На рис. 3.4 показана энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения. Мощность, передаваемая в цепь возбуждения, расходуется на потери в цепи возбуждения.

Двигатель, вращающий вал якоря генератора, передает ему мощность P₁ часть которой расходуется на механические (П_мх) и магнитные (П_мг) потери в машине, а также на дополнительные потери (П_д). Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную энергию, определяемую электромагнитной мощностью:

                                               (3.8)

Мощность, отдаваемая генератором в электрическую сеть (Ρ = UI _я), равна разности электромагнитной мощности Р_эм и потерь – в активных сопротивлениях цепи якоря (П_эл) и на переходе коллектор-щетка (П_эл.щ):

,

откуда

,                                                                          (3.9)

где R _яΣ – суммарное сопротивление якорной цепи машины, учитывающее сопротивление перехода коллектор-щетка.

Рис. 3.4. Энергетическая диаграмма машины постоянного, тока

О свойствах генератора можно судить по его основным характеристикам: холостого хода, внешней, регулировочной и нагрузочной.

Под характеристикой холостого хода понимают зависимость выходного напряжения генератора от тока обмотки возбуждения в режиме холостого хода, т.е. при разомкнутой цепи нагрузки (при этом n = const, рис. 3.5, a).

При снятии характеристики щетки должны находиться на геометрической нейтрали. Изменение тока возбуждения следует производить только в одном направлении, т.к. в противном случае будет происходить переход на другие кривые намагничивания, не соответствующие снимаемому циклу. При больших значениях тока возбуждения генератора вследствие насыщения его магнитопровода кривая будет иметь резко выраженный участок насыщения. Точка характеристики, соответствующая номинальному режиму работы генератора, обычно лежит на колене кривой, т.к. работа генератора на прямолинейном участке неустойчива, а работа на участке ее насыщения не позволяет регулировать выходное напряжение.

При нулевом токе возбуждения генератора напряжение на его выходе составляет 2-4% от номинального значения.

Под внешней характеристикой понимается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки U = f ( I _я ) при η = const и Ι_β = const . При снятии этой характеристики вначале устанавливаются номинальные ток возбуждения генератора i _в и ток нагрузки I _ЯН , затем генератор постепенно разгружается до режима холостого хода. По полученной кривой определяется падение напряжения U _н (рис. 3.5, б).

Уменьшение напряжения на выходе генератора независимого возбуждения с увеличением тока его нагрузки объясняется двумя причинами:

1) падением напряжения от протекания тока нагрузки во внутреннем сопротивлении генератора;

2) размагничивающим действием поперечной реакции якоря.

3) Изменение напряжения обычно определяется в процентах по отношению к номинальному напряжению:

4) .

Рис. 3.5. Основные характеристики генератора постоянного тока:

а) холостого хода, б) внешняя и в) регулировочная

Регулировочная характеристика I _в = f ( I _я ) при n = const и U = const показывает, по какой зависимости необходимо увеличивать ток возбуждения (при увеличении тока нагрузки I _я), чтобы при неизменной скорости вращения ротора выходное напряжение генератора оставалось неизменным (рис. 3.5, в).

Внешняя и регулировочная характеристики генератора могут быть построены по известным кривым нагрузочной характеристики: U = f ( I _В ) при n = const и I _я = const (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Нагрузочная характеристика и характеристические треугольники генератора независимого возбуждения

Кривая 1 соответствует режиму холостого хода, а кривая 2 – режиму номинальной нагрузки (I _я = I _ян). Прямоугольный треугольник ABC называют характеристическим. Катет ВС этого треугольника пропорционален падению напряжения на активном сопротивлении якоря I _я R _яΣ, его величина остается неизменной (ВС = В₁С₁ = В₂С₂ и т.д.) при изменении тока возбуждения машины. Катет АВ характеризует размагничивающее действие поперечной реакции якоря, его величина увеличивается по мере увеличения насыщения магнитной цепи генератора (A₁B₁ < А В < А₂В₂ и т.д.). Основным достоинством генератора постоянного тока независимого возбуждения является возможность регулирования в широких пределах выходного напряжения изменением тока возбуждения, а недостатком – необходимость использования для питания обмотки возбуждения отдельного источника.