1) генераторы с постоянными магнитами, или магнитоэлектрические;
2) генераторы с независимым возбуждением;
3) генераторы с самовозбуждением. Магнитоэлектрические генераторы состоят из одного или нескольких постоянных магнитов, в поле которых вращается якорь с обмоткой. Ввиду очень малой вырабатываемой мощности генераторы этого типа для промышленных целей не применяются.
У генератора с независимым возбуждением обмотки полюсов питаются от постороннего, независимого от генератора, источника постоянного напряжения (генератора постоянного тока, выпрямителя и др.).
Питание обмотки возбуждения полюсов генератора с самовозбуждением осуществляется со щеток якоря самой машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем. При отсутствии тока в обмотке возбуждения якорь генератора вращается в слабом магнитном поле остаточного магнетизма полюсов. Независимая ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря в этот момент, посылает слабый ток в обмотку полюсов. Магнитное поле полюсов увеличивается, отчего ЭДС в проводниках якоря также увеличивается, что, в свою очередь, вызовет увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока в обмотке возбуждения не установится ток, соответствующий величине сопротивления цепи возбуждения. Самовозбуждение машины может произойти лишь в том случае, если ток, протекающий по обмотке полюсов, будет создавать магнитное поле, усиливающее поле остаточного магнетизма, и если, кроме того, сопротивление цепи возбуждения не превышает некоторой определенной величины.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря делятся на три типа.
1. Генератор с параллельным возбуждением (шунто-вой), у которого обмотка возбуждения полюсов включена параллельно обмотке якоря.
2. Генератор с последовательным возбуждением (се-риесный), у которого обмотка возбуждения полюсов включена последовательно с обмоткой якоря.
3. Генератор со смешанным возбуждением (компаунд-ный), у которого на полюсах имеются две обмотки: одна – включенная параллельно обмотке якоря, и другая – включенная последовательно с обмоткой якоря. Напряжение генератора с независимым возбуждением изменяется с нагрузкой от двух причин:
1) вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;
2) действие реакции якоря, приводящее к уменьшению магнитного потока и ЭДС машины. 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 причин напряжение генератора (или напряжение щеток якоря) с нагрузкой уменьшается.
Генератор с последовательным возбуждением отличается от генератора с параллельным возбуждением, так как у первого с увеличением нагрузки напряжение увеличивается, а у второго – уменьшается.
Генератор со смешанным возбуждением объединяет в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждением.
Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения, то она станет работать электрическим двигателем, т. е. превращать электрическую энергию в энергию механическую. Это свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя называется обратимостью.
Электрический двигатель был изобретен в 1834 г. русским академик Б.С. Якоби.
Устройство электрических двигателей такое же, как генераторов. Принцип действия электрических двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов. Мощность, потребляемая двигателем из сети, больше мощности на валу на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, потерь мощности на нагрев обмоток двигателя и реостатов. КПД электрического двигателя с нагрузкой меняется. При номинальной мощности величина КПД двигателей колеблется от 70 до 93 % в зависимости от мощности, скорости вращения и исполнения двигателей.
В зависимости от соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения электрические двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Проводники обмотки якоря, по которым проходит ток, находясь в магнитном поле, созданном полюсами, испытывают силу, под действием которой они выталкиваются из магнитного поля. Для того чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону, необходимо, чтобы направление тока в проводнике изменялось на обратное, как только проводник выйдет из зоны действия одного полюса, пересечет нейтральную линию и войдет в зону действия соседнего, разноименного полюса. Для направления тока в проводниках обмотки якоря двигателя в момент, когда проводники проходят нейтральную линию, служит коллектор.
В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена параллельно в сеть и при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и напряжения сети магнитный поток двигателя должен быть постоянным. С увеличением нагрузки двигателя реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению скорости. На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было почти компенсировано реакцией якоря. Характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является почти постоянная скорость вращения при изменении нагрузки на его валу.
У двигателей с последовательным возбуждением обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам двигателя, будет одинаков. При малых насыщениях стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря.
В электродвигателе со смешанным возбуждением наличие на полюсах двигателя двух обмоток позволяет использовать преимущества двигателей параллельного и смешанного возбуждения. Этими преимуществами являются постоянство скорости и большой вращающий момент при пуске двигателя. Регулировка скорости двигателя со смешанным возбуждением выполняется регулировочным реостатом, включенным в цепь параллельной обмотки возбуждения.
Двигатель-генераторы применяются редко и обычно пользуются специальными устройствами, преобразующими переменный ток в постоянный и называемыми выпрямителями. В технике наибольшее применение получили два типа выпрямителей:
1) твердые выпрямители;
2) ртутные выпрямители.
Твердыми выпрямителями называют такие, у которых отдельные части изготовлены из твердых тел. Из твердых выпрямителей распространение в технике получили медно-закисные (купроксные), селеновые, кремниевые и германиевые.
Ртутные выпрямители бывают:
1) стеклянные;
2) металлические.
Кроме твердых и ртутных выпрямителей, существуют еще выпрямители: механические, кенотроны, газотроны, электролитические. Кенотроны (ламповые выпрямители) широко применяются в радиотехнике, имеются в большинстве современных радиоприемников, питаемых от сетей переменного тока и т. д. Медно-закисные (купроксные) выпрямители состоят из трех слоев:
1) металл, обладающий свободными электронами в большой концентрации;
2) изоляционный (запирающий), не имеющий свободных электронов;
3) полупроводник, имеющий малое количество свободных электронов. При наличии на малых слоях разности потенциалов в запирающем слое возникает сильное электрическое поле, которое способствует вырыванию свободных электронов из прилегающих к нему слоев.
В селеновых выпрямителях одним электродом является железная никелированная шайба с нанесенным на ней тонким слоем селена. Вторым электродом служит слой из специального, хорошо проводящего сплава висмута, олова и кадмия, напыленного на селен. К этому слою прижата контактная латунная шайба. Для включения элемента в цепь служат пластинки, касающиеся обоих электродов. На границе между покровным слоем и слоем селена возникает запирающий слой.
Действие ртутного выпрямителя основано на так называемой вентильной (односторонней) способности электрической дуги, возникшей в откачанном и заполненном ртутью сосуде, пропускать ток только в одном направлении. Вентиль представляет собой устройство, имеющее малое сопротивление для тока прямого направления и большое сопротивление для тока обратного направления.
Для токов свыше 500 А применяются металлические ртутные выпрямители. Металлический корпус выпрямителя имеет водяное охлаждение. Катодная чаша, изолированная от корпуса, наполнена ртутью. Главные аноды пропущены через анодные рукава, которые предохраняют аноды от ртути, сконденсированной из ее паров. Внутри выпрямителя помещены анод зажигания и аноды независимого возбуждения. Верхний конец анода зажигания прикреплен к стальному сердечнику, помещенному в соленоиде. Если замкнуть цепь тока, питающего соленоид, то сердечник втягивается и опускает анод зажигания, который на короткое время погружается в ртуть и затем под действие пружины возвращается в прежнее положение. Дуга, возникшая между анодом зажигания и ртутью, перекидывается на аноды возбуждения, которые поддерживают дугу, не давая ей погаснуть.
