Уравнение эдс генератора постоянного тока

Видео:генератор независимого возбужденияСкачать

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Видео:Классификация ГПТ. Уравнения эдс и моментовСкачать

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinw t; e₂ = -Blvsinw t; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

Видео:Электродвигатель постоянного тока. Принцип работы.Скачать

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Видео:Электротехника (ТОЭ). Лекция 9. Метод эквивалентного генератора | Решение задачСкачать

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

• зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
• характеристики внешних параметров;
• регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EI_a. Отдаваемая в цепь полезная мощность P₁ = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η_e. Тогда: η_e=P₁/P.

На холостом ходе η_e = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Видео:Задача 1. Генератор постоянного тока параллельного возбужденияСкачать

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео:Генератор постоянного токаСкачать

Генератор постоянного тока ГПТ: основные понятия.

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС E_a. 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 r_a , обмотки добавочных полюсов r_Д , компенсационной обмотки r_к.о., последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта r_щ.

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. I_a=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); P_ЭМ = 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; P_Эa — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря .

Учитывая потери на возбуждение генератора P_ЭВ, 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.

Видео:Принцип работы генератора переменного токаСкачать

Рассмотрим основные характеристики генераторов посто­янного тока.

Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₀ от тока возбуждения I_В:

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбу­ждения I_В:

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж­дения I_В 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.

Видео:Схема двигателя постоянного тока. Устройство и принцип работы.Скачать

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 R_H, 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 I_я 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 I_в для регулирования которого включено регу­лировочное сопротивление R_P. 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 I_z.

Одной из основных характеристик генератора с параллель­ным возбуждением является характеристика холостого хода, т. е. зависимость ЭДС Е_а, индуцируемой в обмотке якоря, от тока возбуждения I_в 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= п_н= const. Электродвижущая сила, возникающая на зажимах якоря, как из­вестно, определяется уравнением

где С_с — 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(I_В) будет иметь тот же вид, что и зависимость Ф(I_в).

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 I_в = 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 n_н Ф_ост.

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 (I_в) 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 R_H, 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 I_в 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 Е_ост возникает относительно неболь­шой ток возбуждения, величина которого определяется в соот­ветствии с законом Ома, записанным для цепи обмотки возбуж­дения (см. рис. 2).

где R_H — сопротивление цепи якоря; R_B — сопротивление обмотки возбуждения; R_P — сопротивление регулировочного реостата (в процессе самовозбуждения сопротивление R_p 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 I_в от ЭДС Е имеет прямолинейный вид, так как

Ко­тангенс угла наклона характеристики определяется коэффи­циентом пропорциональности ∑ R между ЭДС Е и током возбу­ждения I_в.

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 R_P 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 R_p 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 R_p = const и п = n_ном = 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=1_Я.

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 —R_я I_я 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 I_в(I) при U=const и п = nном = const .Изменение то­ка возбуждения производится изменением положения движка регулировочного реостата R_P.

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 I_в(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. I_я =

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 (R_B1) включается параллельно цепи яко­ря, а цепь другой (R_B) — 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 (R_B1). Последовательная обмотка возбуждения (R_B) 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).

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 (P_иом), кВт

Номинальное напряжение (U_иом), В

Номинальный ТОК (I_иом), А

Номинальная частота вращения (n_иом), об/мин
Номинальный КПД, (η_иом).

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 R_B 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.

Результаты измерений записать в табл. 1

Номера измерений Измерения

, А

, В

, А

, В

Рис.13
4. Снять внешнюю характеристику генератора U(I) при R_B = 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 R_н нагрузки (нагрузочным реостатом) и
тока возбуждения I_B номинальный режим; определить номиналь­
ное значение тока возбуждения . В дальнейшем сопротивле­
ние R_B 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 R_H,
поддерживать регулировочным реостатом R_B 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(I_В) при n= const и I = 0;

б) по результатам измерений и вычислений в п.4 построить
зависимости U(I) и U(P) при R_B = 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 I_B(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.

Дата добавления: 2015-07-30 ; просмотров: 4407 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

📸 Видео

Электрические машины постоянного токаСкачать

генератор параллельного возбужденияСкачать

Электрические машины постоянного тока, устройство и принцип действияСкачать

Исследование генератора постоянного тока параллельного возбужденияСкачать

Способы возбуждения электрических машин постоянного токаСкачать

Метод эквивалентного генератора. Задача 2Скачать

Вопросы 3.1, 3.2Скачать

Почему генераторы включают в противофазе на параллель? #энерголикбезСкачать

Тема «Классификация ГПТ, уравнения эдс и моментов»Скачать

Как работает генератор переменного тока?Скачать

Как устроен генератор автомобильный. Чем отличается генератор переменного тока от постоянногоСкачать

Машины постоянного тока. Обмотки якоря. Лекция №22Скачать