Изобразите и поясните внешние характеристики генераторов кратко
Обновлено: 05.07.2024
О свойствах генератора судят по характеристикам, показывающим зависимость между основными величинами, определяющими работу машины. Основные характеристики генератора холостого хода: внешняя, регулировочная.
Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения при токе нагрузки и его частоте вращения (рис. 4). При этом ЭДС пропорциональна магнитному потоку .
Благодаря остаточному магнитному полю при и , характеристика не проходит через начало координат.
Характеристика состоит из трех частей: начальная прямолинейная часть, где магнитная система не насыщена, и при увеличении тока возбуждения магнитный поток и ЭДС увеличиваются (участок ); “колено” характеристики, где магнитная система находится в полунасыщенном состоянии и рост магнитного потока и ЭДС замедляются (участок 1-2); магнитная система насыщена (участок 2-3). Рис. 4
Положение точки А, соответствующее номинальной ЭДС, дает возможность судить об устойчивости напряжения генератора при работе и о пределах, в которых можно регулировать напряжение.
Если бы точка А находилась на прямолинейной части характеристики, то незначительные изменения , вызывали бы значительные изменения ЭДС и напряжения. В этом случае работа генератора была бы неустойчивой.
Генераторы независимого и параллельного возбуждения имеют аналогичные характеристики холостого хода.
Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при ; .
Уравнение электрического состояния цепи якоря
где – внутреннее сопротивление цепи якоря, состоящее из сопротивления обмотки якоря, обмотки дополнительных полюсов, сопротивления щеток и коллектора;
– для генератора независимого возбуждения;
– для генератора параллельного возбуждения;
Как видно из уравнения (2), напряжение на зажимах генератора независимого возбуждения при увеличении тока нагрузки уменьшается по двум причинам:
1. Увеличение падения напряжения в цепи якоря.
2. Возрастающее влияние потока якоря на основной поток полюсов (размагничивающее действие реакции якоря), приводящее к уменьшению ЭДС .
Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения имеет вид кривой 1 (рис.5).
В генераторах параллельного возбуждения к двум указанным причинам добавляется третья – уменьшение тока возбуждения вследствие понижения напряжения, вызванного первой и второй причинами. Уменьшение тока возбуждения вызывает уменьшение магнитного потока, ЭДС ( ) и дополнительное уменьшение напряжения (см. рис. 5, кривая 2) – внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения. Рис. 5
Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки, ток нагрузки увеличивается лишь до критического значения , а затем начинает самопроизвольно уменьшаться до тока короткого замыкания . При этом напряжение на зажимах генератора и ток возбуждения резко уменьшаются и исчезают. Ток короткого замыкания якоря генератора параллельного возбуждения определяется только потоком остаточной намагниченности и поэтому мал. Рис. 6.
Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при и .
Регулировочная характеристика (рис. 6) показывает, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Из уравнения (2) следует, что при увеличении нагрузки напряжение уменьшается, а чтобы оно было неизменным, нужно увеличить ЭДС, которая зависит от тока возбуждения.
Очень важной характеристикой генератора является его КПД
где – полезная мощность, отдаваемая генератором;
– мощность потерь в цепи возбуждения;
– мощность потерь в цепи якоря.
Формула (3) для расчета КПД генератора является приближенной, так как не учитывает магнитные и механические потери. Обычно магнитные и механические потери в генераторах очень малы.
О свойствах генератора судят по характеристикам, показывающим зависимость между основными величинами, определяющими работу машины. Основные характеристики генератора холостого хода: внешняя, регулировочная.
Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения при токе нагрузки и его частоте вращения (рис. 4). При этом ЭДС пропорциональна магнитному потоку .
Благодаря остаточному магнитному полю при и , характеристика не проходит через начало координат.
Характеристика состоит из трех частей: начальная прямолинейная часть, где магнитная система не насыщена, и при увеличении тока возбуждения магнитный поток и ЭДС увеличиваются (участок ); “колено” характеристики, где магнитная система находится в полунасыщенном состоянии и рост магнитного потока и ЭДС замедляются (участок 1-2); магнитная система насыщена (участок 2-3). Рис. 4
Положение точки А, соответствующее номинальной ЭДС, дает возможность судить об устойчивости напряжения генератора при работе и о пределах, в которых можно регулировать напряжение.
Если бы точка А находилась на прямолинейной части характеристики, то незначительные изменения , вызывали бы значительные изменения ЭДС и напряжения. В этом случае работа генератора была бы неустойчивой.
Генераторы независимого и параллельного возбуждения имеют аналогичные характеристики холостого хода.
Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при ; .
Уравнение электрического состояния цепи якоря
где – внутреннее сопротивление цепи якоря, состоящее из сопротивления обмотки якоря, обмотки дополнительных полюсов, сопротивления щеток и коллектора;
– для генератора независимого возбуждения;
– для генератора параллельного возбуждения;
Как видно из уравнения (2), напряжение на зажимах генератора независимого возбуждения при увеличении тока нагрузки уменьшается по двум причинам:
1. Увеличение падения напряжения в цепи якоря.
2. Возрастающее влияние потока якоря на основной поток полюсов (размагничивающее действие реакции якоря), приводящее к уменьшению ЭДС .
Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения имеет вид кривой 1 (рис.5).
В генераторах параллельного возбуждения к двум указанным причинам добавляется третья – уменьшение тока возбуждения вследствие понижения напряжения, вызванного первой и второй причинами. Уменьшение тока возбуждения вызывает уменьшение магнитного потока, ЭДС ( ) и дополнительное уменьшение напряжения (см. рис. 5, кривая 2) – внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения. Рис. 5
Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки, ток нагрузки увеличивается лишь до критического значения , а затем начинает самопроизвольно уменьшаться до тока короткого замыкания . При этом напряжение на зажимах генератора и ток возбуждения резко уменьшаются и исчезают. Ток короткого замыкания якоря генератора параллельного возбуждения определяется только потоком остаточной намагниченности и поэтому мал. Рис. 6.
Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при и .
Регулировочная характеристика (рис. 6) показывает, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Из уравнения (2) следует, что при увеличении нагрузки напряжение уменьшается, а чтобы оно было неизменным, нужно увеличить ЭДС, которая зависит от тока возбуждения.
Очень важной характеристикой генератора является его КПД
где – полезная мощность, отдаваемая генератором;
– мощность потерь в цепи возбуждения;
– мощность потерь в цепи якоря.
Формула (3) для расчета КПД генератора является приближенной, так как не учитывает магнитные и механические потери. Обычно магнитные и механические потери в генераторах очень малы.
Данная характеристика показывает, как изменяется напряжение на зажимах
генератора при изменении силы тока нагрузки, то есть внешняя характеристика генератора – это зависимость напряжения на зажимах (на щётках) генератора от силы тока, протекающего в обмотке якоря. Получим уравнение этой характеристики на основании расчётной схемы генератора (рис.6.4), для чего составим уравнение электрического равновесия якорной цепи и выразим потенциал точки Я1 (jЯ1) через потенциал точки Я2 (jЯ2):
Реактивное сопротивление обмотки якоря равно нулю (Хя = 0), так как ток постоянный.
Перепишем (6.14) в следующем виде:
Учитывая, что jЯ1 – jЯ2 = U , получим следующее:
Полученное уравнение (6.16) представляет собой уравнение внешней характеристики генератора.
Е = kФw . (6.17)
Кроме того, на основании (6.1) можем записать:
где wв – число витков обмотки возбуждения.
Графически внешняя характеристика генератора (то есть зависимость
U = f (Iя )) выглядит так, как показано на рис.6.5.
Пунктирной линией на рис.6.5 показана внешняя характеристика идеального генератора, у которого Rя = 0.
Вопросы для самоконтроля
1. Запишите и расшифруйте выражение внешней характеристики генератора.
2. Изобразите качественно внешнюю характеристику генератора.
3. Укажите путь улучшения внешней характеристики генератора.
Регулирование напряжения генератора
Напряжение на зажимах генератора, как видно из (6.16), зависит от значения э.д.с., наводимой в якоре, и силы тока в обмотке якоря (силы тока нагрузки). Э.д.с.,
которая индуктируется в якоре, как видно из (6.17), зависит от значения магнитного потока и скорости вращения якоря. Магнитный поток, как видно из (6.18), зависит от силы тока в обмотке возбуждения. Следовательно, регулировать напряжение на зажимах генератора можно следующим образом:
1) изменением силы тока в обмотке возбуждения (для этого используют реостат, включённый последовательно с обмоткой возбуждения);
2) изменением скорости вращения якоря.
Вопрос для самоконтроля
1. Перечислите способы регулирования напряжения на зажимах генератора,
укажите технические средства для их реализации.
6.7. Принципиальная электрическая схема
управления генератором
В соответствии с изложенным выше составляем принципиальную электрическую схему управления генератором (рис.6.6).
На данной схеме (рис.6.6) приведены следующие обозначения:
РВ – регулировочный реостат в цепи
возбуждения;
ОВ – обмотка возбуждения;
Ш1, Ш2 – зажимы обмотки возбуждения;
Я1, Я2 – зажимы обмотки якоря;
Я – якорь генератора;
w – угловая скорость вращения
вала генератора;
РA – амперметр, измеряющий силу тока нагрузки;
РV – вольтметр, измеряющий
напряжение на зажимах генератора;
РН – реостат нагрузки.
Пример 6.1
К генератору постоянного тока независимого возбуждения при неизменной угловой скорости подводится механическая мощность равная 7,0 кВт. Генератор развивает
электродвижущую силу равную 300 В. Сопротивление обмотки якоря генератора (включая сопротивление щёток) равно 1,5 Ом. Сопротивление цепи возбуждения генератора равно 270 Ом. На зажимы цепи возбуждения подаётся напряжение равное 270 В.
К генератору подключена нагрузка сопротивлением 13,5 Ом с помощью идеальной линии электропередачи. Потери мощности в механической системе генератора составляют 1,5 % от подводимой к валу мощности. Потери мощности в магнитопроводе генератора
составляют 3,0 % от подводимой к валу мощности. Добавочные потери составляют 0,1 % от подводимой к валу мощности.
Составить расчётные схемы якорной цепи с нагрузкой и цепи возбуждения.
Определить: силу тока в якорной цепи; мощность, развиваемую генератором; потери мощности в обмотке якоря; силу тока в цепи возбуждения; потери мощности в цепи возбуждения; потери мощности в механической системе; потери мощности в магнитопроводе;
суммарные потери мощности в генераторе; мощность, отдаваемую генератором в сеть (мощность нагрузки); электрический коэффициент полезного действия генератора; коэффициент полезного действия генератора как электромеханического преобразователя; электроэнергию, которую потребит нагрузка за 100 ч.
Построить в масштабе по двум точкам внешнюю характеристику генератора.
1. Составляем расчётную схему, состоящую из якорной цепи и цепи возбуждения:
2. Определяем силу тока в якорной цепи:
3. Определяем мощность, развиваемую генератором:
4. Определяем потери мощности в обмотке якоря:
5. Определяем силу тока в цепи возбуждения:
6. Определяем потери мощности в цепи возбуждения:
7. Определяем потери мощности в механической системе:
8. Определяем потери мощности в магнитопроводе:
9. Определяем добавочные потери мощности в генераторе:
10. Определяем суммарные потери мощности в генераторе:
11. Определяем мощность, отдаваемую генератором в сеть (мощность нагрузки):
12. Определяем электрический коэффициент полезного действия генератора:
13. Определяем коэффициент полезного действия генератора
как электромеханического преобразователя:
14. Определяем электроэнергию, которую потребит нагрузка за 100 ч:
15. Рассчитываем и строим внешнюю характеристику генератора:
U = Е – RяIя = 300 – 1,5×Iя.
| U, В |
| Iя , А |
Вопросы для самоконтроля
1. Составьте принципиальную электрическую схему управления генератором
постоянного тока параллельного возбуждения.
2. Поясните, как регулируется напряжение на зажимах генератора
при изменении нагрузки, используя внешнюю характеристику генератора
и принципиальную схему управления.
Задания для самоконтроля
К генератору постоянного тока независимого возбуждения при неизменной угловой скорости подводится механическая мощность равная 5,0 кВт.
Генератор развивает электродвижущую силу равную 240 В. Сопротивление
обмотки якоря генератора (включая сопротивление щёток) равно 0,5 Ом.
Сопротивление цепи возбуждения равно 220 Ом. На зажимы цепи возбуждения подаётся напряжение равное 220 В.
К генератору подключена нагрузка сопротивлением 11,5 Омс помощью идеальной линии электропередачи. Потери мощности в механической системе генератора составляют 0,5 % от подводимой к валу мощности. Потери мощности в магнитопроводе генератора составляют 1,0 %от подводимой к валу мощности. Добавочные потери мощности в генераторе составляют 0,2 % от подводимой к валу мощности.
1. Составить расчётные схемы якорной цепи с нагрузкой и цепи возбуждения.
2. Определить силу тока в якорной цепи.
3. Определить мощность, развиваемую генератором.
4. Определить потери мощности в обмотке якоря.
5. Определить силу тока в обмотке возбуждения.
6. Определить потери мощности в обмотке возбуждения
7. Определить потери мощности в механической системе.
8. Определить потери мощности в магнитопроводе.
9. Определить добавочные потери мощности в генераторе.
10. Определить суммарные потери мощности в генераторе.
11. Определить мощность, отдаваемую генератором в сеть
(мощность нагрузки).
12. Определить электрический коэффициент полезного действия генератора.
13. Определить коэффициент полезного действия генератора
как электромеханического преобразователя.
14. Построить в масштабе по двум точкам внешнюю характеристику генератора.
15. Определить напряжение на зажимах генератора
при силе тока в якорной цепи равной 10 А.
Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 29 января 2013 .
Категория: Статьи.
Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения iв, 3) ток якоря Iа или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.
Обычно генераторы работают при n = const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при n = nн = const.
Существуют пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.
Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.
Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.
Характеристика холостого хода
Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (iв) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или электродвижущей силы (э. д. с.) якоря Eа от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, P2 = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рисунка 1, а при отключенном рубильнике.
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)
 |
| Рисунок 2. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения |
Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения U = (1,15 – 1,25) Uн (точка а кривой на рисунке 2). При уменьшении iв напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При iв = 0 генератор развивает некоторое напряжение U00 = Об (рисунок 2), обычно равное 2 – 3% от Uн, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить iв в обратном направлении, начиная с iв = 0, то при некотором iв
Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U = f (I) при iв = const и n = const (рисунок 5) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.
При увеличении I напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря I × Rа и уменьшения э. д. с. Eа ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря (при щетках на геометрической нейтрали). При дальнейшем увеличении I напряжение начнет падать быстрее, так как под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины.
 |
| Рисунок 5. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения |
Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (iв= iвн), когда при I = Iн также U = Uн (номинальный режим). При переходе к холостому ходу (I = 0) в этом случае напряжение возрастает на вполне определенную величину ΔUн (рисунок 5), которая называется номинальным изменением напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения
Внешнюю характеристику (в левом квадранте рисунка 6) можно построить также с помощью х. х. х. (в правом квадранте рисунка 6) и характеристического треугольника. Для этого проведем на рисунке 6 вертикальную прямую аб, соответствующую заданному току iв = const. Тогдааб =0в представляет собой U при I = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.
Разместим затем на рисунке 6 характеристический треугольник где, построенный в соответствующих масштабах для I = Iн, таким образом, чтобы его вершина г лежала на х. х. х., а катет де – на прямой аб. Тогда отрезок ае = жз будет равен U при I = Iн, что можно доказать следующим образом. Если U = ае, то Eа = U + Iн × Rа = ае + ед = ад = иг и для создания такой э. д. с. при холостом ходе требуется ток возбуждения iве = 0и. При нагрузке ток возбуждения нужно увеличить на величину iва = гд = иа для компенсации размагничивающей реакции якоря. Необходимый полный ток возбуждения при этом iв = iве+ iва = 0и + иа = 0а как раз соответствует заданному, что и требовалось доказать.
Если принять, что катеты, а следовательно, и гипотенуза характеристического треугольника изменяются пропорционально I, то для получения других точек внешней характеристики достаточно провести на рисунке 6 между х. х. х. и прямой аб наклонные отрезки прямых (гипотенузы новых характеристических треугольников), параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние точки этих отрезков (на прямой аб) будут определять значение U при токах
Перенеся эти точки по горизонтали в левый квадрант рисунка 6 для соответствующих значений I и соединив их плавной кривой, получим искомую внешнюю характеристику U = f (I).
 |
| Рисунок 6. Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника |
В действительности горизонтальный катет характеристического треугольника при уменьшении Uрастет не пропорционально I. Поэтому реальная внешняя характеристика отклоняется от построенной несколько в сторону, как показано в левом квадранте рисунка 6 штриховой линией.
Точка внешней характеристики с U = 0 определяет значение тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Так как Rа мало, то этот ток в 5 – 15 раз превышает Iн. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникают круговой огонь, а также большие механические усилия и моменты вращения. Поэтому в условиях эксплуатации генераторы и двигатели средней и большой мощности защищаются быстродействующими автоматическими выключателями в цепи якоря, которые ограничивают длительность короткого замыкания и отключают машину от сети в течение 0,01 – 0,05 с после начала внезапного короткого замыкания. Однако эти выключатели не защищают машину при коротком замыкании внутри машины.
Если имеются опытные х. х. х. и внешняя характеристика и если известно Rа, то произведя построение на рисунке 6 в обратной последовательности, можно получить характеристические треугольники с учетом реальных условий насыщения для любых значений U и Eа.
Для того чтобы снять внешнюю характеристику генератора постоянного тока с независимым возбуждением, приводим генератор во вращение, и с помощью обмотки возбуждения устанавливаем ток Iв таким, чтобы получить Uхх. Затем с помощью ключа K подключаем сопротивление нагрузки и изменяем ток в цепи якоря. Снимаем внешнюю характеристику.
Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением для получения нагрузочной, внешней и регулировочной характеристик.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Напряжение на якоре генератора у внешней характеристики снижается по тем же причинам, что и у нагрузочной характеристики.
Регулировочная характеристика генератора
Регулировочная характеристика снимается в следующей последовательности: генератор приводится во вращение от постороннего источника механической энергии, и с помощью тока в обмотке возбуждения на якоре генератора устанавливается напряжение на 20-25% меньше номинального. Делается это для того чтобы иметь возможность регулировать ток в обмотке возбуждения до номинального значения. Напряжение будет поддерживаться постоянным в течение всего опыта. Затем подключают нагрузку к обмотке якоря. Как только будет подключена нагрузка, по якорю начнет протекать ток I1. В результате протекания тока уменьшится напряжение на якоре генератора. Чтобы поднять напряжение до установленного постоянного значения, нужно увеличить ток в обмотке возбуждения, чтобы напряжение опять стало максимальным, и произвести замеры тока якоря и тока статора.
Регулировочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Регулировочная характеристика имеет две ветви: восходящую и нисходящую. В результате перемагничивания магнитной системы на нисходящей ветви требуется меньшее значение тока возбуждения при одном и том же значении тока нагрузки для установления требуемого постоянного напряжения.
Характеристика короткого замыкания генератора
Схема испытания генератора в режиме короткого замыкания такая же, как и в режиме холостого хода, но вместо вольтметра в цепи якоря нужно установить амперметр.
Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением для получения характеристики короткого замыкания.
Как только генератор, якорь которого замкнут через амперметр, будет приведен во вращение от источника механической энергии, по обмотке якоря уже при токе возбуждения равным нулю, начнет протекать ток. Этот ток вызван остаточным магнетизмом и составляет приблизительно 30-40% от номинального тока.
Из-за наличия остаточного магнетизма, категорически запрещается проводить какие-либо работы на машинах постоянного тока, у которого вращается якорь.
Увеличиваем ток в обмотке возбуждения до тех пор, пока ток в якоре не достигнет номинального значения.
На этом опыт короткого замыкания заканчивается.
Так как ток в обмотке возбуждения будет значительно меньше номинального, магнитная система будет не насыщена, и характеристика короткого замыкания представляет собой прямую линию.
Характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Читайте также: