, б показана развернутая схема рассматриваемой обмотки якоря. Из этой схемы видно, что обмотка якоря между щетками А и Б разбивается на две параллельные ветви, по три витка в каждой. Результирующая э.д.с. между щетками равна сумме э.д.с., возникающих в витках одной параллельной ветви, т.е. е = е1 е2 + е3.
На рис. 3, в представлены графики э.д.с. e1, е2 и е3, сдвинутые по фазе на 60°, и кривая результирующей э. д. с. е с уменьшенной пульсацией. При достаточно большом числе витков э. д. с. генератора и, соответственно, ток, проходящий по внешнему участку цепи, будут практически постоянными по величине. Так, при наличии в коллекторе 40 пластин колебание полученного напряжения от его среднего значения составляет лишь 0,16%. Ниже будет показано, что машина постоянного тока может работать не только в режиме генератора, но и в режим электродвигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую. Это свойство электрических машин называется их обратимостью.