Līdzstrāvas ģenerators

Līdzstrāvas ģenerators ir līdzstrāvas elektriskā mašīna, kas darbojas ģeneratora režīmā. Tā pārveido mehānisko enerģiju līdzstrāvas elektriskajā enerģijā.

Līdzstrāvas ģeneratora darbība

Uzbūve

Par līdzstrāvas ģeneratora uzbūvi skatīt: Līdzstrāvas mašīna.

Darbība

Līdzstrāvas ģeneratoram tiek pievadīta mehāniskā enerģija, ar nemainīgu ātrumu griežot ģeneratora rotoru. Statorā novietotais ierosmes tinums pieslēgts nelielas jaudas līdzsprieguma (nemainīga sprieguma) avotam, un tajā plūst ierosmes strāva, radīdama nekustīgu un nemainīgu magnētisko lauku. Rotoru griežot, enkura tinuma vadi šķērso magnētiskā lauka spēka līnijas, un katrā no tiem inducējas elektrodzinējspēks (EDS).

Līdzstrāvas ģenerators

$E\sim B\cdot v$ ,

kur $E$ ir enkurā inducētais EDS, $B$ ir statora magnētiskā lauka indukcija, $v$ ir enkura vada kustības ātruma komponente, kas vērsta perpendikulāri magnētiskā lauka spēka līnijām.

N pola zonā un S pola zonā EDS virzieni ir pretēji. Tā kā katrs enkura vads pārmaiņus nonāk abu polu zonās, katrā enkura vadā inducējas laikā mainīgs EDS. Kolektora uzdevums ir ne tikai pieslēgt kustīgam rotoram ārējo ķēdi, bet arī iegūt uz ģeneratora spailēm līdzspriegumu.

Neatkarīgas ierosmes jeb svešierosmes ģenerators

• Enkura ķēdes sprieguma vienādojums:

$U=E-R_{e}I_{e}$, kur $U$ ir līdzstrāvas ģeneratora enkura ķēdes spriegums, $E$ ir enkurā inducētais EDS, $R_{e}$ ir enkura pretestība, $I_{e}$ — strāva.

• EDS vienādojums:

$E=c_{E}\Phi n$, kur $c_{E}$ ir no ģeneratora izmēriem un konstrukcijas atkarīga konstante, $\Phi$ ir statora magnētiskā lauka plūsma, $n$ ir rotora griešanās ātrums (apgriezieni minūtē).

• Momenta vienādojums:

$M=c_{M}\Phi I_{e}$, kur $c_{M}$ ir no ģeneratora uzbūves atkarīga, no $c_{E}$ atšķirīga konstante.

• Strāvu vienādojums:

$I=I_{e}$; ierosmes strāva $I_{ie}$ nav atkarīga no enkura strāvas $I_{e}$, savukārt, enkura ķēdē un ārējā ķēdē plūst viena un tā pati strāva.

Neatkarīgās ierosmes jeb svešierosmes līdzstrāvas ģeneratora ārējā raksturlīkne (n=const, Φ=const)

Neatkarīgās ierosmes jeb svešierosmes līdzstrāvas ģeneratora tukšgaitas raksturlīkne (n=const, I=0, histerēze nav attēlota)

Ģenerators darbojas normāli, ja tā rotors tiek griezts ar pastāvīgu ātrumu ($n=const$) un magnētiskā plūsma nemainās ($\Phi =const$, līdz ar to $I_{ie}=const$). Tad enkurā inducējas nemainīgs EDS. Šajos apstākļos iegūst ģeneratora ārējo raksturlīkni U=f(I), mainot slodzes strāvu no tukšgaitas ($I=0$) līdz nominālajai vērtībai ($I_{N}$). No tās redzams, ka, slodzes strāvu palielinot, spriegums uz ģeneratora spailēm samazinās. Parasti sprieguma relatīvā izmaiņa no tukšgaitas $(U=E)$ līdz nominālajam režīmam ($U_{N}$) nepārsniedz 5 % (2,5 . . . 5 %). Ja paturpināt ārējo raksturlīkni, līdz tā sasniedz abscisu asi, tiek iegūta īsslēguma strāva.

Mainot slodzes pretestību (strāvu), darba punkts pārvietojas pa mehānisko raksturlīkni n=f(M), mainās spriegums uz ģeneratora spailēm. Par ģeneratora sprieguma regulēšanu sauc iespēju mainīt $U$, ja nemaina slodzes pretestību (strāvu). To regulējot, tiek mainīta ārējā raksturlīkne, kas iespējams, tikai mainot EDS: mainīt rotora griešanas ātrumu vai mainīt magnētisko plūsmu ar ierosmes strāvas palīdzību. Otrais paņēmiens ir vienkāršāks, jo to īsteno ar regulēšanas reostatu ierosmes ķēdē. Samazinot ierosmes strāvu, samazinās magnētiskā plūsma un samazinās EDS — iegūst ārējo raksturlīkni ar samazinātu spriegumu.

Tukšgaitas raksturlīkne E=f(I_ie) rāda, kā jāmaina ierosmes strāva, lai iegūtu vajadzīgo EDS. EDS var izmērīt tikai tukšgaitas režīmā, kad tas vienāds ar spriegumu. Ierosmes strāvu palielinot, magnētiskā plūsma un EDS kopumā pieaug, taču tukšgaitas raksturlīknei ir sarežģītāka forma. Pirmkārt, EDS inducējas rotējošā enkurā arī tad, ja ierosmes strāvas nav, jo statora polos saglabājas magnētisms. Otrkārt, kad EDS jau sasniedzis zināmu vērtību, mašīnas magnētiskās ķēdes piesātinājuma dēļ magnētisko lauku palielināt kļūst arvien grūtāk. Treškārt, uzņemot tukšgaitas raksturlīkni, novērojama histerēze — EDS vērtības pie vienas un tās pašas ierosmes strāvas ir atšķirīgas atkarībā no tā, vai I_ie palielina vai samazina.

Šai elektriskajai mašīnai jaudu bilance atšķiras no citu mašīnu bilances, jo tai mehāniskā jauda (jauda uz vārpstas) ir tikai daļa no pievadītās jaudas. Daļu pievadītās jaudas veido ierosmes ķēdei pievadītā elektriskā jauda.

Neatkarīgās ierosmes ģeneratora trūkums ir tāds, ka ierosmes ķēdes barošanai vajadzīgs atsevišķs līdzstrāvas avots.

Pašierosmes ģenerators

Pašierosmes līdzstrāvas ģeneratoram ierosmes strāvu nodrošina paša ģeneratora EDS.

Paralēlās jeb šunta ierosmes līdzstrāvas ģeneratora ārējā raksturlīkne

Paralēlās jeb šunta ierosmes līdzstrāvas ģeneratora tukšgaitas raksturlīkne

Paralēlās ierosmes ģenerators

Paralēlās ierosmes līdzstrāvas ģeneratora ierosmes ķēde ar paralēlās ierosmes tinumu un regulēšanas reostatu pieslēgta paralēli enkuram. Enkurā neliels EDS ir arī tad, ja ierosmes strāvas nav. No šī EDS ierosmes ķēdē rodas neliela strāva, kas palielina magnētisko plūsmu, kas, savukārt, palielina EDS. Šis process turpinās, kamēr ierosmes strāvas turpmāko pieaugšanu neierobežo ierosmes ķēdes pretestība (to regulē ar reostatu).

EDS, momenta un enkura ķēdes sprieguma vienādojumi ir tādi paši kā svešierosmes ģeneratoram. Strāvu vienādojums:

$I_{e}=I+I_{ie}$,

no tā redzams, ka enkura strāva sadalās divās nevienādās daļās: slodzes strāvā un ierosmes strāvā.

No paralēlās ierosmes ģeneratora ārējā raksturlīknes redzms, ka spriegums samazinās, palielinoties slodzes vai enkura strāvai. Šādam ģeneratoram raksturlīknes kvalitāte ir sliktāka nekā svešierosmes ģeneratoram, proti, sprieguma izmaiņa atkarībā no slodzes ir lielāka. EDS nav nemainīgs, jo ierosmes ķēde pieslēgta paša ģeneratora spriegumam. Sprieguma izmaiņa no tukšgaitas līdz nominālajam režīmam ir 8 . . . 15 %. Samazinot slodzes pretestību, kura līknes sākumā (tukšgaitā) $R_{r}=\infty$, slodzes strāva palielinās un spriegums samazinās maz, taču, strāvai sasniedzot kritisko vērtību $I_{kr}$ (2 . . . 2,5 $I_{N}$), spriegums sāk samazināties tikpat ātri kā slodzes pretestība un strāva vairs nepalielinās. Turpinot samazināt slodzes pretestību, spriegums samazinās vēl straujāk un strāva sāk samazināties līdz pat $I_{is}$ (īsslēgums).