Генераторы постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генераторы постоянного тока

1. Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Свойства генератора постоянного тока обусловлены в основном способом питания обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают следующие типы генераторов:

1) с независимым возбуждением -- обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;

2) с параллельным возбуждением -- обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;

3) с последовательным возбуждением -- обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

4) со смешанным возбуждением -- имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая-- последовательно с ней.

Генераторы рассматриваемых типов имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения, имеющие большое число витков, изготовляют из провода малого сечения, имеющего большое сопротивление в сотни Ом; обмотку последовательного возбуждения, имеющую небольшое число витков,-- из провода большого сечения. В данных способах, чтобы создать необходимое МДС и уменьшить потребление энергии в обмотках возбуждения увеличивают число витков, при этом уменьшается ток возбуждения. Ток возбуждения составляет 3ч5% от номинального тока, что является экономичным. Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Рис. 1 Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Рис. 2 Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением

Рис. 3 Схема генератора с последовательным возбуждением

Рис. 4 Схема генератора со смешанным возбуждением

2. Характеристики генератора 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 Ia или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.

Обычно генераторы работают при n=const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при n=nи= const.

Существует пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.

Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.

Рис. 5 Магнитная характеристика машины

Магнитная характеристика генератора постоянного тока. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения создает магнитные потоки полюсов. Зависимость магнитного потока Ф от тока возбуждения iв называется магнитной характеристикой. Ее получает экспериментальным путем. Магнитная характеристика представляет собой узкую петлю гистерезиса, т.к. магнитопровод машины выполнен из магнитомягкого материала. Начальная, прямолинейная, часть магнитной характеристики соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи. Строить машину с ненасыщенной магнитной цепью невыгодно, т.к машина получится тяжелой. Нецелесообразно также строить машину с чрезвычайно насыщенной магнитной цепью, т.к. необходимо выполнить мощную обмотку возбуждения и с большими потерями мощности на возбуждение.

По этим причинам электрические машины изготовляются с умеренным насыщением при номинальном режиме. При этом рабочая точка лежит несколько выше колена магнитной характеристики (около точки С на рис.6-5).

Поскольку n=const, а формула нахождения E =cenФ , то ясно, что зависимость Ф=f(iв) подобна зависимости Е=f(iв), где последняя является характеристикой холостого хода генератора.

Рис. 6 Характеристики холостого хода генератора независимого возбуждения

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода Е=f(iв) при I=0 и n=const определяет зависимость ЭДС или напряжения якоря от тока возбуждения. Характеристика снимается экспериментально.

Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и ЭДС (напряжения) - точка а - и значения тока менять только в указанном на рис. 6-6 стрелками направлении. В итоге при снятии характеристики вернемся в точку а, в итоге характеристика холостого хода имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

Самовозбуждение генератора постоянного тока. При отсутствии тока в обмотке возбуждения, в якоре наводится небольшая ЭДС (около 3ч5% от номинального значения ЭДС) за счет остаточной намагниченности машины. Остаточный поток такой величины практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную машину или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Небольшая ЭДС, индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, вызывает в обмотке возбуждения малый ток iв. Этот ток вызывает увеличение потока полюсов, а следовательно увеличение ЭДС, которая в свою очередь обуславливает дальнейшее увеличение iв, и т.д. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения. С насыщением цепи рост ЭДС замедляется. Процесс возбуждения длится 1-2 минуты, после чего к генератору можно подключить нагрузку.

Очевидно, самовозбуждение генератора постоянного тока происходит при соблюдении следующих условий: 1) наличие остаточного магнитного потока полюсов; 2) подключение обмотки к якорю должно быть таким, чтобы направления остаточного и возбуждаемого потоков, складывались; 3) скорость вращения якоря должна иметь номинальное значение. Эксплуатационные характеристики генератора. Практический интерес представляют два качества генератора как источника питания: 1) степень постоянства напряжения при росте тока через нагрузку; 2) возможность плавного регулирования этого напряжения. Представления об этих качествах дают характеристики холостого хода Е=f(iв) и внешней нагрузки U=f(I).

Рис. 7 Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки - направления токов в режиме генератора, штриховые стрелки - в режиме двигателя)

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U=f(I) при iв=const и n=const (рис.6-8) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.

Рис. 8 Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

Рис. 9 Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода

При увеличении I напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря и уменьшения ЭДС ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря. При дальнейшем увеличении тока напряжение начинает падать быстрее. Точка внешней характеристики с U=0 определяет величину тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Этот ток в 5-15 раз превышает Iн. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникает круговой огонь, а также большие механические усилия и моменты вращения. В режиме нагрузки напряжение генератора

(6-1)

где УRа -- сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной).

Достоинство генераторов с независимым возбуждением -- возможность плавного регулирования напряжения в широких пределах от нуля до Umax путем изменения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения под нагрузкой. Однако для питания обмотки возбуждения таких генераторов требуются внешние источники постоянного тока.

Независимое возбуждение имеют генераторы высокого напряжения, низкого (но с большими токами), тахогенераторы.

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до 10ч50 вт), которые служат в системах автоматики для преобразования скорости вращения в электрический сигнал. От тахогенераторов требуется линейная зависимость напряжения от частоты вращения.

Рис. 10 Внешние характеристики генераторов параллельного (1) и независимого (2) возбуждения

генератор постоянный ток возбуждение

Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, на низком напряжении. Независимо от значения напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В для упрощения регулирующей аппаратуры.

Внешняя характеристика U=f(I) генератора параллельного возбуждения снимается при Rв =const и n=const, т.е. без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы. Вследствие этого к двум причинам падения напряжения, указанным для генератора независимого возбуждения, прибавляется третья - уменьшение iв при уменьшении U. В результате внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис.6-10, кривая 1) падает круче, чем у генератора независимого возбуждения.

Характерной особенностью внешней характеристики генератора параллельного возбуждения является то, что при некотором максимальном значении тока (точка а на рис. 6-10) она делает петлю и приходит в точку б на оси абцисс, которая соответствует установившемуся току короткого замыкания.

Этот ток также опасен и для этого генератора. При установившемся коротком замыкании якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал.

Рис. 11 Внешние характеристики генератора со смешанным возбуждением

Генератор смешанного возбуждения самовозбуждается так же, как и генератор параллельного возбуждения и их характеристики холостого хода аналогичны. В этом генераторе имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получить приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки.

Внешнюю характеристику генератора (рис.6-11) в первом приближении можно представить в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения. При включении одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с увеличением тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн, напряжение возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).

Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ДUпосл компенсировало суммарное падение напряжения ДU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до Iном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2...3%. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение UHOM > Uo (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении УRa генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы МДС была направлена против МДС параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей (кривая 5). Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Размещено на Allbest.ru