Генератор постоянного тока ГПТ: основные понятия.
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Ea. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:
сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря ra , обмотки добавочных полюсов rД , компенсационной обмотки rк.о., последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта rщ.
При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.
Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М1 Если к генератору не подключена нагрузка (работает в режиме х.х. Ia=0 ), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода M0. Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.
При работе генератора с подключенной нагрузкой в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).
Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока
При неизменной частоте вращения n = const вращающий момент приводного двигателя M1 уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х.х. M0 и электромагнитным моментом М, т. е.
Выражение (28.3) —называется уравнением моментов для генератора при постоянной частоте нагрузки. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря ω, получим уравнение мощностей:
где P1 = M1ω — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (механическая); P0 = M0ω мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); PЭМ = Mω— электромагнитная мощность генератора.
Согласно (25.27), получим
или с учетом (28.1)
где P2 — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; PЭa — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря .
Учитывая потери на возбуждение генератора PЭВ, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:
Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем P1, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность P2, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь
Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии n = const.
Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.
Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U0 от тока возбуждения IВ:
Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения IВ:
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:
Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения IВ от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора
Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока которые во многом зависят от способа включения генератора в схему, поэтому мы рассмотрим каждый способ включения по отдельности.
Общие сведения о генераторах постоянного тока
Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 25 января 2013 .
Категория: Статьи.
Хотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока широко используются в различных промышленных, транспортных и других установках (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и так далее). В этих случаях генераторы постоянного тока обычно приводятся во вращение электродвигателями переменного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.
Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
Различаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.
Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением (рисунок 1, а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. Генераторы последнего типа изготавливаются только на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы с электромагнитным возбуждением.
В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.
Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3 – 5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая – к машинам мощностью около 1 кВт.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рисунок 1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рисунок 1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рисунок 1, г).
Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают намагничивающую силу одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть намагничивающей силы возбуждения (65 – 80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.
Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)
На рисунке 1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от реостата возбуждения) подключен за последовательной обмоткой возбуждения («длинный шунт»), однако этот конец может быть присоединен и непосредственно к якорю («короткий шунт»). Существенной разницы в этих вариантах соединения нет, так как падение напряжения в последовательной обмотке составляет только 0,2 – 1,0% от Uн и ток iв мал. Обычно применяется соединение, изображенное на рисунке 1, г.
В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения составляет 1 – 5% от номинального тока якоря Iан или тока нагрузки Iн = Iан – iв. В генераторах последовательного возбуждения эти токи равны друг другу: iв = Iа = I и падение напряжения на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет 1 – 5% от Uн. Обмотки возбуждения у генераторов параллельного возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у генераторов последовательного возбуждения – относительно малое число витков большого сечения.
В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока возбуждения включают реостаты Rр.в (рисунок 1, а, б, и г).
Крупные машины постоянного тока работают с независимым возбуждением. Машины малой и средней мощности большей частью имеют параллельное или смешанное возбуждение. Генераторы с последовательным возбуждением менее распространены.
Рисунок 2. Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения |
Энергетическая диаграмма
Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения представлена на рисунке 2. Получаемая от первичного двигателя механическая мощность P1 за вычетом потерь механических pмх, магнитных pмг и добавочных pд преобразуется в якоре в электромагнитную мощность Pэм. Мощность Pэм частично тратится на электрические потери pэла в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), а остальная часть этой мощности представляет собой полезную мощность P2, отдаваемую потребителям. Потери на возбуждение pв в генераторе независимого возбуждения покрываются за счет постороннего источника тока.
На основании изложенного для генератора независимого возбуждения имеем уравнение мощностей
P2 = P1 – pмх – pмг – pд – pэла = Pэм – pэла | (1) |
Можно написать также следующее уравнение мощностей:
P1 = pмх + pмг + pд + Pэм | (2) |
Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для других типов генераторов.
Уравнение вращающих моментов
Если все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря
то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:
(3) |
(4) |
представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,
(5) |
– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и
(6) |
– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности.
В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения
(7) |
где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M0 + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин
Генератор постоянного тока
Генератор постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в энергию постоянного тока. Генератор состоит из трех основных частей: индуктора 7, якоря 2 и коллектора 3 (рис. 2).
Индуктор предназначен для создания магнитного поля полюсов и расположен на неподвижной части машины — статоре (см. рис.2). Вращающая часть машины называется якорем. Принцип действия генераторов постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции. При вращении якоря каким-либо первичным двигателем, вследствие пересечения проводниками обмотки якоря магнитного поля полюсов, в соответствии с законом электромагнитной индукции, в последней наводится ЭДС. В зависимости от типа используемого при этом первичного двигателя различают турбогенераторы, гидрогенераторы, моторгенераторы и т. п. ЭДС, возникаемая в каждом проводнике обмотки якоря машины, является переменной е =f(t), так как она изменяется во времени по величине и направлению и зависит от положения проводников в межполюсном пространстве. Для получения на зажимах генератора постоянной во времени ЭДС предназначен коллектор, расположенный на вращающемся якоре, с системой неподвижных щеток, расположенных на статоре машины. Для создания магнитного потока требуемой величины на полюсах индуктора имеются обмотки возбуждения, обтекаемые регулируемым постоянным током. В зависимости от способа возбуждения генераторов постоянного тока различают: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается постоянным током, получаемым
от постороннего источника, а у генераторов с самовозбуждением — непосредственно от зажимов якоря самой машины. На практике в основном применяют генераторы с самовозбуждением, имеющие более простую конструкцию и легкость эксплуатации. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения генераторы постоянного тока с самовозбуждением разделяют на генераторы с параллельным, последовательным и со смешанным возбуждением.
Наиболее широко в настоящее время применяют генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением. Схема включения такого генератора представлена на рис. 1. Цепь обмотки возбуждения генератора подключается параллельно с нагрузочным сопротивлением RH, поэтому он и называется генератором с параллельным возбуждением.
При вращении якоря в его обмотке возникает ЭДС Е, направление которой зависит от направления вращения якоря. При работе в режиме генератора электрическая машина выполняет функции источника энергии, поэтому возникающий в цепи якоря ток Iя совпадает по направлению с индуцируемой в нем ЭДС Е. Как видно из схемы рис. 1, ток якоря разветвляется по двум параллельным ветвям. По цепи обмотки возбуждения протекает ток возбуждения Iв для регулирования которого включено регулировочное сопротивление RP. По цепи нагрузки протекает ток нагрузки I. При этом в соответствии с первым законом Кирхгофа для точки разветвления токов имеем
Обмотку возбуждения генераторов с параллельным возбуждением выполняют из большого количества витков тонкого провода. Это позволяет получить необходимые для создания требуемого магнитного потока ампервитки при относительно небольшом токе возбуждения. Для современных машин постоянного тока ток возбуждения составляет около 1. 5% от номинального значения тока якоря Iz.
Одной из основных характеристик генератора с параллельным возбуждением является характеристика холостого хода, т. е. зависимость ЭДС Еа, индуцируемой в обмотке якоря, от тока возбуждения Iв при токе нагрузки, равном нулю (при разомкнутой цепи нагрузки) и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость Ео(Iв), при I = 0 и п= пн= const. Электродвижущая сила, возникающая на зажимах якоря, как известно, определяется уравнением
где Сс — постоянная, зависящая от конструктивных данных генератора; n — частота вращения якоря; Ф — результирующий магнитный поток машины.
Магнитный поток зависит от намагничивающей силы (ампер-витков) обмотки возбуждения, а следовательно, от тока возбуждения. При n = const между ЭДС и магнитным потоком устанавливается пропорциональность. При этом зависимость Е0(IВ) будет иметь тот же вид, что и зависимость Ф(Iв).
Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением (рис.3) представляет собой совокупность двух расходящихся ветвей 1 и 2.
Ветвь 1 (восходящая) соответствует постепенному повышению тока возбуждения от нуля, ветвь 2 (нисходящая) — его уменьшению. При Iв = 0 (цепь обмотки возбуждения разомкнута) ЭДС Е0 холостого хода не равна нулю. Объясняется это тем, что в магнитной системе машины имеется остаточный магнитный поток Фост, который и обусловливает появление соответствующей ему ЭДС Еост = Сс nн Фост.
С увеличением тока возбуждения ЭДС вначале интенсивно возрастает почти по прямолинейному закону. Наклон начальной прямолинейной части характеристики зависит от величины воздушного зазора машины, причем меньшему зазору соответствует больший угол наклона. С последующим увеличением тока возбуждения h прямолинейность характеристики холостого хода нарушается вследствие явления насыщения магнитной системы машины. При сильном насыщении машины характеристика холостого хода снова принимает прямолинейный вид, но имеет уже весьма незначительный наклон относительно оси абсцисс. При уменьшении тока возбуждения в обратном порядке получается нисходящая ветвь 2 характеристики холостого хода. Как видно из рис. 3, одному и тому же значению тока возбуждения нисходящей ветви соответствует несколько большая ЭДС, чем ЭДС восходящей ветви, что происходит вследствие явления гистерезиса. По характеру расхождения ветвей можно судить о качестве магнитного материала магнитной системы машины. У генераторов, изготовленных из высококачественных электротехнических сталей, расхождение ветвей незначительно.
При расчете и исследовании свойств машин обычно используют практическую кривую характеристики холостого хода, за которую принимают среднюю линию, проведенную между двумя ветвями (на рис. 3 — сплошная линия). Следует заметить, что после отключения обмотки возбуждения (Iв) остаточный магнитный поток машины, соответствующий нисходящей ветви, в течение определенного промежутка времени вследствие самопроизвольного размагничивания уменьшается до значения, соответствующего Еост нижней восходящей ветви, так что при повторном снятии характеристики холостого хода будет снова наблюдаться ее раздвоение.
Прежде чем к зажимам генератора подключать нагрузочное сопротивление RH, генератор необходимо возбудить, т. е. создать на его зажимах необходимое для нормальной работы напряжение. Источником питания обмотки возбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением является сам генератор. При этом обмотка возбуждения рассчитывается так, чтобы при нормальной частоте вращения якоря и нормальном токе нагрузки ток возбуждения Iв создавал необходимый для нормальной работы машины магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора происходит следующим образом. При разомкнутой обмотке возбуждения и вращении якоря в обмотке якоря создается ЭДС Еост, обусловленная остаточным магнитным потоком. Величина этой ЭДС обычно незначительна и составляет около 3. 5% от номинального значения напряжения Uн. Напряжение на зажимах генератора U = Еост будет оставаться до тех пор, пока не будет подано питание в цепь обмотки возбуждения. При подключении цепи обмотки возбуждения к зажимам якоря, под действием ЭДС Еост возникает относительно небольшой ток возбуждения, величина которого определяется в соответствии с законом Ома, записанным для цепи обмотки возбуждения (см. рис. 2).
где RH — сопротивление цепи якоря; RB — сопротивление обмотки возбуждения; RP — сопротивление регулировочного реостата (в процессе самовозбуждения сопротивление Rp остается постоянным).
Под действием этого тока возбуждения происходит некоторое увеличение магнитного потока машины, а следовательно ЭДС (в соответствии с характеристикой холостого хода). Возрастание ЭДС, в свою очередь, приводит к возрастанию тока возбуждения и т. д.
Однако возрастание ЭДС не будет беспредельным. Согласно характеристике холостого хода (рис. 3) с увеличением тока возбуждения темп нарастания ЭДС постепенно снижается. Вместе с тем, зависимость тока в цепи обмотки возбуждения Iв от ЭДС Е имеет прямолинейный вид, так как
Котангенс угла наклона характеристики определяется коэффициентом пропорциональности ∑ R между ЭДС Е и током возбуждения Iв.
Очевидно, что процесс самовозбуждения генератора будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить возрастание тока возбуждения. При равенстве ЭДС, определяемой этим уравнением, ЭДС, соответствующей характеристике холостого хода, процесс самовозбуждения генератора заканчивается. Этому соответствует вполне определенное значение тока возбуждения. Точка пересечения 1 (рис. 4) характеристики холостого хода с прямой, описываемой полученным выше уравнением, и определяет тот режим, который устанавливается в конце процесса самовозбуждения генератора. Для уменьшения ЭДС, а следовательно, напряжения на зажимах генератора по окончании процесса самовозбуждения достаточно увеличить величину сопротивления RP регулировочного реостата. При этом в соответствии с приведенным выше уравнением тангенс угла наклона прямой увеличится и она пересечется с характеристикой холостого хода в точке 2. При разрыве цепи возбуждения сопротивление ее возрастет до бесконечности, а ЭДС на зажимах якоря будет равной Еост. С уменьшением величины сопротивления Rp регулировочного реостата тангенс угла наклона прямой будет уменьшаться, а следовательно, будет увеличиваться напряжение на зажимах генератора (точка 3 на рис. 4).
Магнитное поле, создаваемое полюсами индуктора, равномерно распределяется вдоль воздушного зазора машины. При подключении нагрузки в проводниках обмотки якоря увеличивается ток I, который создает свое собственное магнитное поле. Это поле взаимодействует с основным полем машины, создаваемым полюсами индуктора.
Воздействие поля якоря на основное поле машины называется реакцией якоря. Влияние потока якоря приводит к
искажению результирующего поля ма-
шины и неравномерному распределе-
нию магнитного потока под полюса
ми. При этом в тех местах полюсов,
где направление линий поля якоря и поля индуктора совпадают, происходит усиление результирующего поля, в противном случае – ослабление результирующего магнитного поля.
Вследствие искажения поля машины происходит смещение физической нейтрали, перпендикулярной направлению магнитных силовых линий относительно геометрической нейтрали, на которой устанавливаются щетки. В процессе вращения якоря неподвижные щетки периодически замыкают накоротко соседние коллекторные пластины и, следовательно, замыкают накоротко часть обмотки якоря (секции), цепь которой соединена с этими пластинами. При этом происходит периодическое замыкание и размыкание цепи; щетка — короткозамкнутая секция, в проводниках которой под действием индуктированной в них ЭДС возникает ток короткого замыкания. Величина этого тока будет зависеть от величины указанной ЭДС. Процесс перехода щетки с одной коллекторной пластины на другую и явления, связанные с этим переходом, называются коммутацией. Если же щетки будут оставаться на геометрической нейтрали, то в проводниках короткозамкнутой секции будет возникать довольно значительная ЭДС и ток, вызывающий в процессе коммутации значительное искрение под щетками и, как следствие этого, подгорание коллекторных пластин. При наиболее неблагоприятных условиях коммутации искрение настолько возрастает, что вокруг коллектора может возникнуть так называемый «круговой огонь», при котором обмотка якоря практически работает в режиме короткого замыкания.
Для обеспечения безыскровой коммутации, с изменением тока нагрузки необходимо соответственно менять и положение щеток, что представляет большие неудобства в процессе эксплуатации машины.
В современных машинах постоянного тока для безыскровой работы применяют дополнительные полюса, расположенные между основными полюсами на геометрической нейтрали. Полярность дополнительных полюсов выбирают с таким расчетом, чтобы их поток был направлен навстречу поперечной составляющей потока якоря. Для автоматической компенсации продольной составляющей потока якоря при изменении нагрузки обмотки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря машины с таким расчетом, чтобы поток дополнительных полюсов при любой заданной нагрузке был равен поперечной составляющей потока якоря при этой нагрузке.
Важнейшей характеристикой генератора постоянного тока с параллельным возбуждением является внешняя характеристика — зависимость напряжения на зажимах от тока нагрузки I при постоянном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость U(I) при Rp = const и п = nном = const.
Уравнение, описывающее внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуждением, можно получить исходя из уравнения электрического равновесия, записанного по второму закону Кирхгофа для цепи нагрузки,
Пренебрегая относительно небольшой величиной тока возбуждения, без особой погрешности можно принять 1=1Я.
С учетом этого уравнение внешней характеристики запишется в следующем виде
Если при этом принять Е = const, то внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением представится в виде прямой.
В реальных машинах Е const вследствие размагничивающего действия реакции якоря, так как с увеличением тока якоря результирующий поток, а следовательно, и ЭДС якоря уменьшаются, и при этом уменьшается ток возбуждения. Поэтому в действительности внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет вид ниспадающей кривой 1 (рис. 5). В целом уменьшение напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока нагрузки обусловлено следующими основными причинами: 1) с увеличением тока нагрузки увеличивается падение напряжения на обмотке якоря —Rя Iя 2) с увеличением нагрузки, вследствие реакции якоря происходит уменьшение результирующего магнитного потока, а следовательно, и ЭДС Е якоря.
Наличие указанных двух причин, в свою очередь, приводит к уменьшению тока возбуждения, а следовательно, уменьшению магнитного потока, ЭДС якоря и соответственно напряжения на зажимах генератора.
Таким образом, в соответствии с внешней характеристикой генератора с параллельным возбуждением, по мере увеличения тока нагрузки происходит уменьшение напряжения на его зажимах.
Во многих случаях на практике необходимо, чтобы с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным, т. е.
Из этого уравнения видно, что для обеспечения постоянства напряжения необходимо, чтобы падение напряжения на обмотке якоря, а также снижение ЭДС за счет указанных выше других причин было скомпенсировано, с тем чтобы разность в правой части уравнения при изменении тока нагрузки в заданных пределах оставалась постоянной. Это достигается соответствующим увеличением ЭДС Е якоря в результате изменения тока возбуждения генератора. Регулировочной характеристикой называется зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при п = nном = const, при которой обеспечивается постоянство напряжения на зажимах генератора, т. е. зависимость Iв(I) при U=const и п = nном = const .Изменение тока возбуждения производится изменением положения движка регулировочного реостата RP.
Из регулировочной характеристики видно, что с увеличением тока нагрузки при заданных условиях ток возбуждения должен возрастать вначале медленно. По мере дальнейшего роста нагрузки, вследствие явления насыщения стали магнитопровода, незначительное приращение магнитного потока, а следовательно, незначительное приращение ЭДС Е якоря достигается довольно значительным увеличением тока возбуждения. В результате в области относительно больших нагрузок кривая зависимости Iв(I) довольно резко загибается вверх (см. рис. 6).
Генератор постоянного тока с независимым возбуждением имеет схему, представленную на рис. 7.
Как видно из схемы, у этого генератора обмотка возбуждения питается от постороннего, независимого источника, в качестве которого может быть использован другой генератор постоянного тока, аккумуляторная батарея, а также любой другой источник постоянного напряжения.
Свойства генераторов с независимым возбуждением так же, как и генераторов с параллельным возбуждением, определяются соответствующими характеристиками.
Характеристика холостого хода генератора с независимым возбуждением по виду не отличается от соответствующей характеристики генератора постоянного тока с параллельным возбуждением (см. рис. 3).
Внешняя характеристика такого генератора имеет, примерно, тот же вид, что и у генераторов с параллельным возбуждением, но оказывается более жесткой (см. рис. 5, кривая 2), так как у этих генераторов отсутствует третья причина снижения напряжения, вследствие чего при изменении тока нагрузки происходит несколько меньшее изменение напряжения на зажимах генератора такого типа. Этим объясняется также и то, что регулировочная характеристика генератора с независимым возбуждением оказывается более пологой, чем генератора с параллельным возбуждением (рис. 6, кривая 2).
Генератор постоянного тока с последовательным возбуждением включается по схеме, представленной на рис. 8. Как видно из этой схемы, такой генератор имеет обмотку возбуждения, которая включается последовательно с обмоткой якоря и с нагрузкой. Поэтому в данном случае ток якоря оказывается равным току возбуждения и току нагрузки, т. е. Iя =
Характеристика холостого хода генератора с последовательным возбуждением снимается при питании обмотки возбуждения от независимого источника и имеет тот же вид, что и у генераторов других типов (см. рис. 3).
Уравнение электрического равновесия, записанное для замкнутой цепи генератора с последовательным возбуждением в соответствии со вторым законом Кирхгофа, имеет вид
,
где — сопротивление обмотки последовательного возбуждения.
С учетом этого уравнение внешней характеристики для этого генератора запишется в виде
.
Сопротивление обмотки возбуждения угенераторов с последовательным возбуждением, рассчитанной на прохождение всего тока нагрузки, оказывается незначительным, поэтому при расчете характеристик оно не учитывается.
Как видно из уравнения, напряжение на зажимах генератора при любой заданной нагрузке равно разности между ЭДС и падением напряжения на обмотках якоря и возбуждения.
С изменением же тока нагрузки, равного току возбуждения, величины, входящие в уравнение, будут изменяться. При этом ЭДС изменяется в соответствии с характеристикой холостого хода (рис. 9, зависимость 1), а падение напряжения по прямолинейному закону (зависимость 2). Нетрудно видеть, что данному значению тока нагрузки соответствует напряжение, определяемое как разность ординат указанных зависимостей.
В результате внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением приобретает вид зависимости U(I) (см. рис. 9).
Особенностью внешней характеристики генератора с последовательным возбуждением является то, что в пределах относительно малых нагрузок напряжение на его зажимах возрастает, а при достаточно больших нагрузках — снижается. Подобная внешняя характеристика является весьма неудобной при работе с меняющейся нагрузкой. Поэтому такие генераторы целесообразно использовать для питания потребителей с неменяющейся нагрузкой. Изменение напряжения на зажимах генератора в отличие от генераторов с параллельным и независимым возбуждением, осуществляется путем изменения величины тока в обмотке возбуждения — либо шунтированием обмотки соответствующим сопротивлением, либо уменьшением числа витков обмотки возбуждения шунтированием части из них.
Резкое уменьшение напряжения с увеличением нагрузки обусловливает значительно меньшие токи короткого замыкания, чем у генераторов с параллельным и независимым возбуждением. Это явилось причиной того, что подобные генераторы находят широкое применение для питания потребителей, сопротивление которых может принимать весьма малые значения, а также потребителей, способных создавать при работе режимы короткого замыкания (например сварочные дуговые машины), без опасности недопустимой перегрузки обмоток генератора.
Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением отличаются наличием двух обмоток возбуждения. Цепь одной из обмоток возбуждения (RB1) включается параллельно цепи якоря, а цепь другой (RB) — последовательно с обмоткой якоря и с нагрузочным сопротивлением. Таким образом, генератор со смешанным возбуждением имеет комбинированную систему возбуждения. Схема генератора постоянного тока со смешанным возбуждением приведена на рис. 10.
При отключении обмотки параллельного возбуждения подобный генератор превращается в генератор с последовательным возбуждением, а при отключении обмотки последовательного возбуждения — в генератор с параллельным возбуждением.
Основной обмоткой возбуждения такого генератора является обмотка параллельного возбуждения (RB1). Последовательная обмотка возбуждения (RB) выполняет при этом роль вспомогательной.
Уравнение электрического равновесия, записанное для якорной цепи генератора (см. рис. 10), и уравнение внешней характеристики, соответственно, имеют такой же вид, как и уравнения для генератора с последовательным возбуждением. Однако входящий в выражение для ЭДС якоря магнитный поток представляет собой сумму магнитного потока , создаваемого последовательной обмоткой возбуждения, и потока
создаваемого параллельной обмоткой возбуждения. При согласном включении обмоток возбуждения генератора (см. рис. 10) этот поток оказывается равным
.
При отключенной последовательной обмотке возбуждения генератор будет иметь такую же внешнюю характеристику, как и генератор с параллельным возбуждением (см. рис. 5). Включение этой обмотки приводит к наложению потока на поток . При этом внешняя характеристика приобретает вид зависимости 1 (рис. 11), которая отражает свойства генератора с параллельным возбуждением и генератора с последовательным возбуждением. В этом случае напряжение хотя и меняется с изменением нагрузки, однако слабее, чем у генераторов с параллельным возбуждением. Нетрудно видеть, что можно так подобрать параметры обмотки последовательного возбуждения, что напряжение на зажимах генератора в определенном интервале нагрузок практически не будет меняться с изменением тока нагрузки (см. рис. Зависимость 2).
0,37 8,8 0,77 |
Изменение направления тока в обмотке последовательного возбуждения приводит к созданию встречного по отношению к основному потоку потока . При этом результирующий магнитный поток генератора будет равен
Это приводит к тому, что с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора резко падает (см. рис. 11, зависимость 3).
Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением с падающей внешней характеристикой так же, как и генераторы с последовательным возбуждением, целесообразно использовать в условиях возможных частых коротких замыканий (например, для питания дуговых сварочных машин).
Методические указания по выполнению работы
1. На демонстрационном стенде «Машины постоянного тока» ознакомиться с устройством генератора постоянного тока параллельного возбуждения. Записать в лабораторный отчет технические паспортные данные исследуемого генератора:
Номинальная мощность (Pиом), кВт
Номинальное напряжение (Uиом), В
Номинальный ТОК (Iиом), А
Номинальная частота вращения (nиом), об/мин
Номинальный КПД, (ηиом).
2. На рабочей панели «Генератор постоянного тока» стенда в
соответствии с принципиальной схемой (рис. 18.12) собрать схе
му для испытания генератора постоянного тока параллельного
возбуждения. Монтаж схемы осуществляется соединителями по
монтажной схеме, приведенной на рис. 18.13. В качестве привод
ного двигателя генератора используется асинхронный трехфаз
ный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Сборку
схем электродвигателя исследуемого генератора проводят на од
ной и той же панели.
Перед пуском приводного электродвигателя необходимо:
а) установить рукоятку нагрузочного реостата на панели
«Машины постоянного тока» в крайнее левое положение (цепь
нагрузки генератора должна быть разомкнута);
б) установить рукоятку регулировочного реостата в цепи то
ка обмотки возбуждения генератора в крайнее левое положение,
т. е. установить минимальный ток возбуждения ( );
в) произвести пуск приводного электродвигателя. Для этого,
включив напряжение сети на панели «Машины переменного то
ка», нажать кнопку «Включение асинхронной и синхронной ма
шины»;
г) при установившейся частоте вращения якоря генератора
(п = const) увеличить ток возбуждения генератора путем изме
нения сопротивления RB регулировочного реостата возбуждения.
При этом необходимо убедиться, что генератор самовозбуждает
ся. При правильном включении обмотки возбуждения наводи
мая в якоре генератора ЭДС будет возрастать.
3. Снять характеристику холостого хода генератора E( )
при n — const и I= 0. Показания для первой точки характеристики снимать при разомкнутой цепи обмотки возбуждения. Установив предварительно ручку регулировочного реостата в крайнее левое положение, включить цепь возбуждения и снять показания в шести-семи точках, плавно увеличивая ток возбуждения до значения, при котором ЭДС Е якоря генератора на 10. 15% больше номинального значения напряжения генератора. Затем, плавно уменьшая ток возбуждения до нуля, снять показания измерительных приборов еще для шести-семи точек. При снятии прямой и обратной ветвей характеристики холостого хода Е ( ) не допускается переменное увеличение и уменьшение тока возбуждения, так как в противном случае будет происходить искажение характеристики из-за влияния явления гистерезиса.
Таблица 18.1 |
Результаты измерений записать в табл. 1
Номера измерений Измерения |
, А |
, В |
, А |
, В |
Рис.13
4. Снять внешнюю характеристику генератора U(I) при RB = const и n = const, начиная с номинального режима (при номинальном напряжении и номинальном токе ). Для этого необходимо:
а) возбудить генератор и установить одновременным измене
нием сопротивления Rн нагрузки (нагрузочным реостатом) и
тока возбуждения IB номинальный режим; определить номиналь
ное значение тока возбуждения . В дальнейшем сопротивле
ние RB реостата возбуждения не изменять;
б) нагрузочным реостатом уменьшить ток нагрузки I до нуля
и записать показания приборов в табл. 2;
в) постепенно увеличивая нагрузку генератора I от 0 до 1,2 , снять показания в шести-семи точках, включая точку номи
нального режима. Результаты измерений записать в табл. 2.
Номера Измерения Измерения ^^^^. |
U, В |
I,А |
,А |
Р*, кВт |
* Р = UI — мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь.
5. Снять регулировочную характеристику генератора при U = const и = const. Для этого необходимо:
а) установить на зажимах генератора заданное преподавате
лем напряжение при токе нагрузки, равном нулю;
б) изменяя нагрузку генератора нагрузочным реостатом RH,
поддерживать регулировочным реостатом RB напряжение на на
грузке генератора постоянным U = const. Ток нагрузки I при
этом должен изменяться в пределах от 0 до 1,2 . Результат из
мерений для шести-семи точек занести в табл. 3.
Номера измерений Измерения |
, В |
, А |
, А |
6. Обработка результатов измерений:
а) по полученным в п. 3 данным измерений построить зависи
мость Е(IВ) при n= const и I = 0;
б) по результатам измерений и вычислений в п.4 построить
зависимости U(I) и U(P) при RB = const и n= const;
в) по построенной зависимости U(I) вычислить процентное
повышение напряжения генератора при переходе от режима но
минальной нагрузки к режиму холостого хода;
г) по результатам измерений и вычислений п.5 построить за
висимость IB(I) при U = const и n = const.
1.Объясните устройство и принцип действия генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.
2.По каким внешним конструктивным признакам можно отличить электрическую машину постоянного тока от электрической машины переменного тока?
3.Укажите условия самовозбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.
4.Объясните, при каких условиях заканчивается процесс самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением и какие факторы влияют на величину ЭДС, возникающую на его зажимах.
5.Поясните вид характеристики холостого хода генератора с параллельным возбуждением.
6.Дайте обоснование причин снижения напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока нагрузки.
7.Объясните, почему в машинах постоянного тока магнитопровод статора выполняется сплошным (литым), а якоря — наборным из изолированных пластин электротехнической стали.
8.Укажите причину, по которой генератор параллельного возбуждения не возбуждается при изменении полярности подключения к якорю обмотки возбуждения.
9.Поясните, почему при отсутствии тока в обмотке возбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением имеет место ЭДС на его зажимах.
10. Объясните различие внешних характеристик генераторов постоянного тока с параллельным, смешанным и последовательным возбуждением.
Литература
1.Касаткин А.С. Электротехника: Учеб. для вузов/ А.С. Касаткин, М.В.Ю. Немцов.- 7-е изд., стер.-М.: Высш. Шк., 2003.-542с.
2.Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001.-448 с.
3.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина.-М.: Горячая линия-Телеком, 2003.-768 с.
4.Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.-7-е изд., стер.-М.: Высш. Шк., 2001.-542 с.: ил.
| | следующая лекция ==> | |
А. Соединение потребителей электроэнергии звездой без нейтрального провода | | | ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ |
Дата добавления: 2015-07-30 ; просмотров: 4406 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
http://kratko-obo-vsem.ru/articles/819-general-information-about-generators-of-a-direct-current.html
http://helpiks.org/4-36691.html