Основное назначение электрогенераторов постоянного тока – преобразование механической энергии в электрическую с последующим выводом во внешний контур. Они представлены устройствами мощностью от 1 до 10000 кВт, способными работать в режиме генератора или двигателя. Несмотря на узкую специализацию они все незаменимы в ряде производственных отраслей, предлагаемый заводами-изготовителями ассортимент весьма широк. Основными рабочими характеристиками, учитываемыми при расчете и выборе нужного варианта, являются номинальные напряжение и ток, вырабатываемая мощность и частота вращения якоря. Все эти величины относятся к номинальным, они обязательно указываются в инструкции и в прикрепленной к неподвижной части генератора табличке.

Принцип действия и устройство

Работа основана на индукции ЭДС во вращающихся катушках возбуждения, в отличие от машин переменного тока магниты, создающие поле, полностью неподвижны. Активные концы контура подключаются к изолированным полукольцам, за счет чего происходит снятие выпрямленного, а не синусоидального напряжения. Устройство включает в себя:

• Внешний корпус для защиты от внешних повреждений и передачи магнитного потока.
• Магнитные полюсы с обмоткой.
• Остов из ферримагнитных сплавов, выполняющий роль статора. Число полюсов определяется расчетом исходя из требуемых тока и мощности.
• Якорь генератора из отдельных пластин зубчатой формы (такое исполнение снижает вихревые токи), обмотка самовозбуждения наматывается на впадины между ними.
• Коммутатор с графитовыми щетками, их число идентично количеству полюсов.
• Медные коллекторные пластины для соединения с нагрузкой.
  При движении проводника в магнитном поле образовывается ЭДС, величина которой регулируется уравнением постоянного тока:
  е=2 B ·V·L sin(wt),
  Где B представляет собой общую величину магнитной индукции, V – линейная скорость вращения магнитов, и L – длина всех активных контуров, t – время, а w – угол вращения активных сторон, соответственно. Токосъем производится неподвижными щетками, благодаря чему ток сглаживается (для полного выпрямления требуется увеличение обмоток якоря), поэтому в расчете удобнее использовать упрощенный вариант этой формулы: Е= B·V·L. Выходное напряжение прямо пропорционально числу оборотов генератора.

Разновидности устройств

В зависимости от типа обмотки возбуждения выделяют генераторы постоянного тока:

• С независимым возбуждением – с запиткой от постороннего источника тока или аккумулятора. Достоинством этого варианта является постоянство номинальных характеристик, недостатком – зависимость от внешних факторов. Этот способ выбирается для сильноточных агрегатов с высокой мощностью.
• С самовозбуждением – с запиткой непосредственно от генератора.
  Вторая разновидность разделяется на шунтовые, сериесные, смешанные (компаундные) генераторы в зависимости от используемых схем подключения к обмотке якоря. Шунтовый генератор (с параллельным возбуждением) не боится КЗ и полностью не зависит от внешних источников энергии, но его рабочие характеристики не всегда стабильны. Генераторы с последовательным подключением сильно зависят от уровня нагрузки, такая схема используется исключительно при его постоянстве (например, для электропривода станков или насосов). У компаудных генераторов минимальная зависимость пусковых и рабочих характеристик от нагрузки, но они боятся КЗ, конструкция отличается сложностью.

Функциональное назначение

Потребность в постоянном токе сохраняется прежде всего в металлургической отрасли. Эта разновидность электрогенераторов устанавливается в прокатных станах и в цехах с электролизными ванными. Постоянный ток используется для питания приборов электросвязи, троллейбусов и трамваев, запуска стартеров тепловозов, в морском транспорте (на судах используются машины со смешанным возбуждением). Распространенной практикой является использование их в качестве возбудителей синхронных генераторов на обычных ТЭС или в качестве двигателей на ветряках.

Расчет рабочих параметров генератора

Номинальный режим работы машин постоянного тока регламентируется: отдаваемой мощностью, напряжением на зажимах обмотки якоря, его током и частотой вращения. Именно эти величины считаются паспортными, от них отталкивается расчет остальных параметров. Между напряжением на зажимах, общим сопротивлением обмотки и ЭДС генератора прямая связь, выражаемая уравнением:
Е=U+Iя·∑R,
Где ∑R определяется как падение сопротивления на всех активных участках обмотки: якоря, добавочных полюсов, щеточных контактов, компенсационной и последовательной обмотки возбуждения. Получив эту величину, нетрудно провести расчет полезной мощности генератора, в частности:
P= U·I,
где I – величина тока, отдаваемого во внешнюю сеть.
Существует четкая взаимосвязь: увеличение частоты оборотов активных контуров якоря и числа его полюсов приводит к возрастанию полезной мощности и наоборот. Еще одна паспортная величина – коэффициент полезного действия машины постоянного тока определяется как отношение полезной отдаваемой мощности к полной, в идеале эта величина составляет не менее 90%. На практике отдача немного меньше, так как такой расчет не учитывает механические и магнитные потери на трение.
Соответственно, исходя из требуемых номинальных характеристик проводится расчет параметров самого генератора: числа полюсов и коллекторных пластин, площади пазов, длины якоря, числа витков обмотки. Такой расчет проводят исключительно специалисты, он определяет габариты, параметры обмотки и все остальные рабочие характеристики генератора.

Работа при параллельном подключении

Для машин постоянного тока характерна низкая эффективность при работе в слабонагруженном режиме. Поэтому в сетях с частым изменением величины потребления целесообразно использовать схему с двумя и более генераторами постоянного тока с параллельным соединением. В этом случае основную нагрузку принимает первый генератор, при увеличении происходит запуск второго и последующих (при наличии и необходимости). В такой схеме важно отслеживать напряжение в общей распределительной шине, но с применением современных САУ это не является проблемой.

Недостатки конструкции: реакция якоря

Помимо того, что все электрогенераторы постоянного тока при прочих равных условиях тяжелее и крупнее переменных генераторов, они обладают таким недостатком как снижение ЭДС при работе в режиме с нагрузкой. Это явление объясняется образованием собственного магнитного поля у якоря и наложением его на основное между статором и ротором. Чем больше нагружен генератор, тем сильнее проявляется эффект, в особо тяжелых случаях щетки начинают тереться неправильно и искрить, происходит перегрев.
Для устранения или уменьшения якорной реакции используют два способа:

• В местах максимального падения магнитного поля устанавливаются дополнительные магнитные полюса с целью компенсации.
• Коллекторные графитовые щетки размещают под другим углом или просто сдвигают.
  Для генераторов со средней и высокой мощностью проводится усложненный расчет компенсационной обмотки, с целью образования магнитного потока полностью компенсирующего поля якоря. Это позволяет свести искажения магнитного потока к минимуму, реакция якоря практически не заметна.