Меню

Исследования характеристики генераторов постоянного тока

Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора – механическо­го преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непре­рывный процесс электромеханического преобразо­вания энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рисунке 48 изобра­жена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора – якорь, вал кото­рого посредством шкива и ременной передачи меха­нически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) – источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря распо­ложена обмотка в виде одного витка a,b,c,d,концы которого присоединены к двум медным изолирован­ным друг от друга полукольцам, образующим про­стейший коллектор. На поверхность коллектора на­ложены щетки А и В,осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротив­лением R.

Предположим, что приводной двигатель враща­ет якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное зна­чение которой ,а направление для положе­ния якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

Рисунок 48 – Упрощенная модель коллекторной машины

В процессе работы генератора якорь вращается и виток a,b,c,d занимает разное пространственное по­ложение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R)был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, пока­занном на рисунке 48, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В;следовательно, щетка А является положительной, а щетка В отрицательной. После поворота якоря на 180 0 (рисунок 49, а)направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а, следовательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рисунок 49, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположен­ным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным под юж­ным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослаб­ится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их рав­номерном распределении по поверхности якоря и соответствую­щем увеличении числа пластин в коллекторе.

Рисунок 49 – К принципу действия генератора постоянного тока:

__________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

_ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

В настоящее время электромашиностроительные заводы изго­товляют электрические машины постоянного тока, предназначен­ные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конст­рукцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть — якорем (рисунок 50).

Рисунок 50 – Устройство машины постоянного тока

Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Ста­нина 6 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали – ма­териала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 4. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключе­нием машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и мон­таж машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердеч­ника 6 и полюсной катушки 5. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспе­чивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1-2 мм или из тон­колистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вих­ревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницае­мостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницае­мость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавоч­ных полюсов.

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными – намоткой медного обмоточно­го провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рисунок 51, а). В боль­шинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рисунок 51, б). В некоторых конструкциях машин полюсную ка­тушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока (рисунок 50) состоит из вала 10,сердечника 3 с обмоткой и коллектора 7. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штам­пованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Лис­ты покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или пря­моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

1 – станина, 2 – сердечник полюса, 3 – полюсная катушка.

Рисунок 51 – Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) по­люсными катушками

Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, соб­ранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндриче­скую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе. На рисунке 52, а показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами. Ниж­няя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хво­ста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются за­жатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолированными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щет­ками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пласти­нами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рисунок 52, б). Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рисунок 52, а), называе­мая петушком, имеет узкий продольный паз, в который заклады­вают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.

Рисунок 52 – Устройство коллектора с конусными шайбами

В машинах постоянного тока малой мощности часто приме­няют коллекторы на пластмассе,отличающиеся простотой в из­готовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком кол­лекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространст­во между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллек­тора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рисунок 53). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1,что исключит замыкание пла­стин стальными (армирующими) кольцами 3.

Электрический контакт с коллектором осуществляется по­средством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4 (см. рисунок 50).

Щеткодержатель (рисунок 54) состоит из обоймы 4,в которую помещают щетку 3, курка 1,представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержа­тель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тро­сиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сбор­ными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из ос­новных условий бесперебойной работы машины – плотный и на­дежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим – искрение на коллекторе.

Читайте также:  Как магнитный поток связан с силой тока

Рисунок 53 – Устройство коллектора на пластмассе

Рисунок 54 – Щеткодержатель (сдвоенный)

машины постоянного тока

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 (со стороны коллектора) и задний 7 (см. рисунок 50). В центральной части щита имеется рас­точка под подшипник. На переднем подшипниковом щите име­ется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 8 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллектор­ной машины постоянного тока следует, что непременным элемен­том этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел – механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асин­хронной машине) в надежности и имеют более высокую стои­мость.

Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 2722 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник



ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НЕЗАВИСИМОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы.Исследование рабочих свойств генераторов постоянного тока путем снятия опытных характеристик.

Задачи работы:

— изучить схему для экспериментального исследования генератора постоянного тока (в дальнейшем изложения ГПТ), состав и назначение модулей, используемых в работе.

— в лаборатории собрать схему для каждого опыта и провести пробное включение.

— снять внешнюю характеристику ГПТ параллельного возбуждения (с самовозбуждением) UЯ = f (Iя) при регулировочном сопротивлении в цепи возбуждения rРГ = 0.

— снять характеристику короткого хода ГПТ независимо возбуждения UЯ = f (iВ) при IЯ = 0 и n = const.

— снять характеристику короткого замыкания ГПТ независимого возбуждения IЯ = f (iЯ) при UЯ = 0 и n = const.

— снять внешнюю характеристику ГПТ независимого возбуждения UЯ = f (iЯ) при iЯ = const.

— снять регулировочную характеристику ГПТ незаменимого возбуждения iВ = f (iЯ) при UЯ = const.

— обработать результаты экспериментов и составить отчет по работе.

Подготовка к работе:

1. Пройти инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.

2. Ознакомиться с описанием работы.

3. Выполнить практическую часть лабораторной работы: изучить имеющееся оборудование, собрать схему, провести необходимые исследования.

Приборы и принадлежности: модуль питания стенда (МПС), модуль питания (МП), модуль добавочных сопротивления № 1 (МДС1), модуль добавочных сопротивления № 2 (МДС2), силовой модуль (СМ), модуль измерительный (МИ).

Примечание: генератор постоянного тока (М2) входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя асинхронную машину переменного тока (М1), а также импульсный датчик частоты вращения (М3).

Краткие теоретические сведения

Генератор постоянного тока – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Принцип действия генераторов тока

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции – индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Рисунок 1 – В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и

где е1 и е2 – мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

В – магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

l – длина каждой из активных сторон контура в метрах;

v – линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

t – время в секундах;

ωt и ωt + π – углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна е = 2∙Вl∙v∙sinωt, то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Характеристики генератора показывают его рабочие свойства. Они представляют собой зависимости между основными величинами – э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре Iя, ток возбуждения Iв и число оборотов якоря n.

Каждая из характеристик показывает зависимость между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянном числе оборотов якоря, так как при изменении скорости вращения значительно изменяются все характеристики генератора, а нормально большинство генераторов работает при постоянной скорости.

Характеристика холостого хода генератора показывает зависимость между э. д. с. в якоре и током возбуждения Е = f (Iв), снятую при отсутствии нагрузки (Iн = 0) и постоянном числе оборотов (n = соnst).

Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю (Iя = 0). Так как э. д. с., индуктированная в обмотке якоря, равна Е = СnΦ, то при постоянной скорости вращения э. д. с. окажется прямо пропорциональной магнитному потоку. Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет собой магнитную характеристику машины.

Рисунок 2 – Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения: а – при изменении направления тока в обмотке возбуждения,

б – при изменении скорости вращения якоря.

При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Φост, который индуктирует в обмотке якоря э. д. с. Вост (рис. 2, а). Эта э. д. с. составляет несколько процентов (2–5 %) от номинального напряжения машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастает как магнитный поток, так и э. д. с., индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв увеличивается и э. д. с. (кривая 1). Если после снятия восходящей ветви этой зависимости до точки А начать постепенно уменьшать ток возбуждения Iв, то э. д. с. также уменьшится, но под действием остаточного намагничивания стали нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики. Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно определить весь цикл перемагничивания стали машины.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют часто незначительное расхождение и за основную характеристику можно принять среднюю зависимость (кривая 3).

На рис. 2, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различных скоростях вращения якоря генератора.

Кривая 1 соответствует вращению якоря машины с номинальной скоростью nя, указанной в паспорте генератора. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики, что соответствует наиболее удачным рабочим и регулировочным свойствам генератора.

Выбор точки номинального напряжения на линейном ненасыщенном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при изменениях нагрузки, так как незначительные приращения намагничивающей силы вызывают резкие изменения э. д. с. Выбор этой точки на насыщенном пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения э. д. с. требуются очень большие изменения тока возбуждения.
При изменении скорости вращения якоря генератора изменит свое положение характеристика холостого хода, так как э. д. с. пропорциональна скорости. При n′ > nн характеристика холостого хода пойдет выше (кривая 2), а при n

Читайте также:  Является ли источником электрического тока атомная электростанция

Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 1754 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Принцип действия генератора постоянного тока

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinw t; e2 = -Blvsinw t; , где B магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

График тока, выработанного примитивным генератором

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Ротор генератора

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Внешняя характеристика ГПТ

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Читайте также:  Электромагнитное реле 12в для коммутации любого тока 10а

Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Источник

Свойства и характеристики генераторов постоянного тока

Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются:

1) напряжение на зажимах U;

2) ток возбуждения IВ;

3) ток якоря IЯ или ток нагрузки I;

4) частота вращения n.

Обычно генераторы работают при n=const. Поэтому основные характеристики определяются при n=nн=const/

Существует пять основных характеристик генераторов:

1) холостого хода;

2) короткого замыкания;

Наиболее важными являются характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная.

Характеристика холостого хода представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения:

при I=0 и n=const.

и определяет зависимость U или ЭДС якоря от тока возбуждения при холостом ходе (I=0, P2=0).

Регулируя ток возбуждения IВ от 0 до IВ НОМ и от IВ НОМ до 0 при отключенной нагрузке, получают восходящую и нисходящую кривые (рис.8.9). Характеристика снимается экспериментально при отключенном рубильнике.

Несовпадение кривых объясняется явлением гистерезиса в магнитной цепи индуктора. За расчетную характеристику принимают среднюю кривую. Для всех типов генераторов характеристика холостого хода практически одинакова. Она позволяет оценить магнитные свойства машины.

Рис. 8.9 Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения.

Эта кривая состоит из следующих характерных участков:

– ЭДС, индуцируемая в якоре остаточным магнитным потоком, сохранившимся от предыдущего намагничивания машины;

Еа – прямолинейный участок, соответствующий ненасыщенному состоянию машины;

“ав” – средненасыщенный участок или «колено» кривой;

“вс” – участок магнитного насыщения машины.

При нормальных условиях эксплуатации магнитная цепь генератора должна быть в состоянии среднего насыщения, т.е. номинальное значение напряжения UНОМ находится на колене характеристики “ав”. Это условие обеспечивает устойчивую работу генератора.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментально и составляет основу исследования эксплутационных свойств машины.

Внешняя характеристика генератора является зависимостью напряжения генератора U от тока нагрузки:

U = f(I) при IВ = const и n = const

и определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.

В генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения при увеличении нагрузки обусловлено тремя причинами: падением напряжения в обмотке якоря, реакцией якоря и уменьшением тока возбуждения от первых двух причин (IВ=U/RВ).

Поэтому внешняя характеристика генераторов с параллельным возбуждением более крутая по сравнению с характеристиками генераторов независимого и смешанного возбуждения (рис.8.10, кривая 2).

Рис. 8.10. Внешние характеристики генераторов: 1 – с независимым возбуждением; 2 – с параллельным; 3 – с последовательным; 4 – со смешанным включением при согласном включении обмоток; 5 – то же при встречном включении обмоток.

В генераторах со смешанным возбуждением основной является параллельная обмотка, а вспомогательной — последовательная. Соединение последовательной обмотки может быть: согласным, что позволяет получить увеличение магнитного потока при росте тока нагрузки, а, следовательно, стабилизировать напряжение (рис.8.10, кривая 4); встречным, когда магнитные потоки параллельной и последовательной катушек на каждом полюсе направлены навстречу друг другу. При встречном включении обмоток напряжение генератора при нагрузке резко падает (рис.8.10, кривая 5) и одновременно обеспе­чивается постоянство тока. Поэтому такие генераторы, используются для выполнения высококачественной, электродуговой сварки, т. е. когда необходимо получить крутопадающую внешнюю характеристику.

Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

(обычно для генератора независимого возбуждения ΔUном=5-10%, а для генератора параллельного возбуждения ΔUном=10-30%).

Регулировочная характеристика показывает, каким следует поддерживать ток возбуждения Iв при различных нагрузках генератора, чтобы его напряжение было постоянным, т.е.

IB=f(IH) при U=const и n=const

Регулировочные характеристики (рис.8.11.) обратны кривым внешних характеристик генераторов постоянного тока.

С увеличением I ток IВ необходимо несколько увеличивать, чтобы компенсировать влияние падения напряжения IЯRЯ и реакции якоря.

Рис. 8.11. Регулировочные характеристики, генераторов постоянного тока: I — независимого возбуждения; 2 — параллельного; 3 — смешанного

Благодаря обратимости электрических машин генераторный режим машины может быть изменен на .двигательный. Особенно просто такое изменение режима осуществляется в генераторе с параллельным возбуждением, работающем на сеть постоянного тока. Для этого достаточно уменьшить ток возбуждения настолько, чтобы ЭДС якоря стала меньше напряжения сети. Преобладание напряжения сети вызовет изменение направления тока в обмотке якоря IЯ, который в таких условиях будет создаваться разностью напряжения сети и ЭДС якоря, т.е.

Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем машины, будет создавать не тормозной, а вращающий электромагнитный момент.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник