Характеристики генераторов постоянного тока кратко

Обновлено: 04.07.2024

где – суммарное сопротивление цепи якоря, включающее сопротивления самой обмотки якоря, обмоток добавочных полюсов и компенсационной и др.; – падение напряжения на щеточном контакте на пару щеток.

В генераторе электромагнитный момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя. Электрическая мощность на выходе генератора меньше механической мощности приводного двигателя на величину потерь мощности . Кпд генератора равен

Одной из характеристик генераторов постоянного тока является номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки

где – напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода.

Величина зависит от способа возбуждения генератора. Для генератора независимого возбуждения ; генератора параллельного возбуждения . У генератора смешанного возбуждения в зависимости от способа включения обмоток возбуждения величина зависит от соотношения витков в этих обмотках. Она может равняться нулю или иметь отрицательное значение. При этом напряжение на выходе такого генератора возрастает и компенсирует падение напряжения в проводах, соединяющих генератор и нагрузку [2].

Эксплуатационные свойства генераторов постоянного тока анализируются с помощью характеристик. Характеристики устанавливают зависимости между основными параметрами и величинами, определяющими работу машин. Они могут быть получены экспериментальным и расчетным путем. Для расчета необходимо знать значения конструктивных параметров и электромагнитных нагрузок.

Основная группа характеристик генераторов постоянного тока строится при постоянной частоте вращения якоря, т.е. . В эту группу входят следующие характеристики:

- характеристика холостого хода при ;

- внешняя характеристика при ;

- регулировочная характеристика при ;

- характеристика короткого замыкания при ;

- нагрузочная характеристика при .

Вид характеристики генератора определяется способом его возбуждения [1].

6.8.1. Генератор независимого возбуждения. Характеристика холостого хода показана на рис. 6.29. Она имеет форму кривой намагничивания. Кривизна характеристики определяется насыщением магнитной системы машины. Неоднозначность при увеличении и уменьшении тока возбуждения объясняется явлением гистерезиса. Генератор обычно проектируют так, чтобы точка N, соответствующая его номинальному напряжению, находилась на изломе кривой намагничивания. Ниже точки N эдс генератора неустойчива, а выше – снижается эффективность его регулирования. Эдс составляет номинального напряжения. Она является следствием остаточной намагниченности магнитопровода. Характеристика холостого хода позволяет определить соответствие расчетных и опытных данных. Она является основной при исследовании эксплуатационных свойств машины.

Внешняя характеристика снимается при постоянном токе возбуждения . Рост тока нагрузки приводит к снижению напряжения на зажимах якоря генератора (рис. 6.30). Это происходит под действием размагничивающей поперечной реакции якоря и падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины . Чем больше величина , тем более круто падающей будет внешняя характеристика и больше значение .

Регулировочная характеристика (рис.6.31) показывает, как надо изменять ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным. С увеличением тока нагрузки растет размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения на . Для компенсации их влияния ток возбуждения увеличивают. Чем больше величина , тем больше величина изменения этого тока. Она составляет 15 – 25% его номинального значения. Величина . Разница объясняется насыщением магнитной цепи машины [19].

Для получения характеристики короткого замыкания обмотку якоря закорачивают. Ток в ней доводят до значения . Ток в обмотке возбуждения при этом относительно мал. Магнитная цепь машины не насыщена. Характеристика практически прямолинейна. Она аналогична по виду характеристике короткого замыкания синхронной машины (рис. 5.15) и не проходит через начало координат вследствие остаточного намагничивания стали магнитопровода генератора при [1].

Нагрузочная характеристика 1 (рис. 6.32) проходит ниже характеристики холостого хода 2. Разность ординат этих кривых объясняется действием размагничивающей поперечной реакции якоря и падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины . Влияние этих факторов можно оценить с помощью характеристического треугольника АВС.

Внутренняя характеристика машины (кривая 3) при . Отрезок OD соответствует току возбуждения, который обеспечивает номинальный режим работы.Отрезок BD – эдс в этом режиме. Отрезок CD характеризует падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора . Эдс в режиме холостого хода (отрезок АF) обеспечивается меньшим током возбуждения (отрезок 0F). Избыток тока возбуждения (отрезок FD) необходим для компенсации размагничивающего действия реакции якоря. С помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника можно построить внешнюю и регулировочную характеристики [8].

6.8.2. Генератор параллельного возбуждения. В магнитной цепи существует остаточный магнитный поток . Если якорь вращать в остаточном магнитном поле, то в его обмотках наводится эдс . Под действием этой эдс в замкнутом контуре возникает ток возбуждения, который образует добавочный магнитный поток. Если этот поток действует согласно с остаточным потоком, то результирующий магнитный поток возрастает и происходит самовозбуждение. Процесс самовозбуждения может развиваться только в одном направлении. Поэтому характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения может быть построена только в одном квадранте (рис. 6.33). Расчетные характеристики холостого хода у генераторов независимого и параллельного возбуждения практически одинаковые. Ток возбуждения составляет всего несколько процентов от тока нагрузки и не оказывает существенного влияния на действие реакции якоря и падение напряжения .

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения показана на рис. 6.34. Снижение напряжения на выводах якорной обмотки происходит не только из-за влияния падения напряжения внутри машины и размагничивающего действия реакции якоря, но и из-за снижения тока возбуждения . После значения тока нагрузки напряжение уменьшается. Магнитная цепь машины становится менее насыщенной. В результате незначительное уменьшение тока возбуждения вызывает ещё большее уменьшение магнитного потока, эдс якоря и тока . Величина больше, чем при независимом возбуждении. Значение тока называется установившимся током короткого замыкания. Характеристики регулировочная, нагрузочная и короткого замыкания снимаются аналогично указанным характеристикам генератора независимого возбуждения.

6.8.3. Генераторы последовательного возбуждения и смешанного возбуждения. Генератор последовательного возбуждения практически не используется для выработки электроэнергии, поскольку у него . В процессе самовозбуждения наступает насыщение магнитной цепи. Действие реакции якоря и падение напряжения приводят к снижению напряжения . Генераторный режим машин последовательного возбуждения используется на электрифицированном транспорте. Обмотку возбуждения подключают к независимому источнику [19].

В генераторе смешанного возбуждения основную роль играет параллельная обмотка возбуждения. Она создает 60 – 85% магнитодвижущей силы, необходимой для возбуждения. Последовательная обмотка возбуждения предназначена для формирования желаемых внешних характеристик и чаще всего включается согласно с обмоткой якоря машины. В режиме холостого хода последовательная обмотка возбуждения не задействована. При этом характеристика холостого хода аналогична характеристике генератора параллельного возбуждения. Внешние и регулировочные характеристики генераторов с различными схемами возбуждения показаны на рис. 6.35. Генератор смешанного согласного возбуждения имеет наиболее благоприятную внешнюю характеристику [9].

Уравнение напряжений для цепи якоря генераторов постоянного тока имеет вид

где – напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода.

- характеристика холостого хода при ;

- внешняя характеристика при ;

- регулировочная характеристика при ;

- характеристика короткого замыкания при ;

- нагрузочная характеристика при .

Вид характеристики генератора определяется способом его возбуждения [1].

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

длина проволоки;
величина индукции магнитного поля;
частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д.с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

с независимым возбуждением;
с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

с параллельным возбуждением;
с последовательным возбуждением;
со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

подвижная вращающаяся часть якорь;
неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

простота конструкции, компактность;
надежность;
экономичность;
обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
практически линейная внешняя характеристика.

высокая стоимость;
ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.

Читайте также: