Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генераторы постоянного тока

1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения

В зависимости от способа создания магнитного поля различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением

Для питания обмотки возбуждения генератора с независимым возбуждением используют внешний источник постоянного тока. Напряжение возбуждения может быть отличным от напряжения на зажимах генератора U.

Однако на первый взгляд покажется странным то, что обмотка возбуждения генератора, который сам является источником постоянного тока, получает питание от другого независимого источника постоянного тока. В ряде случаев это необходимо, но чаще всего обмотка возбуждения получает питание от самого генератора. Другими словами чаще всего используют генераторы с самовозбуждением.

Генераторы с самовозбуждением по способу включения обмоток возбуждения делятся на генераторы с параллельным возбуждением , генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением .

У генератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена на зажимы якоря и питается частью тока якоря. , где ток якоря генератора, I  ток на выходе генератора, ток обмотки возбуждения генератора. Для изменения тока возбуждения генератора с параллельным возбуждением необходимо включить дополнительный резистор последовательно с обмоткой. У генератора с последовательным возбуждением ток якоря является током обмотки возбуждения . Таким образом, ток возбуждения генератора с последовательным возбуждением зависит от нагрузки. Регулирование тока возбуждения в этом случае усложняется, и оно возможно лишь путем изменения сопротивления резистора, включенного параллельно обмотке возбуждения.

У генераторов со смешанным возбуждением обмотки могут быть включены согласно или встречно. Согласным называют такое включение обмоток, когда магнитные потоки, создаваемые обмотками, складываются. В противном случае включение называют встречным. Тот или другой способ включения обмоток используют в зависимости от требований, предъявляемых к генератору. Если требуется неизменность напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки в широких пределах, используется согласное включение. В сварочных установках, где значительное изменение сопротивления дуги не должно приводить к значительному изменению тока, используют встречное включение обмоток возбуждения.

генератор энергетический ток электрический

2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока

Генератор постоянного тока, являясь устройством преобразования механической энергии в электрическую, получает механическую энергию от приводного механизма. Кроме этого, если рассматривается генератор с независимым возбуждением, на нагревание обмоток возбуждения проходящим по ней током затрачивается дополнительная энергия источника питания этой обмотки. Магнитное поле генератора с самовозбуждением создается за счет электрической энергии самого генератора, поэтому потери в омическом сопротивлении обмоток или обмоток возбуждения являются составной частью потребляемой механической энергии.

В генераторах постоянного тока, как и в других машинах постоянного тока, кроме потерь мощности в обмотках возбуждения, различают следующие виды потерь: механические потери мощности, потери на перемагничивание и вихревые токи магнитопровода якоря, потери мощности в обмотках якоря.

Механические потери обусловлены трением в подшипниках, трением щеток о поверхность коллектора, трением якоря о воздух и механические потери вентилятора. Преобладающими являются потери на трение в подшипниках и трение щеток о коллектор. Как правило, можно считать, что механические потери являются постоянными и не зависящими от частоты вращения якоря.

Потери мощности на перемагничивание и на вихревые токи тоже являются постоянными и не зависящими от нагрузки. Физическая основа этих потерь традиционна. Потери мощности на перемагничивание стали связаны с магнитными характеристиками стали якоря. Кривая намагничивания стали неоднозначна или, как говорят, представляет собой гистерезисный цикл. Принято считать, что мощность потерь на перемагничивание магнитопровода ротора пропорциональна площади петли гистерезиса материала.

Потери на вихревые токи связаны с изменением магнитного поля в магнитопроводе якоря. Сталь, являясь проводником, имеет свободные электрические заряды, которые, находясь в переменном магнитном поле вращающегося якоря, начинают перемещаться по вихревому закону. Но, как уже известно, всякое перемещение зарядов в проводнике связано с потерями электрической энергии. Для уменьшения такого вида потерь используют магнитные материалы с повышенным удельным сопротивлением, с одной стороны. С другой стороны, для сокращения такого рода потерь магнитопровод якоря изготавливают из пакетов изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Механические потери и потери в стали называют постоянными потерями, так как они практически не зависят от нагрузки.

Треть из основных видов потерь потери в цепи якоря, пропорциональные квадрату тока якоря. Эти потери определяются потерями в сопротивлении проводников обмотки якоря, сопротивлении перехода щетки - коллектор и сопротивлении самих щеток. Обычно измеряют электрическое сопротивление цепи якоря, по величине которого и судят о потерях. Этот вид потерь зависит от нагрузки, поэтому их относят к переменным потерям.

В соответствии с приведенными пояснениями в общем случае следует рассматривать три варианта энергетической диаграммы в зависимости от типа генераторов.

В качестве источника механической энергии используется электрический двигатель Д, позволяющий поддерживать неизменной частоту вращения якоря генератора Г при изменении нагрузки в широких пределах. Обмотка возбуждения генератора получает питание от источника постоянного тока напряжением, равным U_в. Для изменения тока возбуждения последовательно с обмоткой ОВ включен реостат . Ток обмотки возбуждения контролируется амперметром . На зажимы якоря генератора подключен нагрузочный реостат . Напряжение и ток генератора измеряются с помощью вольтметра и амперметра .

Характеристика холостого хода

Характеристикой холостого хода называют зависимость электродвижущей силы генератора от тока возбуждения при неизменной скорости вращения якоря, равной номинальной, и токе нагрузки, равном нулю. при и . Для получения характеристики холостого хода нагрузочный реостат отключают.

В дальнейшем будем предполагать, что щетки относительно коллектора находятся в обычном рабочем положении. Поскольку по обмотке якоря генератора протекает ток , напряжение на его зажимах уменьшится на величину падения напряжения на сопротивлении цепи якоря . Кроме этого, напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за уменьшения магнитного потока, обусловленного размагничивающим действием реакции якоря. При одном и том же токе возбуждения магнитный поток генератора, работающего в режиме холостого хода, больше, чем магнитный поток нагруженной машины. ЭДС нагруженного генератора пропорциональна отрезку CD на рис. 4.5. Поэтому нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики холостого хода.

Если при определенном токе возбуждения к величине напряжения прибавить падение напряжения , то получим другую характеристику, определяющую зависимость ЭДС нагруженного генератора от тока возбуждения . Эта характеристика проходит ниже характеристики холостого хода. Так как ЭДС в любом случае пропорциональна магнитному потоку, то можно сделать заключение о том, что ЭДС нагруженного генератора уменьшается из-за уменьшения суммарного магнитного потока машины. Чтобы величина ЭДС ненагруженного генератора была бы такой, как у нагруженного, необходимо уменьшить величину тока возбуждения на величину .

Приведенные рассуждения позволяют построить так называемый характеристический треугольник ABC, т.е. треугольник, один катет которого BC пропорционален падению напряжения на элементах якорной цепи, а второй AC пропорционален приращению тока возбуждения, необходимому для компенсации реакции якоря нагруженного генератора.

Для определения катета ВС необходимо измерить сопротивление якорной цепи R одним из известных способов и умножить полученное значение на значение номинального тока генератора. Умножив падение на масштаб напряжения, получим длину катета ВС.

Приращение тока возбуждения , пропорциональное отрезку ED, может быть получено экспериментально. Вычисляют ЭДС нагруженного генератора, пропорциональную BD ,

Внешняя характеристика

Внешней характеристикой называют зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной номинальной частоте вращения якоря. при и . Внешняя характеристика показывает изменение напряжения на выходе генератора при изменении тока нагрузки.

Для построения внешней характеристики необходимо иметь характеристику холостого хода, номинальные напряжение и ток генератора, номинальный ток возбуждения и сопротивление цепи якоря при номинальном токе. Для построения внешней характеристики на оси тока возбуждения характеристики холостого хода откладывается отрезок OD, пропорциональный номинальному току возбуждения . Восстановим перпендикуляр в этой точке до пересечения с характеристикой холостого хода в точке . Отрезок пропорционален напряжению холостого хода генератора . Переносим полученную точку на ось выходных напряжений правой системы координат. На прямой откладываем отрезок , пропорциональный номинальному напряжению. От точки откладываем отрезок, пропорциональный падению напряжения на сопротивлении цепи якоря . Затем проводим горизонтальную линию до пересечения с характеристикой холостого хода в точке . Соединив с , мы получим характеристический треугольник, длины сторон которого пропорциональны току якоря. Отложив на оси токов якоря правой системы координат отрезок пропорциональный току, восстановим перпендикуляр к горизонтальной оси. Отложим на перпендикуляре отрезок, равный . Мы получили вторую точку внешней характеристики. Промежуточные точки внешней характеристики получают на основании предположения, что длины сторон характеристического треугольника пропорциональны току якоря. Определим напряжение на зажимах генератора при токе якоря, равном половине номинального тока. Разделив сторону пополам и проведя из полученной точки перпендикуляр до пересечения с характеристикой холостого хода и до пересечения с осью токов возбуждения, получим значение тока возбуждения и точку . Из полученной точки проводим прямую параллельно прямой до пересечения с прямой . Отрезок пропорционален напряжению на выходе генератора при токе нагрузки, равном половине номинального тока якоря. Мы получили промежуточную точку внешней характеристики генератора. Аналогично находятся другие промежуточные точки внешней характеристики.

Проекция на вертикальную ось даст точку, соответствующую ЭДС ненагруженного генератора. Номинальному току соответствует номинальное напряжение при номинальном токе возбуждения. Таким образом, характеристика получается изменением сторон треугольника пропорционально току якоря.

Регулировочная характеристика

Под регулировочной характеристикой понимают зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном номинальном напряжении на зажимах генератора и неизменной номинальной частоте вращения якоря.

Регулировочная характеристика может быть построена по характеристике холостого хода с помощью характеристического треугольника . Перед построением можно найти две точки характеристики. Первая точка определяется номинальным режимом работы генератора. Номинальному напряжению генератора при номинальном токе нагрузки соответствует номинальный ток возбуждения . Вторая же точка является точкой характеристики холостого хода, которая соответствует номинальному напряжению и соответствующему току возбуждения при токе нагрузки, равном нулю .

Используя такой же способ, как и при построении внешней характеристики, следует построить треугольники для различных значений тока . Точка находится всегда на характеристике холостого хода, а точка , определяющая напряжение на зажимах генератора, всегда находится на линии . Расстояние между точками и осью ординат выражают значением токов возбуждения для различных значений токов нагрузки. Следует отметить то, что реальная регулировочная характеристика дает большие значения токов . Это не объясняется прямой пропорциональной зависимостью между током нагрузки и размагничивающим действием реакций якоря.

Характеристика полного падения напряжения

Реакция якоря электрической машины, как указывалось ранее, зависит от выбора рабочей точки на кривой намагничивания, т.е. от степени насыщения магнитопровода, поэтому особый интерес вызывает рассмотрение кривой реакции якоря . Характеристика показывает, каким образом изменение ЭДС генератора зависит от тока якоря. Очевидным является то, что при большем токе возбуждения уменьшение напряжения больше, так как насыщение магнитной цепи больше и увеличение тока якоря вызывает дополнительное насыщение.

Если генератор используется для зарядки аккумуляторов, то рабочая точка находится с учетом характеристики аккумулятора, работающего в режиме потребления. Это характеристика выражается уравнением

генератор энергетический ток электрический

,

где   напряжение на зажимах приемника ;

  ЭДС приемника или напряжение на его зажимах при токе, равном нулю;

  внутреннее сопротивление приемника .

Если теперь обмотку возбуждения подключить к зажимам якорной цепи и заставить вращаться якорь генератора с номинальной частотой, то на его зажимах появится слабое напряжение, обусловленное остаточным магнитным потоком. Так как обмотка возбуждения подключена к зажимам якорной цепи, в ней появится ток, создавая небольшую намагничивающую силу. Последняя создает свою составляющую магнитного потока.

Поток обмотки возбуждения при этом может совпадать, а может и не совпадать с остаточным магнитным потоком. Если магнитный поток обмотки возбуждения не совпадает по направлению с остаточным магнитным потоком, то он будет ослаблять остаточный магнитный поток машины.

Самовозбуждение генератора может иметь место тогда, когда магнитный поток обмотки возбуждения совпадает с остаточным магнитным потоком по направлению. Одним словом, поток обмотки возбуждения должен усиливать остаточный магнитный поток.

В результате увеличившийся поток приведет к увеличению электродвижущей силы машины , что в свою очередь вызовет увеличение тока возбуждения. Процесс самовозбуждения машины будет проходить лавинообразно.

Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением представлена на рис. 4.15. При токе возбуждения, равном нулю, напряжение на зажимах генератора равно из-за существования остаточного магнитного потока. При увеличении тока возбуждения напряжение на зажимах генератора увеличивается. При определенной силе тока возбуждения начинает проявляться насыщение магнитопровода машины. Дальнейшее увеличение тока возбуждения не приводит к значительному увеличению магнитного потока. При уменьшении тока возбуждения ЭДС на зажимах генератора уменьшается до остаточного напряжения.

Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением неоднозначна. В этом случае говорят, что перемагничивание магнитопровода генератора происходит по частному циклу перемагничивания.

Следует констатировать тот факт, что без применения дополнительных мероприятий изменить полярность напряжения на выходе генератора с параллельным возбуждением невозможно.

Для построения других характеристик генератора обычно используется усредненная характеристика холостого хода.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика генератора с параллельным возбуждением практически совпадает с такой же характеристикой генератора с независимым возбуждением, так как увеличение тока якоря на величину тока возбуждения практически не оказывает влияние на напряжение на зажимах нагруженного генератора.

Внешняя и регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением

Внешней характеристикой генератора называют зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки при неизменной частоте вращения якоря и при неизменной величине сопротивления цепи возбуждения.

Внешняя характеристика показывает влияние изменения тока нагрузки на напряжение без регулирования тока возбуждения. Напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за реакции якоря, падения напряжения на сопротивлении цепи якоря и уменьшения тока возбуждения. Последний уменьшается из-за того, что цепь возбуждения получает питание от самого генератора, а напряжение на его зажимах уменьшается по первым двум причинам .

Схема включения генератора с последовательным возбуждением изображена на рис. 4.17. Особенностью такого генератора является то, что обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Количество витков и сечение провода обмотки возбуждения рассчитаны на прохождение номинального тока генератора, так как .

Изменение тока возбуждения генератора можно осуществлять с помощью регулировочного реостата, включенного параллельно с обмоткой возбуждения .

В этом случае ток обмотки возбуждения может быть получен из формулы

;

обозначив ,

имеем .

Рабочую точку машины с последовательным возбуждением получают таким же образом, как это показано для генератора с параллельным возбуждением.

3. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением

Генераторы со смешанным возбуждением имеют две обмотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, при этом одна из них включается последовательно с якорной обмоткой, а другая предназначена для параллельного включения. Параллельная обмотка может быть включена двояко в соответствии со схемой, изображенной на рис. 4.20.

Первое соединение, когда параллельная или шунтовая обмотка включена непосредственно на щетки, называется коротким включением , а соединение, представленное на рис. 4.20, б, когда параллельная обмотка подключена к выходным зажимам, носит название длинного включения.

Необходимо сказать, что сторона соответствует алгебраической сумме намагничивающей силы последовательной обмотки и эквивалентной намагничивающей силы реакции якоря в масштабе тока возбуждения. Если влияние последовательной обмотки возбуждения сильное, характеристический треугольник может быть построен так, как показано на рис. 4.21 положение треугольника . При слабом влиянии последовательной обмотки и при встречном включении обмоток возбуждения характеристический треугольник будет расположен правее характеристики холостого хода .

Измеряя стороны треугольника пропорционально току и заставив скользить точку по характеристике холостого хода при параллельном перемещении треугольника, мы получим серию нагрузочных характеристик генератора.

Для поддержания напряжения на зажимах потребителя при изменении тока нагрузки, необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлении якорной цепи, сопротивлении последовательной обмотки возбуждения и сопротивлении линейных проводов. Кроме этого, необходимо компенсировать уменьшение напряжения, обусловленное реакцией якоря. Так как падение напряжения почти прямопропорционально току нагрузки, то для такой компенсации используют последовательную обмотку, обтекаемую током якоря и включенную так, что ее магнитный поток усиливает магнитный поток параллельной обмотки возбуждения.

По характеристике холостого хода с помощью характеристического треугольника можно построить внешнюю характеристику.

Для определения параметров сторон характеристического треугольника необходимо провести следующие испытания. С помощью омметра или путем использования метода амперметра - вольтметра измеряют сопротивление цепи якоря с учетом сопротивления последовательной обмотки возбуждения. Умножив полученное сопротивление на номинальное значение тока нагрузки, получают падение напряжения, отражающее в масштабе сторону .

Собирают цепь в соответствии со схемой, изображенной на рис. 4.20, б. При номинальной скорости вращения якоря генератора устанавливают такой ток параллельной обмотки возбуждения , чтобы при отсутствии тока нагрузки напряжение на зажимах генератора было бы равным номинальному напряжению. Записывают полученное значение тока параллельной обмотки возбуждения. Нагружают генератор таким образом, чтобы ток нагрузки был равен номинальному току генератора. При этом напряжение на выходе генератора может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от включения и степени влияния последовательной обмотки возбуждения. В любом случае ток возбуждения изменяют таким образом, чтобы получить номинальное напряжение при номинальном токе нагрузки. Необходимо записать полученное значение тока возбуждения . Разность записанных значений тока возбуждения даст величину, пропорциональную отрезку . При отрицательном значении треугольник должен быть расположен так, как он изображен на рис. 4.21. Указанное положение треугольника характерно для генератора со смешанным возбуждением с согласным включением обмоток. При положительном значении приращения характеристический треугольник располагается так, как и у генератора с параллельным возбуждением.

Пусть сеть получает питание от генератора 1, подключенного к сети с помощью рубильника В3. При полной нагрузке генератора вольтметр будет показывать номинальное напряжение и амперметр номинальный ток.

Подключение второго генератора удобно произвести с помощью двух однополюсных рубильников В1 и В2. Перед подключением генератора 2 необходимо обеспечить номинальную скорость вращения якоря второго генератора. Скорость вращения работающего генератора желательно поддерживать постоянной.

У работающего генератора 2 с помощью регулировочного реостата необходимо обеспечить такой ток возбуждения, при котором напряжение на его зажимах было бы равно напряжению сети. Напряжение контролируется с помощью вольтметра . Затем замыкается рубильник В1. Если полярность генератора 2 соответствует полярности сети, вольтметр покажет напряжение, близкое к нулю. Изменяя ток возбуждения генератора 2, добиваются нулевого показания вольтметра после чего замыкают рубильник 2.

Генератор подключен к сети. Если невозможно добиться нулевого показания вольтметра , и он показывает напряжение больше напряжения сети, это свидетельствует о несоответствии полярности генератора 2 полярности сети. В этом случае необходимо изменить полярность генератора 2 и добиться нулевого показания вольтметра .

При правильно включенном генераторе Г2 в сеть для перераспределения нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения генератора Г2. ЭДС генератора увеличится и ток якоря увеличится. Напряжение сети несколько увеличится, что приведет к уменьшению тока первого генератора. Ток второго генератора контролируется с помощью амперметра .

Увеличивая ток обмотки возбуждения второго генератора, можно добиться равномерного распределения нагрузки между генераторами. Если всю нагрузку необходимо перевести на второй генератор, то необходимо уменьшить ток возбуждения первого генератора и увеличить ток второго. Таким образом, можно поддержать напряжение сети неизменным.

Если первый генератор оставить включенным в сеть и продолжать уменьшение его тока возбуждения, то ток генератора Г1 изменит направление, а машина будет работать в режиме двигателя. Правда, в определенных случаях изменение направления тока генератора приводит к аварийному режиму, поэтому в этих случаях используют защиту для отключения генератора при изменении направления тока якоря.

Как уже указывалось ранее, при неизменных скоростях вращения якорей генераторов, изменяя токи возбуждения, можно добиться необходимого распределения нагрузки между ними.

Рассмотрим два генератора, имеющие отличающиеся друг от друга внешние характеристики . Изменением тока возбуждения можно добиться равенства токов генераторов. На рис. 4.24 этот режим работы двух генераторов отмечен рабочей точкой . Такое состояние или такой режим работы соответствует точке пересечения внешних характеристик. Когда сопротивление нагрузки уменьшится, токи генераторов увеличатся. В идеальном случае при полностью совпадающих внешних характеристиках токи генераторов будут равными при изменении нагрузки. Однако в реальных условиях характеристики не совпадают и увеличение нагрузки приводит к уменьшению напряжения до величины . При таком напряжении сети ток первого генератора будет равен току . Ток второго генератора будет равен току . Ток , и неравномерное распределение мощности между генераторами 1 и 2 очевидно.

В общем случае с помощью регулировочных реостатов можно скорректировать перераспределение нагрузки между генераторами, однако это требует дополнительного обслуживания генераторов.

По этой причине для параллельной работы необходимо использовать генераторы одинакового типа с совпадающими внешними характеристиками. Возможно и использование для параллельной работы генераторов разной мощности. Это возможно в том случае, когда их номинальные напряжения равны и при номинальных токах возбуждения напряжения холостого хода генераторов должны быть равными. Только в этом случае распределение нагрузки будет пропорциональным номинальным мощностям генераторов.

Размещено на Allbest.ru