Генератор постоянного тока
Современные условия развития производственной сферы предполагают использование большого количества электроэнергии в различных ее видах. Как правило, мы слышим о широком распространении и востребованности переменного тока, однако, во многих сферах используется и постоянный.
Для его получения используется особый вид энергогенерирующего оборудования – генератор постоянного тока. Данное устройство строится на принципе преобразования механической энергии в электрическую.
Как и другим источникам энергии, генератору постоянного тока свойственны такие основные характеристики, как:
- Номинальное напряжение;
- Номинальный ток;
- Мощность;
- Частота вращения.
В частности, показатели мощности таких установок могут очень существенно колебаться и находятся в диапазоне от нескольких КВт до 10 МВт.
Устройства данного типа, в свою очередь, подразделяются на 2 основные группы в зависимости от способа возбуждения:
- Генераторы с независимым возбуждением;
- Генераторы с самовозбуждением.
В первом случае обмотка возбуждения питается от посторонних источников энергии в виде вспомогательных генераторов или аккумуляторов. Также при небольших мощностях (500 кВт) в качестве источника питания используется магнитоэлектрический принцип.
Во втором случае обмотка питается от энергии, вырабатываемой самим генератором.
Устройство генератора постоянного тока
Принципом, на котором основывается работа генератора постоянного тока, является электромагнитная индукция и устройство самой установки включает в себя несколько основных узлов.
- Неподвижная индуктирующая часть;
- Вращающаяся индуктируемая часть – якорь.
Неподвижная часть включает главные и дополнительные полюса, а также станину. Полюса представляют собой стальные сердечники с размещенными на них катушками с обмоткой возбуждения, как правило, из медного провода.
Вращающийся якорь включает стальной сердечник с медной обмоткой и коллектор.
Впоследствии при работе установки постоянный ток проводится через обмотку возбуждения и происходит образование магнитного потока полюсов.
Обе части генератора объединяются в одну цепь при помощи специальных неподвижных щеток из графита или графитного сплава.
Применение генераторов постоянного тока в жизни
Во многих сферах промышленности широко используются источники постоянного тока, что обусловлено особенностями технологического процесса и на сегодня является безальтернативным вариантом.
В частности, востребованы генераторы постоянного тока в электролизной промышленности, металлургии. Кроме того, часто такие установки применяют на судах, тепловозах, трамваях и в других направлениях транспортной сфере.
В металлургии установки постоянного тока необходимы для использования в работе прокатных станов.
Дизельные электростанции со скидкой. Продажа
Вам нужна дешевая дизельная электростанция? Посмотрите наш каталог ДГУ по специальной цене.
Возможно, будет выгоднее купить дизельную электростанцию, чем брать ее в аренду.
Запросить коммерческое предложение
Нужна консультация отдела продаж или инженера для расчета проекта — звоните:
Электропитающие устройства и линии автоматики, телемеханики и связи — Реакция якоря генератора постоянного тока
§ 33. Реакция якоря и коммутация тока
Реакция якоря.
При нагрузке генератора в обмотке якоря появляется ток, в результате чего сердечник якоря намагничивается и становится источником дополнительного магнитного потока — потока якоря Фя. Поток якоря накладывается на поток основных полюсов Ф, в результате чего изменяется результирующее поле и появляется ряд нежелательных явлений, ухудшающих работу электрической машины.
Влияние магнитного потока якоря на поток основных полюсов при нагрузке называют реакцией якоря. Для уяснения действия реакции якоря воспользуемся методом наложения. На рис. 146, а изображено магнитное поле в генераторе при отключенной нагрузке, когда по обмотке якоря ток не проходит. Перпендикулярно потоку основных полюсов через ось якоря проходит геометрическая нейтраль ГН, на которой установлены щетки. Направление магнитных линий поля якоря (рис. 146, б) легко определить по правилу буравчика. При указанном направлении вращения якоря токи в активных проводах обмотки, расположенных выше нейтрали ГН, направлены за плоскость чертежа, а ниже нейтрали в противоположную сторону.
Рис. 146. Магнитные поля полюсов (а), якоря (б) и результирующее магнитное поле (в)
Ось магнитного поля якоря перпендикулярна оси поля основных полюсов. На рис. 146, в представлена картина совмещенного поля, когда ток имеется в обмотках возбуждения и якоря.
Поясним распределение магнитной индукции результирующего поля под полюсными наконечниками. В данном случае область под набегающими краями полюсов (см. рис. 146, а и б) расположена под левым краем северного и правым краем южного полюсных наконечников. Магнитные линии основных полюсов и якоря направлены в разные стороны, поэтому здесь ослабляется результирующее поле, т. е. снижается магнитная индукция. В противоположной части, т. е. под сбегающими краями полюсных наконечников, магнитные линии основных полюсов и якоря имеют одинаковое направление, поэтому магнитная индукция поля в этой области увеличивается.
Таким образом, магнитная индукция результирующего поля оказывается перераспределенной, а ось результирующего потока — повернутой относительно оси полюсов у— у на угол β (рис. 146, е). На этот же угол повернется и нейтральная плоскость, которую в данном случае называют физической нейтралью ФН. В результате между щетками и вращающимся коллектором усиливается искрение, нагреваются и преждевременно выходят из строя щетки. Под действием реакции якоря не только меняется направление результирующего магнитного потока, но и снижается его значение. Под набегающими краями полюсов магнитный поток Ф основных полюсов уменьшается полем якоря на ΔФ1, а под сбегающими краями полюсов этот же поток увеличивается на ΔФ2. Так как магнитная цепь машины достаточно насыщена, то сбегающие края полюсов подмагничиваются незначительно и ΔФ2 < ΔФ1. Поэтому результирующий магнитный поток Фрез: Ф -— ΔФ1+ΔФ2 < Ф.
Уменьшение магнитного потока снижает э. д с. и напряжение генераторов постоянного тока, ухудшает работу подключенных к ним приемников энергии.
Для уменьшения размагничивающего действия якоря на нейтральной плоскости устанавливают дополнительные полюсы. Дополнительные полюсы (рис. 147) создают поток Фдп, равный потоку якоря Фя и направленный навстречу ему. При этих условиях потоки Фдп и Фя уравновешивают друг друга и в машине действует только магнитный поток Ф основных полюсов. Магнитный поток якоря зависит от тока якоря, равного току нагрузки 1. С увеличением нагрузки (т. е. с уменьшением сопротивления) поток якоря Фя увеличивается, а с уменьшением нагрузки — уменьшается. Таким же образом должен изменяться и поток дополнительных полюсов Фд1. Такая автоматическая компенсация потоков Фк и Фдп осуществляется благодаря последовательному соединению обмотки дополнительных полюсов и обмотки якоря, а также тщательному расчету магнитной цепи машины.
В двигателях постоянного тока в результате реакции якоря результирующий магнитный поток и физическая нейтраль смещаются в направлении, противоположном вращению якоря. Поэтому при том же направлении вращения якоря дополнительные полюсы двигателя должны иметь полярность, противоположную полярности дополнительных полюсов генератора.
Внутреннее сопротивление генератора складывается из сопротивления обмотки якоря и обмотки дополнительных полюсов. Чтобы снизить внутреннее падение напряжения, необходимо снизить внутреннее сопротивление генератора. Поэтому обмотки якоря и дополнительных полюсов имеют малое сопротивление.
Схемы генераторов постоянного тока и их характеристики
Свойства генератора постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. Существуют генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения:
- с независимым возбуждением : обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя),
- с параллельным возбуждением : обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря и нагрузке,
- с последовательным возбуждением : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой,
- со смешанным возбуждением : имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная, первая подключена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно с нею и нагрузкой.
Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением относятся к машинам с самовозбуждением, так как питание их обмоток возбуждения осуществляется от самого генератора.
Возбуждение генераторов постоянного тока: а — независимое, б — параллельное, в — последовательное, г — смешанное.
Все перечисленные генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмоток возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляют из провода малого сечения, они имеют большое число витков, обмотку последовательного возбуждения — из провода большого сечения, она имеет малое число витков.
О свойствах генераторов постоянного тока судят по их характеристикам: холостого хода, внешней и регулировочной. Ниже будут рассмотрены эти характеристики для генераторов различного типа.
Генератор с независимым возбуждением
Характерной особенностью генератора с независимым возбуждением (рис. 1) является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iя, а определяется только напряжением Uв подаваемым на обмотку возбуждения, и сопротивлением Rв цепи возбуждения.
Рис. 1. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением
Обычно ток возбуждения невелик и составляет 2—5 % номинального тока якоря. Для регулирования напряжения генератора в цепь обмотки возбуждения часто включают регулировочный реостат Rрв. На тепловозах ток Iв регулируют путем изменения напряжения Uв.
Характеристика холостого хода генератора (рис. 2, а) — зависимость напряжения Uo при холостом ходе от тока возбуждения Iв при отсутствии нагрузки Rн, т. е. при Iн = Iя = 0 и при постоянной частоте вращения п. При холостом ходе, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение генератора Uo равно его э. д. с. Eo = cЕФn.
Так как при снятии характеристики холостого хода частота вращения n поддерживается неизменной, то напряжение Uo зависит только от магнитного потока Ф. Поэтому характеристика холостого хода будет подобна зависимости потока Ф от тока возбуждения Iя (магнитной характеристике магнитной цепи генератора).
Характеристику холостого хода легко снять экспериментально, постепенно увеличивая ток возбуждения от нуля до значения, при котором U0 = 1,25Uном, а затем уменьшая ток возбуждения до нуля. При этом получаются восходящая 1 и нисходящая 2 ветви характеристики. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная э. д. с. Еост, которая обычно составляет 2—4 % номинального напряжения Uном.
При малых токах возбуждения магнитный поток машины невелик, поэтому в этой области поток и напряжение Uo изменяются прямо пропорционально току возбуждения и начальная часть этой характеристики представляет собой прямую. При увеличении тока возбуждения магнитная цепь генератора насыщается и нарастание напряжения Uo замедляется. Чем больше становится ток возбуждения, тем сильнее сказывается насыщение магнитной цепи машины и тем медленнее возрастает напряжение U0. При очень больших токах возбуждения напряжение Uo практически перестает возрастать.
Характеристика холостого хода позволяет судить о значении возможного напряжения и о магнитных свойствах машины. Номинальное напряжение (указанное в паспорте) для машин общего применения соответствует насыщенной части характеристики («колену» этой кривой). В тепловозных генераторах, требующих регулирования напряжения в широких пределах, используют как криволинейную, так и прямолинейную ненасыщенную часть характеристики.
Э. д. с. машины изменяется пропорционально частоте вращения n , поэтому при n2
Внешняя характеристика генератора (рис. 2, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iп = Iя при постоянных частоте вращения n и токе возбуждения Iв. Напряжение генератора U всегда меньше его э. д. с. Е на значение падения напряжения во всех обмотках, включенных последовательно в цепь якоря.
С увеличением нагрузки генератора (тока обмотки якоря IЯ — IН) напряжение генератора уменьшается по двум причинам:
1) из-за увеличения падения напряжения в цепи обмотки якоря,
2) из-за уменьшения э. д. с. в результате размагничивающего действия потока якоря. Магнитный поток якоря несколько ослабляет главный магнитный поток Ф генератора, что приводит к некоторому уменьшению его э. д. с. Е при нагрузке по сравнению с э. д. с. Ео при холостом ходе.
Изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке в рассматриваемом генераторе составляет 3 — 8℅ от номинального.
Если замкнуть внешнюю цепь на очень малое сопротивление, т. е. произвести короткое замыкание генератора, то напряжение его падает до нуля. Ток в обмотке якоря Iк при коротком замыкании достигнет недопустимого значения, при котором может перегореть обмотка якоря. В машинах малой мощности ток короткого замыкания может в 10—15 раз превысить номинальный ток, в машинах большой мощности это соотношение может достигать 20—25.
Рис. 2. Характеристики генератора с независимым возбуждением: а — холостого хода, б — внешняя, в — регулировочная
Регулировочная характеристика генератора (рис. 2, в) представляет собой зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении U и частоте вращения п. Она показывает, как надо регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.
Достоинствами генератора с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от 0 до Umax путем изменения тока возбуждения и малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако он требует наличия внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.
Генератор с параллельным возбуждением.
В этом генераторе (рис. 3, а) ток обмотки якоря Iя разветвляется во внешнюю цепь нагрузки RH (ток Iн) и в обмотку возбуждения (ток Iв), ток Iв для машин средней и большой мощности составляет 2—5 % номинального значения тока в обмотке якоря. В машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Однако самовозбуждение генератора возможно только при выполнении ряда условий.
1. Для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо наличие в магнитной цепи машины потока остаточного магнетизма, который индуцирует в обмотке якоря э. д. с. Еост. Эта э. д. с. обеспечивает протекание по цепи «обмотка якоря — обмотка возбуждения» некоторого начального тока.
2. Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен быть направлен согласно с магнитным потоком остаточного магнетизма. В этом случае в процессе самовозбуждения будет нарастать ток возбуждения Iв и, следовательно, магнитный поток Ф машины э. д. с. Е. Это будет продолжаться до тех пор, пока из-за насыщения магнитной цепи машины не прекратится дальнейшее увеличение Ф, а следовательно, Е и Iв. Совпадение по направлению указанных потоков обеспечивается путем правильного присоединения обмотки возбуждения к обмотке якоря. При неправильном ее подключении происходит размагничивание машины (исчезает остаточный магнетизм) и э. д. с. Е уменьшается до нуля.
3. Сопротивление цепи возбуждения RB должно быть меньше некоторого предельного значения, называемого критическим сопротивлением. Поэтому для быстрейшего возбуждения генератора рекомендуется при включении генератора в работу полностью выводить регулировочный реостат Rрв, включенный последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 3, а). Это условие ограничивает также возможный диапазон регулирования тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора с параллельным возбуждением. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления цепи обмотки возбуждения можно лишь до (0,64-0,7) Uном.
Рис. 3. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением (б)
Следует отметить, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы процесс увеличения его э. д. с. E и тока возбуждения Iв происходил при работе машины в режиме холостого хода. В противном случае из-за малого значения Eoст и большого внутреннего падения напряжения в цепи обмотки якоря напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, может уменьшиться почти до нуля и ток возбуждения не сможет увеличиться. Поэтому нагрузку к генератору следует подключать только после установления на его зажимах напряжения, близкого к номинальному.
При изменении направления вращения якоря изменяется полярность щеток, а следовательно, и направление тока в обмотке возбуждения, в этом случае генератор размагничивается.
Во избежание этого при изменении направления вращения необходимо переключить провода, присоединяющие обмотку возбуждения к обмотке якоря.
Внешняя характеристика генератора (кривая 1 на рис. 3, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iн при неизменных значениях частоты вращения n и сопротивления цепи возбуждения RB. Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2).
Объясняется это тем, что кроме тех же двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки в генераторе с независимым возбуждением (падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря), в рассматриваемом генераторе существует еще третья причина — уменьшение тока возбуждения.
Так как ток возбуждения IB = U/Rв, т. е. зависит от напряжения U машины, то с уменьшением напряжения по указанным двум причинам уменьшается магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, что приводит к дополнительному уменьшению напряжения. Максимальный ток Iкр, соответствующий точке а, называется критическим.
При коротком замыкании обмотки якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением мал (точка б), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Поэтому ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4…0,8) Iном.. Внешняя характеристика точкой а делится на две части: верхнюю — рабочую и нижнюю — нерабочую.
Обычно используется не вся рабочая часть, а только некоторый ее отрезок. Работа на участке аб внешней характеристики неустойчива, в этом случае машина переходит в режим, соответствующий точке б, т. е. в режим короткого замыкания.
Характеристику холостого хода генератора с параллельным возбуждением снимают при независимом возбуждении (когда ток в якоре Iя = 0), поэтому она ничем не отличается от соответствующей характеристики для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 2, а). Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и характеристика для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 2, в).
Генераторы с параллельным возбуждением применяют для питания электрических потребителей в пассажирских вагонах, автомобилях и самолетах, в качестве генераторов управления на электровозах, тепловозах и моторных вагонах и для заряда аккумуляторных батарей.
Генератор с последовательным возбуждением
У этого генератора (рис. 4, а) ток возбуждения Iв равен току нагрузки Iн = Iя и напряжение сильно изменяется при изменении тока нагрузки. При холостом ходе в генераторе индуцируется небольшая э. д. с. Еост, создаваемая потоком остаточного магнетизма (рис. 4, б).
С увеличением тока нагрузки Iи = Iв = Iя возрастают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора, это возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генератора с параллельным возбуждением), продолжается до известного предела, обусловленного магнитным насыщением машины.
При увеличении тока нагрузки свыше Iкр напряжение генератора начинает уменьшаться, так как магнитный поток возбуждения из-за насыщения почти перестает увеличиваться, а размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи обмотки якоря IяΣRя продолжают возрастать. Обычно ток Iкр значительно больше номинального тока. Генератор может работать устойчиво только на части аб внешней характеристики, т. е. при токах нагрузки, больших номинального.
Так как в генераторах с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе близко в нулю, они непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом (реостатном) торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.
Рис. 4. Принципиальная схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)
Генератор со смешанным возбуждением.
В этом генераторе (рис. 5, а) чаще всего параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная — вспомогательной. Обе обмотки находятся на одних полюсах и соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки складывались (при согласном включении) или вычитались (при встречном включении).
Генератор со смешанным возбуждением при согласном включении его обмоток возбуждения позволяет получить приблизительно постоянное напряжение при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 5, б) может быть в первом приближении представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой обмоткой возбуждения.
Рис. 5. Принципиальная схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние характеристики (б)
При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн напряжение U возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).
Если подобрать число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔUПОСЛ компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, то можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2—3 %.
Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение UHOM будет больше напряжения Uо при холостом ходе (кривая 4), такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении цепи якоря генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен против потока параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет круто падающей (кривая 5).
Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах, работающих в условиях частых коротких замыканий. В таких генераторах при коротком замыкании последовательная обмотка почти полностью размагничивает машину и уменьшает ток к. з. до значения, безопасного для генератора.
Генераторы со встречно включенными обмотками возбуждения используют на некоторых тепловозах в качестве возбудителей тяговых генераторов, они обеспечивают постоянство мощности, отдаваемой генератором.
Такие возбудители применяют также на электровозах постоянного тока. Они питают обмотки возбуждения тяговых двигателей, которые при рекуперативном торможении работают в генераторном режиме, и обеспечивают получение круто падающих внешних характеристик.
Генератор смешанного возбуждения является типичным примером регулирования по возмущающему воздействию.
Генераторы постоянного тока часто включаются параллельно для работы на общую сеть. Необходимым условием параллельной работы генераторов с распределением нагрузки пропорционально номинальной мощности является идентичность их внешних характеристик. В случае применения генераторов смешанного возбуждения их последовательные обмотки для выравнивании токов приходится соединять в общий блок посредством уравнительного провода.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что происходит в якоре генератора постоянного тока при нагрузке
Работа машины постоянного тока в режиме генератора .
Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М 1 . При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них индуктируется эдс, направление которой определяется правилом правой руки (изо). Если якорь вращается с частотой в минуту n , то в его обмотке индуктируется эдс Е = СnФ .
Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо приемник энергии Rн (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет проходить ток I , направление которого в обмотке якоря совпадает с направлением эдс.
В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ , направление которого определяется правилом левой руки.
Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлению вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М 1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента, следовательно, машина потребляет механическую энергию.
В случае равновесия моментов, т. е. М 1 = Мэ , якорь машины вращается с неизменной частотой.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря начнет изменяться. Если почему-либо момент первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора ( М 1 Мэ ), вращение якоря машины начнет замедляться. При этом будет уменьшаться как эдс, так и ток в обмотке якоря, что понизит тормозной электромагнитный момент генератора.
В случае увеличения момента первичного двигателя ( М 1 > Мэ ) частота вращения якоря, а также эдс и ток в его обмотке будут возрастать, что увеличит тормозной электромагнитный момент.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря, эдс и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.
Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.
Так же при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства частоты вращения якоря генератора.
Схема работы генератора постоянного тока
Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки Rн , сопротивление обмотки якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и коллектором Rщ .
Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов( Ro6 + Rщ ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя+Rн) .
Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.
Так как IRn = U , где U — напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия эдс для генератора: U = E — IRя .
Из уравнения равновесия эдс легко получить уравнение мощностей,
т. е. UI = EI — IRя или Р 2 = Рэ — IRя , где Р 2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии; Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую;
IRя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.
При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю ( Рэ = 0 ), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р 0 , расходуемую на покрытие потерь холостого хода.
Мощность Р 0 складывается из механических потерь на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Р Mex и из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст .
В генераторах с самовозбуждением мощность Р 0 включает также мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P 1 = Pэ + P 0 .
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/ , где = 2n/60 рад/с — угловая скорость якоря.
Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60a)nФ , то электромагнитный момент машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2 a)IФ .
Величины а , р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2 a = К представляет собой некоторый постоянный для данной машины коэффициент, и электромагнитный момент равен: М Э = КIФ , т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на магнитный поток полюсов.
Способы возбуждения генераторов постоянного тока
Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока в генераторах с магнитным возбуждением используют постоянные магниты, а в генераторах с электромагнитным возбуждением — электромагниты.
Постоянные магниты применяют лишь в машинах очень малых мощностей.
Таким образом, электромагнитное возбуждение является наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока.
При этом способе возбуждения магнитный поток создается током, проходящим по обмотке возбуждения.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть с независимым возбуждением и с самовозбуждением.
При независимом возбуждении (изо, а ) обмотка возбуждения включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp . При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре I .
Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Поэтому генераторы независимого возбуждения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения обмотки возбуждения могут быть параллельного (изо, б ), последовательного (изо, в ) и смешанного (изо, г ) возбуждения.
Схемы возбуждения генераторов постоянного тока:
а — независимого, б — параллельного, в — последовательного, г — смешанного
У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет большое число витков.
При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.
При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещаются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная.
Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф 0 . Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется эдс Е 0 , составляющая несколько процентов номинального напряжения машины.
Под действием эдс Е 0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, проходит ток Iв .
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения I B ( — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф , что вызывает повышение как эдс в обмотке якоря Е , так и тока в обмотке возбуждения Iв . Увеличение последнего приводит к дальнейшему возрастанию Ф , что, в свою очередь, увеличивает Е и Iв .
Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от частоты вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения.
При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается.
Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается эдс и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Напряжение так же, как и эдс, прямо пропорционально частоте, вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Характеристики генераторов постоянного тока
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е , напряжение на его зажимах U , ток в якоре I , ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n .
Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничнвании стали, б — при изменении частоты вращения якоря
Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.
Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между эдс в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как эдс, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ , то при постоянной частоте вращения эдс окажется прямо пропорциональной магнитному потоку.
Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.
При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф 0 , который индуктирует в обмотке якоря эдс Е (изо, а ).
Эта эдс составляет несколько процентов ( 2 — 5% ) номинального напряжения машины.
С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и эдс, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв возрастает и эдс (кривая 1 ).
Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения Iв , то эдс также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2 ) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.
Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3 ).
На изо, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различной частоте вращения якоря генератора.
Вращению якоря машины с номинальной частотой n н , указанной в паспорте генератора, соответствует кривая 1 . Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А ) находится на перегибе магнитной характеристики.
Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение эдс.
Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения эдс требуются очень большие изменения тока возбуждения.
При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так как эдс пропорциональна частоте. При n’ > n н характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2 ), а при n’ < n н — ниже (кривая 3 ), чем при номинальной частоте вращения.
Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В ), либо на пологом (точка С ) участке магнитной характеристики, что вызывает изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения ( I = Iв ). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет примерно равным эдс и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.
Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения R B постоянно) и снимается при неизменной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при постоянном R B неизменен также и ток возбуждения Iв . Внешние характеристики такого генератора показаны на изо, а .
| Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения |
Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику на понижение напряжения, соответствующую току обмотки возбуждения, при котором напряжение генератора равно номинальному при холостом ходе.
С возрастанием нагрузки (тока I в якоре генератора) увеличивается как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает понижение напряжения.
При изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение на зажимах генератора уменьшается на величину Uпн .
Характеристике на повышение напряжения (кривая 2 ) соответствует такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после чего нагрузка генератора уменьшается.
С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также снижается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает повышение напряжения.
При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на зажимах генератора увеличивается на величину Uп в .
За счет насыщения стали повышение напряжения меньше, чем понижение, так как размагничивающее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.
В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения R B ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора, которое при изменении нагрузки меняется.
| Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения |
В генераторах независимого возбуждения увеличение нагрузки вызывает понижение напряжения под воздействием падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 1 на изо, б ).
В генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также уменьшается ток возбуждения, что вызывает уменьшение магнитного потока и понижение напряжения.
Следовательно, при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшается в большей мере (кривая 2 ), чем в генераторах независимого возбуждения.
Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения I макс , не превышающего номинальный ток более чем
в 2 — 2,5 раза.
При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального.
Понижение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то эдс понижается в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.
При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного потока.
Поэтому в обмотке якоря будет эдс только от остаточного магнитного потока Е 0 , имеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания Iк будет также мал.
Внешняя характеристика на повышение напряжения у генератора параллельного возбуждения (кривая 3 ) имеет такой же вид, как у генератора независимого возбуждения.
| Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения |
Для генератора последовательного возбуждения внешняя характеристика показана на изо, в . В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря ( Iв = I ), и при холостом ходе ( I = 0 ) в обмотке якоря будет создана эдс Е 0 за счет остаточного магнетизма.
С увеличением нагрузки также возрастет ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение эдс (кривая 1 ).
Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше эдс вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 2 ).
Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не нашли применения.
В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая магнитодвижущая сила, создающая магнитный поток, равна сумме магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток, а при встречном включении — разности этих магнитодвижущих сил.
| Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения |
На изо, г показаны внешние характеристики генератора смешанного возбуждения.
С увеличением нагрузки такого генератора уменьшается напряжение на его зажимах в результате падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря.
Однако с увеличением нагрузки возрастает также ток в последовательной обмотке возбуждения.
Поэтому при согласном включении обмоток увеличение нагрузки вызывает увеличение магнитного потока и эдс обмотки якоря.
Если эдс с повышением нагрузки возрастает на величину, равную понижению напряжения генератора, так как падает напряжение в его сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (кривая 1 ).
Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует регулировки тока возбуждения при изменениях нагрузки.
При уменьшении числа витков последовательной обмотки эдс с возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени и не будет компенсировать понижения напряжения, так что напряжение на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2 ), т. е. генератор недовозбужден.
Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше, чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то генератор окажется перевозбужденным, и напряжение на его зажимах будет возрастать с увеличением нагрузки (кривая 3 ).
При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика подобна внешней характеристике генератора параллельного возбуждения (кривая 4 ), однако токи максимальный I макс и короткого замыкания Iк у генератора смешанного возбуждения будут меньше соответствующих токов генератора параллельного возбуждения в результате размагничивающего действия магнитодвижущих сил последовательной обмотки.
Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужденные, а также перевозбужденные, позволяющие компенсировать падение напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным при изменении тока.
Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не обеспечивают постоянства напряжения и поэтому широкого применения не нашли. Их используют лишь в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).
Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при постоянном напряжении на зажимах генератора.
Регулировочная характеристика генератора показывает, в какой мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.
В генераторах независимого и параллельного возбуждения с увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины и размагничивающее действие потока реакции якоря.
В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбужденных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает изменений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен при изменениях тока нагрузки.