Меню

Лекция генераторы постоянного тока

Лекции / Лекция 31 Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока

Классификация и основные уравнения генераторов. Генера-

торы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или предпочтителен постоянный ток (на предприятиях цветной металлургии при использовании электролиза, железнодорожном, городском и водном транспорте, в авиации и др.). Кроме того, они широко используются в качестве возбудителей синхронных генераторов.

Рис. 4.1. Электрические схемы генераторов постоянного тока с электромагнитным возбуждением: а – независимым; б – параллельным; в – последовательным; г – смешанным; ОДП – обмотка добавочных полюсов; ОВ – обмотка возбуждения; ОВС – обмотка последовательного

Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения, т.е. различают генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Независимое возбуждение может быть электромагнитным или магнитоэлектрическим.

В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, расположенная на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рис. 4.1, а). Ток в цепи возбуждения I в изменяют в широких пределах с помощью регулировочного реостата

R в . Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в

номинальном режиме составляет 1..5 % номинальной мощности генератора. Обычно относительное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.

В генераторах с магнитоэлектрическим возбуждением для создания поля используются постоянные магниты, устанавливаемые на его полюсах. Это генераторы относительно небольшой мощности, основным недостатком которых является трудность регулирования напряжения.

В генераторах с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от обмотки якоря. В зависимости от схемы включения этих обмоток различают генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

В схеме генератора параллельного возбуждения, показанной на

рис. 4.1, б, ток возбуждения I в изменяется с помощью регулировочно-

го реостата R в .

В генераторах последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с обмоткой якоря и ее ток возбуждения равен току якоря и току нагрузки: I в I а I (рис. 4.1, в). Гене-

раторы последовательного возбуждения имеют крайне ограниченное применение и далее рассматриваться не будут.

В генераторах со смешанных возбуждением (рис. 4.1, г) на полюсах размещаются две обмотки возбуждения. Одна из этих обмоток, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с обмоткой якоря, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения – последовательно с ней. При этом параллельная и последовательная обмотки могут включаться как согласно, так и встречно, в зависимости от чего различают генераторы смешанного согласного возбуждения и генераторы смешанного встречного возбуждения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой.

Маркировка обмоток машин постоянного тока в соответствии с ГОСТ 26772–85 приведена в табл. 4.1 (в скобках указана маркировка этих обмоток в соответствии с ГОСТ 183–74**).

Маркировка обмоток машин постоянного тока

Обмотка дополнительных полюсов

Последовательная обмотка возбуждения

Параллельная обмотка возбуждения

Независимая обмотка возбуждения

Рассмотрим основные уравнения генераторов.

1. Уравнение равновесия напряжений для цепи якоря генератора имеет вид

U E I a r a U щ

где U и E – напряжение и ЭДС генератора; I a – ток якоря;

суммарное сопротивление всех обмоток, обтекаемых током

U щ – падение напряжения в щеточном контакте (на пару щеток).

Падение напряжения в цепи якоря складывается из падения напряжения в обмотках I a r a и падения напряжения в щеточном кон-

такте U щ . В общем случае

r a r a r д r c r к ,

где r a , r д , r c , r к – сопротивления обмотки якоря, дополнительных по-

люсов, последовательной (сериесной) и компенсационной соответственно.

Для приближенных расчетов уравнение (4.1) можно упростить за счет пренебрежения падением напряжения в щеточном контакте U щ 1,7..3 В, что весьма мало по сравнению с напряжением генера-

торов общепромышленного применения, составляющим 115..460 В. Тогда это уравнение будет иметь вид

При упрощенном учете переходного сопротивления щеточного контакта принимают r щ U щ / I ном сonst , и тогда можно записать

где R a r a r щ .

2. Уравнение равновесия напряжений для цепи с обмоткой независимого возбуждения имеет вид

Здесь r в r в R в , где r в – сопротивление обмотки возбужде-

ния; R в – сопротивление регулировочного реостата.

Для генераторов параллельного и смешанного возбуждения справедливо уравнение

3. Уравнение баланса токов для генераторов параллельного и смешанного возбуждения имеет вид

Условия самовозбуждения генераторов с параллельным и смешанным возбуждением . В генераторах параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от обмотки якоря (см. рис. 4.1, б), поэтому при вращении ротора ЭДС в обмотке якоря наводиться не будет. Для появления ЭДС необходимо наличие остаточного магнитного потока ост в машине, для чего она хотя бы один раз должна

быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения от постороннего источника.

Процесс самовозбуждения генератора протекает следующим образом. Остаточный магнитный поток наводит в обмотке вращающего-

ся якоря остаточную ЭДС E ост , которая составляет 1..3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря, то E ост создает в ней небольшой ток возбуждения,

который, в свою очередь, создает начальный поток возбуждения. В зависимости от направления этого потока возможны два варианта развития процесса самовозбуждения.

Поток возбуждения направлен встречно остаточному потоку; результирующий поток уменьшается, и машина не возбуждается. В этом случае надо поменять местами выводы обмотки параллельного возбуждения.

Поток возбуждения направлен согласно с остаточным потоком. При этом результирующий поток увеличивается, что приводит к увеличению ЭДС. Увеличение ЭДС вызывает увеличение тока возбуждения, результирующего потока и т.д.

Процесс нарастания тока возбуждения при холостом ходе машины ( I 0) описывается дифференциальным уравнением

где L в – индуктивность обмотки возбуждения.

Падение напряжения в цепи якоря от тока i в

этому в уравнении (4.6) напряжение возбуждения принято равным ЭДС обмотки якоря. Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения. Тогда

На рис. 4.2 показаны зависимости

при n const . Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1), а вторая – характеристикой цепи возбуждения

Рис. 4.2 Характеристики холо-

Рис. 4.3 Характеристики холостого

стого хода (I) ицепи возбуждения

хода (1–3)и цепи возбуждения (4)

(2–4) при постоянной частоте

при переменной частоте вращения

Если принять, что r в const , то характеристика цепи возбуждения будет представлять собой прямую линию 2, идущую под углом

к оси абсцисс, причем tg E / I в r в .Точка пересечения A

характеристик 1 и 2 отвечает равенствам (4.7), а соответствующая этой точке ЭДС обмотки якоря устанавливается при данном сопротивлении

цепи возбуждения. r в . При изменении сопротивления цепи возбу-

ждения будет изменяться ЭДС обмотки якоря. Если увеличивать со-

противление r в , то угол наклона характеристики цепи возбуж-

дения будет возрастать, а точка А будет перемещаться влево.

При некотором критическом сопротивлении цепи возбуждения

r в.кр прямая 3, определяемая произведением, I в r в.кр , совпадает с

прямолинейной частью характеристики холостого хода. Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При

дальнейшем увеличении сопротивления r в самовозбуждение про-

исходить не будет, так как прямая 4, соответствующая I в r в f I в

этом случае не пересекает характеристику холостого хода.

Если генератор работает с переменной частотой вращения, то каждому значению n будет соответствовать своя характеристика хо-

лостого хода 1–3 на рис. 4.3, так как ЭДС E пропорциональна n . Следовательно, для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления r в.кр , а для каждого сопротивления

r в.кр – своя критическая частота вращения n кр , ниже которой не-

возможно самовозбуждение генератора (кривая 2).

Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих условий:

— в машине должен существовать остаточный магнитный поток;

— поток возбуждения должен быть направлен согласно с остаточным потоком;

— сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического или частота вращения якоря должна быть больше критической.

Характеристики генераторов . Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристики холостого хода, нагрузочная, внешняя и регулировочная.

Все указанные характеристики генераторов определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря и могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем. Так как конструктивно машина постоянного тока является обращенной синхронной машиной, характеристика холостого хода генератора постоянного тока

E f I в идентична характеристике холостого хода синхронного ге-

нератора и здесь рассматриваться не будет.

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения генератора постоянного тока от тока возбуждения U f ( I в ) при неизменном токе якоря I a const . Практическое зна-

чение этой характеристики заключается в возможности определения по ней размагничивающего действия реакции якоря и зависимости реакции якоря от насыщения магнитной цепи и тока якоря.

Как и для синхронных генераторов, нагрузочную характеристику генератора постоянного тока удобнее строить совместно с характеристикой холостого хода, поскольку последнюю можно рассматривать как частный случай первой (при I a 0).

Читайте также:  Как отбросить ударом тока

Нагрузочная характеристика 2 (рис. 4.4) генератора с независимым возбуждением расположена ниже характеристики холостого хода 1 вследствие падения напряжения в цепи якоря, согласно уравнению (4.2), и размагничивающего действия поперечной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

Рис. 4.4. Характеристика холостого

Рис. 4.5. Внешние характеристики

и нагрузочная характери-

генераторов постоянного тока с

генератора с независимым

независимым (1), параллельным(2),

смешанным согласным (3) и сме-

шанным встречным (4) возбужде-

Нагрузочная характеристика генератора с параллельным возбуждением из-за малости тока возбуждения по сравнению с током якоря I a I практически не отличается от характеристики генератора с

независимым возбуждением. Нагрузочная характеристика генератора со смешанным согласным возбуждением может располагаться как выше характеристики холостого хода (при сильной последовательной обмотке возбуждения, МДС которой компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря), так и ниже нее (при слабой последовательной обмотке возбуждения).

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения генератора постоянного тока от тока нагрузки U f ( I )

при постоянном токе возбуждения I в const (для генератора с независимым возбуждением) или постоянном сопротивлении цепи обмотки возбуждения r в const (для генераторов с самовозбуждением).

Как и в синхронных машинах, внешнюю характеристику машины постоянного тока можно снимать и при увеличении нагрузки, и при ее уменьшении. Рассмотрим внешнюю характеристику при уменьшении нагрузки. Исходной в этом случае является точка характеристики, в которой номинальному току нагрузки I ном соответствует номиналь-

ное напряжение U ном (рис. 4.5). Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке внешней характеристики, называется номинальным током возбуждения I вном .

В процессе снятия внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1) ток I вном поддерживается постоян-

ным. Начиная от исходной точки, ток нагрузки I постепенно уменьшают до нуля. Напряжение генератора при этом в соответствии с уравнением (4.2) увеличивается, так как уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе в этом случае U U 0 . По внешней характеристике определяют изменение напряжения

U U 0 U ном / U ном .

Обычно изменение напряжения выражают в процентах. В генераторах с независимым возбуждением U 10..15 % а ток короткого замыкания I к составляет 5..10 I ном , увеличиваясь с ростом мощности.

Рис. 4.6. Внешняя характеристика

Рис. 4.7. Регулировочные характе-

генератора постоянноготока с па-

ристики генератора постоянного

тока с независимым (1), параллель-

ным (2), смешанным согласным (3)

и смешанным встречным (4) возбу-

Внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуж-

дением (кривая 2) снимают при условии, что r в const . С умень-

шением тока нагрузки I напряжение U возрастает более сильно, чем в генераторах с независимым возбуждением, так как с ростом напряжения увеличиваются ток возбуждения I в и ЭДС обмотки якоря, чего

не происходит в случае независимого возбуждения.

Интересно рассмотреть и часть внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением при токах нагрузки больше номинального. С уменьшением сопротивления нагрузки ток I сначала увеличивается до определенного значения (1,5..2,5) I ном , называемого

критическим (рис. 4.6), а затем начинает уменьшаться. Такой вид внешней характеристики объясняется тем, что при уменьшении напряжения уменьшается и ток возбуждения. Причем сначала этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает сильного снижения магнитного потока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения начинает соответствовать линейной (ненасыщенной) части характеристики холостого хода, размагничивание происходит более интенсивно. При коротком замыкании ( U 0 ) машина будет практически размагничена и установившийся ток короткого замыкания I к будет определяться только остаточной ЭДС. Как следует из уравнения (4.2),

Вследствие малости остаточной ЭДС установившийся ток I к в

большинстве случаев невелик и не превышает номинального значения. Однако в переходном процессе внезапного короткого замыкания из-за медленного уменьшения магнитного потока (и ЭДС обмотки якоря) ток короткого замыкания может превысить номинальное значение в несколько раз, что вызовет сильное искрение щеток, а в некоторых случаях и появление кругового огня. Следовательно, все генераторы должны быть снабжены предохранителями или быстродействующими выключателями, отключающими короткое замыкание до того момента, как ток якоря достигнет больших значений. Изменение напряжения U в генераторах с параллельным возбуждением составляет 15..20 %.

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения наибольшая доля МДС возбуждения создается параллельной обмоткой, а последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы несколько перекомпенсировать размагничивающее действие реакции якоря. В этом случае последовательная обмотка не только компенсирует размагничивающую составляющую реакции

Источник



Лекция №15 Генераторы постоянного тока

Цель лекции:

— ознакомить студентов:

— с областью применения генераторов постоянного тока;

— с генераторами различного возбуждения.

Содержание лекции:

— область применения генераторов постоянного тока;

— генератор независимого возбуждения;

— генератор параллельного возбуждения;

— генератор последовательного возбуждения;

— генератор смешанного возбуждения.

В тех случаях, когда по условиям производства необходим или предпочтителен большой ток (предприятия химической и металлургической промышленности, транспорт и др.), его получают, преобразуя переменный ток в постоянный с помощью преобразователей, в качестве которых широко применяют установки двигатель-генератор. В качестве источника энергии генераторы постоянного тока работают, главным образом, в изолированных установках (как возбудители синхронных машин), на автомашинах, самолетах, при сварке дугой, для освещения поездов, на кораблях и др.

Характеристики генератора постоянного тока. Свойства генераторов анализируют с помощью характеристик, устанавливающих зависимость между основными величинами, определяющими работу генератора: э.д.с. Е, напряжение на зажимах генератора U, ток возбуждения IВ, ток в якоре IЯ и частота вращения п. Так как генераторы чаще всего работают с постоянной частотой вращения, то основную группу характеристик снимают при неизменной частоте вращения (n=const). Напряжение U имеет наибольшее значение, поскольку оно определяет свойства генератора в отношении той сети, на которую он работает. Поэтому основными характеристиками являются:

а) нагрузочная U=f(IВ) при IЯ–const. В частном случае, когда IЯ=0, нагрузочная характеристика переходит в характеристику х.х., имеющую важное значение для оценки генератора и построения других характеристик;

б) внешняя U=f(IЯ) при RВ=соnst;

в) регулировочная IВ=f(I) при U=const. В частном случае, когда U=0, регулировочная характеристика переходит в характеристику к.з. IК=f(IВ). Режим работы электрической машины при условиях, для которых она предназначена, называют номинальным режимом работы. Номинальный режим работы характеризуется величинами, обозначенными на заводском щитке машины как номинальные: напряжение, мощность, ток, частота вращения.

Рисунок 15.1 – Схема работы генератора

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток iЯ=IЯ/(2a), в результате взаимодействия которого с основным магнитным полем машины на каждый проводник обмотки якоря действует сила

где BСР – среднее значение магнитной индукции в зазоре;

l – длина якоря.

Величина электромагнитного момента (Н·м).

где N – число активных проводников обмотки якоря.

Имея в виду, что iЯ=IЯ/(2a); πD=2рτ; и магнитный поток возбуждения Ф=ВСР, получим M=BСРl(IЯ/2a)·(2рτ/2π); N=рNIЯФ/(2πа), или

где СМ=рN/(2πа) – величина, постоянная для данной машины.

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

Источник

Электротехника

вторник, 22 июня 2010 г.

ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

ЛЕКЦИЯ 33. ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Важнейший классификационный признак генераторов – это способ получения магнитного поля. В зависимости от этого различают:

  • генераторы с независимым возбуждением;
  • генераторы с самовозбуждением.

В генераторах с независимым возбуждением обмотку возбуждения (ОВ) запитывают от отдельного источника, например, от аккумуляторной батареи. Для питания ОВ требуется мощность на несколько порядков меньше мощности генератора, т.е. ток в ОВ мал.

Генераторы с самовозбуждением встречаются гораздо чаще, и они подразделяются на два типа:

  • генераторы с параллельным возбуждением (рис. 1) – ОВ включается параллельно обмотке якоря;
  • генераторы со смешанным возбуждением (рис.2) – одна ОВ включается параллельно обмотке якоря, а другая – последовательно с ней.

Название определяется тем, как включается обмотка возбуждения:

Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока: рассмотрим его на примере ГПТ с параллельным возбуждением.

Как следует из первого правила Кирхгофа: I Я = I Н + I В , где I Я – ток обмотки якоря;

I Н – ток нагрузочного сопротивления;

I В – ток обмотки возбуждения.

При изготовлении генератора его полюса намагничивают. Для чего на стадии изготовления через обмотку якоря (ОЯ) пропускают ток от какого-либо постороннего источника, например, от аккумуляторной батареи.

Следовательно, в исходном состоянии система генератора обладает какой-то остаточной намагниченностью, т.е. в пространстве между полюсами, где помещен якорь, будет иметь место некоторый магнитный поток, называемый остаточным (ФОСТ). Этот магнитный поток небольшой, т.к. он связан именно с остаточным намагничиванием.

Читайте также:  Действующее значение амплитуды синусоидального тока

Если теперь якорь начать вращать, то под действием ФОСТ в обмотке якоря будет наводиться ЭДС, называемая остаточной ( e ОСТ ). Эта величина также небольшая, т.к. она прямо пропорциональна среднему значению магнитного потока, а он невелик.

Как только в обмотке якоря возникнет e ОСТ , то в ОВ, включенной параллельно якорю, сразу же появится ток возбуждения ( I В ); величина этого тока сначала также будет небольшой, т.к. ЭДС невелика.

Но за счет этого тока будет возникать дополнительный магнитный поток, и если ток течет в нужном направлении, то дополнительный магнитный поток будет совпадать по направлению с ФОСТ, а значит, магнитный поток в системе будет увеличиваться. Но усиление магнитного потока вызовет усиление ЭДС, что в свою очередь вызовет дальнейшее увеличение тока в ОВ, что, в свою очередь, приведет к дальнейшему увеличению магнитного потока и т.д.

Однако этот процесс не бесконечный, прекращение его будет связано с тем, что в определенный момент очередное усиление тока возбуждения не приведет к усилению магнитного потока, т.е магнитная система войдет в состояние насыщения.

Таким образом, условия самовозбуждения генератора можно сформулировать так:

1. наличие остаточного намагничивания (если генератор после изготовления пролежал несколько лет на складе, то он, с гарантией, размагнитился, и ФОСТ в нем будет равен нулю. В этом случае необходимо произвести намагничивание, подключив ОВ к какому-нибудь внешнему источнику);

2. создаваемый током возбуждения магнитный поток должен совпадать по направлению с отсаточным магнитным потоком, иначе будет происходить не усиление магнитного потока, а ослабление, т.е. система выйдет из состояния насыщения. Это достигается реализацией смены полярности подключения ОВ к якорю;

3. сопротивление ОВ не должно превышать некоторого критического значения, иначе генератор не заработает (нельзя при намотке генератора использовать тонкий провод из-за его большого сопротивления).

Характеристики генераторов постоянного тока:

Рассмотрим характеристики генераторов с параллельным возбуждением. Основных характеристки три:

1. характеристика холостого хода: это зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения. При токе возбуждения, равном нулю, существует некоторая ЭДС остаточная ( e ОСТ ), вызванная наличием остаточного магнитного потока (ФОСТ). С ростом тока магнитный поток увеличивается, соответственно будет увеличиваться и ЭДС.

При достаточно больших токах магнитная система войдет в состояние насыщения, а Þ прекратится рост ЭДС.

Раздвоение кривой связано с тем, что при уменьшении тока изменились начальные условия, т.е., когда мы снимаем зависимость в прямом направлении, в сторону увеличения, мы производим дополнительное намагничивание магнитной системы, и остаточный магнитный поток становится другим, а именно, больше, чем был. Соответственно, при уменьшении тока кривая пойдет выше.

2. внешняя характеристика генератора: она отражает зависисмость напряжения генератора от тока якоря (или тока нагрузки) при постоянной частоте вращения.

Участок ab кривой соответствует состоянию магнитного насыщения (Ф = const ), а это значит, что постоянной будет и ЭДС.

На участке bc ЭДС уже не будет постоянной. Этому участку соответствуют большие значения тока якоря.

Это приводит к тому, что заметную роль начинает играть явление реакции якоря, которое заключается в ослаблении магнитного поля системы в результате действия собственного поля якоря, которое будет тем больше, чем больше ток якоря.

Начиная с точки с, даже небольшое уменьшение тока возбуждения приведет к значительному уменьшению магнитного потока. Поэтому на участке cd процесс уменьшения напряжения на выходе генератора начинает развиваться лавинообразно. Все процессы заканчиваются полным размагничиванием магнитной системы генератора.

3. регулировочная характеристика: показывает, как необходимо изменять ток возбуждения при увеличении тока нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным.

Для поддержания постоянного напряжения при увеличении падения напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря необходимо обеспечивать соответствующий рост ЭДС генератора.

Обеспечение возрастания ЭДС возможно лишь путем влияния на магнитный поток увеличением тока возбуждения.

Наряду с генераторами с параллельным возбуждением, широкое применение имеют генераторы со смешанным возбуждением. В этих генераторах наряду с параллельной обмоткой возбуждения дополнительно последовательно включается еще одна ОВ. Ее использование позволяет осуществить частичную компенсацию магнитного потока, создаваемого параллельной ОВ.

Т.к. через последовательную ОВ протекает практически весь ток, который течет через ОЯ, то с увеличением тока якоря, когда происходит постепенное уменьшение тока возбуждения, приводящее к уменьшению магнитного потока, дополнительный магнитный поток, создаваемый второй ОВ будет увеличиваться, т.к. ток якоря увеличивается, и это позволяет сохранить ЭДС постоянной в более широком диапазоне тока.

За счет применения второй ОВ в генераторах со смешанным возбуждением рабочий участок внешней характеристики при согласном включении обмоток охватывает гораздо больший диапазон токов.

В итоге сравнительный график двух зависимостей напряжения от тока нагрузки для генераторов с параллельным и смешанным возбуждением при согласном включении выглядит следующим образом:

1 – генератор с параллельным возбуждением;

2 – генератор со смешанным возбуждением.

Если же обмотки включаются встречно, что достигается сменой полярности обмотки якоря или одной из обмоток возбуждения, то наблюдается более резкое снижение напряжения на выходе генератора и зависимость приобретает вид:

Такой режим может находить полезное применение, например, при работе генератора на сварочном аппарате, когда при возникновении дуги происходит резкое снижение напряжения. Достоинство такого режима заключается в том, что подобное включение обмоток не дает развиваться чрезмерно большому току.

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.

Читайте также:  Неотложная помощь при поражении электрическим током включает

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.

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