Генераторы. Принцип действия электрических генераторов осно­ван на использовании закона электромагнитной индукции. Этот закон гласит: в проводниках, пересекающих магнитные линии, индуктируются электродвижущие силы (э. д. с), которые пропор­циональны числу магнитных линий, пересеченных за единицу времени.

Электродвижущая сила генератора. Если предпо­ложить, что p-число полюсов, N- число активных проводников обмотки якоря, а - число параллельных ветвей обмотки , D_я - диаметр якоря, п -частота вращения якоря, измеряемая числом оборотов в минуту, тогда э. д. с. якоря

E = pNФn / a 60,    pN / 60 a = Се -  постоянная величина для машины тогда E я = C е Ф n

э. д. с. Е_я пропорциональна основному магнитному потоку и частоте вращения якоря

Следовательно, э. д. с. гене­ратора можно регулировать изменением магнитного потока (тока возбуждения) генератора или изме­нением частоты вращения вала якоря.

Напряжение U я на зажимах якоря генератора меньше э. д. с. E я на значение падения напряже­ния в сопротивлении обмотки якоря I я R я   U я = E я - I я R я

У машин, работающих в режиме генератора, проводники обмот­ки якоря с током I находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы создающие электромагнитный момент Мм= СмФ I , См = pN / 2 π a .

Мм действует в направлении против направления вращения и является тормозным.

        Режим двигателя. Если к обмотке якоря машины подвести постоянный ток I от внешнего источника, то в результате взаимодействия с магнитным потоком главных полюсов возникает электромагнитный момент Мм= смФ I ,  который действует в направлении вращения и является движущим.

При вращении якоря электро­двигателя проводники его обмотки пересекают магнитные линии, вследствие этого в них индуктируется э. д. с. E я направленная про­тив тока I я и приложенного к зажимам якоря напряжения U я, поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой.

Напряжение, приложенное к якорю двигателя, уравновешивается э. д. с. E я и падением напряжения в обмотке якоря I я R я :   U я = E я + I я R я

Тогда I я =( U я - C е Ф n ) / R я, обороты вала якоря n = ( U я – I я R я) / C е Ф

Принцип обратимости. Изложенное выше показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким свойством обладают все вращающиеся электрические машины, и называется оно обратимостью. Переход машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения осуществляется изменением на­правления тока в обмотке якоря.

                                                                                         Направление э. д. с, тока и моментов:             Схема работы электрической машины                                                   а- генератора; б — двигателя                            в режиме: а — генератора; б — двигателя

Как видно, внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора  U я I я = E я I я - I я ² R я Для двигателя U я I я = E я I я + I я ² R я

В генераторе Мм является тор­мозящим моментом, а в двигате­ле — движущим, в обоих случаях противополож­ны по направлению. Левые части выражений — это электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитные мощности якоря, а последние члены — электрические потери в якоре.

Эти соотношения выражают закон сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока. По этому закону механическая мощность, развиваемая на валу генера­тора преобразуется в электрическую мощность в обмотке якоря, которая за вычетом потерь в обмотке якоря поступает во внешнюю цепь.

В двигателях электрическая мощность, подводимая к якорю, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля, а затем в механическую мощность, которая передается на вал двигателя.

Реакция якоря. При нагрузке вокруг проводников обмотки якоря образуется магнитное поле ось которого направлена по оси щеток, расположенных на геомет­рической нейтрали ГН. Воздействие м. д. с. обмотки якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря. Число маг­нитных линий, пересекающих поверхность якоря, не везде одинаково: наибольшая густота — под серединой полюса, наименьшая — по геометрической нейтрали. В витках, расположенных по самой нейтра­ли, э. д. с. не индуктируется.

При вращении якоря под нагрузкой результирующий магнитный поток будет распределяться, как показано на рисунке. Под левой частью северного полюса он будет ослаблен потоком якоря, имеющим противоположное направление потоку, создаваемому по­люсами. Под правой частью северного полюса силовые линии потока якоря имеют одинаковое направление с основным потоком, поэтому в этой части густота магнитного потока увеличивается. Подобное явление будет наблюдаться и у южного полюса. В результате действия реакции якоря основной магнитный поток исказится и как бы повернется на небольшой угол в направлении вращения якоря. Линия ФН, проходящая через точки на поверхности якоря с индукцией В = 0, является физической нейтралью. Смещение нейтрали повлечет за собой перемещение щеток на такой же угол, так как они должны замыкать накоротко те витки, в которых э. д. с. не индуктируется.

Коммутация. Процесс изменения направления тока в секции обмотки якоря, связанный с переходом ее из одной параллельной ветви в другую, называется коммутацией, а секция — коммутиру­ емой.

За время перекрытия щеткой обеих коллекторных пластин ток в секции уменьшается от I _я /2 до нуля. Изменение тока вызывает наведение э. д. с. самоиндукции e_s (а также взаимо­индукции. Эту э. д. с. называют реактивной е_р, а наводимый ею ток — током коммутации. Электродвижущая сила вращения е_к от внешнего поля называется коммутирующей. В общем случае в коммутирующей цепи имеются обе э. д. с. е_р и е_к. Под действием суммы этих э. д. с. в замкнутой щеткой коммутирующей цепи возникает добавочный ток коммутации /_д - Искрение на коллекторе вызывает нагревание и порчу его поверх­ности. Чтобы степень искрения не превышала допустимого значения, необходимо скомпенсировать реактивную э. д. с. е_р, Для улучшения процесса ком­мутации используют два основных способа: применяют добавочные полюсы и производят подбор щеток с повышенным электрическим сопротивлением (электрографитированные), уменьшая тем самым добавочный ток коммутации.

В условиях эксплуатации мерами предупреждения искрения являются содержание в чистоте поверхности коллектора, конуса, канавок между пластинами, своевременное удаление с рабочей по­верхности коллектора подтеков, царапин, заусенцев, смена сколотых и изношенных щеток и пр.

Добавочные полюсы. Добавочные полюсы располагают по нейтра­ли, т. е. между главными полюсами. Они предназначены создавать магнитное поле, индуктирующее в коммутируемых витках э. д. с, направленную против реактивной э. д. с. Чтобы магнитное поле действовало только в зоне коммутации, ширину полюсов делают небольшой. Обмотки добавочных полюсов всегда включаются последователь­но с обмоткой якоря для того, чтобы происходило автомати­ческое усиление действия добавочных полюсов при увеличении внешней нагрузки, вызывающей усиление реакции якоря и реактив­ной э. д. с. в коммутируемых секциях.

Компенсационная обмотка. Добавочные полюсы компенсируют действие реакции якоря только в зоне коммутации. Наиболее эффективное средство борьбы с вредным действием попе­речной реакции якоря — с искажением основного поля и увеличением напряжения между коллекторными пластинами — использование компенсационной обмотки. В пазах полюсных наконечников главных полюсов укладывают стержни (проводники) так, чтобы направления токов в них и обмотке якоря в пределах каждого полюсного деления были противоположны. Компенсационная обмотка включается последовательно с обмот­кой якоря, тем самым обеспечивается компенсация поперечной реакции якоря при всех нагрузках.