Принцип действия генератора постоянного тока независимого возбуждения кратко

Обновлено: 04.07.2024

Для работы генератора с независимым возбуждением необходимо два условия:

Необходимо с помощью приводного двигателя разогнать вал генератора с некоторой частотой.
Необходимо подать напряжение на обмотку возбуждения генератора.

Под действием Uв возникает ток возбуждения Iв, следовательно возникает магнитный поток Фо. За счет того, что проводники вращаются возникает ЭДС якоря Еа=Се∙Фо∙n.

При холостом ходе (SA разомкнут) появляется Uг=Еа= =Се∙Фо∙n.

SA замкнули: под действием ЭДС возникает ток якоря Iа.

Uг=Еа-Iа∙Rа. Возникает внутреннее падение напряжение в генераторе.

Ra=r_а+r_д+r_с+r_к – общая формула для расчета сопротивления якоря.

где r_а – сопротивление обмотки якоря.

r_д – сопротивление добавочных полюсов.

r_с – сереесное сопротивление.

r_к – компенсационное сопротивление.

Для работы генератора необходимо вращение приводного двигателя (ПД) и напряжение на обмотках возбуждения.

Принцип действия генератора параллельного возбуждения (самовозбуждение генератора)

Для работы данного генератора необходимо соблюдение одного условия, наличие приводного двигателя (ПД), вращающего вала генератора с некоторой частотой n.

Принцип действия основан на том, что каждый генератор, кторый хоть когда-либо был намагничен имеет небольшой остаточный магнитный поток (DФост).

При наличии вращения вала с некторой частотой n и остаточным магнитным потоком наведется остаточное напряжение, ЭДС, Еост, под действием которого в обмотке возбуждения наведется небольшой ток возбуждения, который наведет магнитный поток DФ небольшой величины. Они слаживаются DФ+DФост. Получим общее остаточное ЭДС Фост, которое уже больше предыдущего. Оно наводит уже большее Еост, следовательно и ток возбуждения станет больше, следовательно магнитный поток DФ увеличится. Снова слаживаем DФ+DФост, получим еще большее Фост и т.д.

Этот процесс происходит до тех пор, пока Еа=Еаmax, наведется ток в якоре.

Зависимость ЭДС:

Количество вращения частоты ПД.
r_в
От степени насыщения стали.

При одном и том же токе возбуждении в зависимости от стали можно получить магнитный поток больше величины, тем самым получим большее ЭДС. Чем больше насыщение стали, тем быстрее ЭДС достигается максимума.

Простейшие причины невозбуждения генератора

Отсутствие остаточного магнитного потока.
Длительное хранение машины, из-за этого исчезает остаточный магнитный поток.
Внезапное короткое замыкание. Может вызвать потери магнитного потока.
Встречное направление остаточного и наводимого магнитного потока (Ш1-Ш2 необходимо поменять местами). Поменять вращение двигателя в обратную сторону.
Мальнькая частота вращения приводного двигателя. Дложна быть близкой к номинальной.
Велико значение сопротивления r_в. Необходимо уменьшить.
Щетки находятся не на геометрической нейтрали. Из-за этого будет слишком малое Еост. Для устранения необходимо поставить щетки на геометрическую нейтраль.
Велика нагрузка в генераторе или маленькое нагрузочное сопротивление Rн. Необходимо увеличить Rн, тогда генератор сможет давать ЭДС.

Уравнение момента генератора

Под действием приводного двигателя вал генератора вращается, создается Мвр – вращающийся момент.
При холостом ходе создается момент холостого хода Мо, идущий на преодоление сил трения, винтиляцию, вихревые токи.
При возникновении тока в цепи якоря, возникает электромагнитный момент Мэм=См∙Фо∙Iа.

Из этого вытекает уравнение момента генератора: Мвр=Мо+Мэм. Генератор работает устойчиво и находится в равновесии.

Характеристики генератора

Обычно МПТ работает с постоянной частотой вращения (n=n_НОМ=const), поэтому характеристики снимаются при постоянной частоте f. Характеристиками генератора называют определенные зависимости, выраженные в графической форме и характеризующие основные процессы, происходящие в генераторе. К ним относятся:

Характеристика холостого хода: Ео=f(Iв), Iа=0, n=n_НОМ=const.

Для генератора независимого возбуждения.

+Iвmax уменьшают, можно зафиксировать Еост.

Кривая 2 – внизсходящая ветвь характеристики.

Теперь, увеличивая –Iвmax до +Iвmax, обратно.

Кривая 3 – восходящая вверх характеристика.

Кривая 1 – расчетная ветвь характеристики.

Для генератора параллельного (смешенного) возбуждения.

Для генератора последовательного возбуждения.

В этом случае Iв=Iа=0. Характеристики нету, так как отсутствует нагрузка.

Нагрузочная характеристика: U=f(Iв), Iа¹0, n=n_НОМ=const.

Отложиваем отрезок ав=IаRа. Проводим прямую линию ас. Отрезок ве – реакция якоря. Уменьшение величины напряжения происходит из-за двух причин:

Падение напряжения в якоре.
Реакция якоря.

Iв₁ – Iв₂ – велечина тока возбуждения, необходимая для компенсации.

Регулировочная характеристика: Iв=f(Iа), U=Uном=const, n=n_НОМ=const..

При Iв₀, следовательно U=Uном, увеличили нагрузку, ток возбуждения меняют таким образом, чтобы U=const.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

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%.

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.

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.

У генератора независимого возбуждения обмотка возбуждения В получает питание от постороннего источника тока — аккумулятора А (рис. 27). Ток возбуждения I_в, проходя по обмотке возбуждения, создает в полюсах магнитный поток Ф, пронизывающий обмотку якоря. При вращении якоря первичным двигателем в обмотке якоря индуктируется э. д. с. Е_я, величина которой, зависит от магнитного потока и скорости вращения якоря.

Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в цепях якоря и нагрузки потечет ток нагрузки I_нг.

Графическое выражение зависимостей между различными величинами электрических машин называют характеристиками.Они могут быть получены опытным или расчетным путем.

Характеристика холостого ходаотображает зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при постоянной скорости вращения и токе нагрузки, равном нулю.

Математически эту характеристику можно записать так:

Рис. 1. Принципиальная схема

Генератора независимого возбуждения

U = f(I_в) при I_нг. = 0 и n= const.

Схема для снятия некоторых характеристик генератора независимого возбуждения, приведена на рисунке 28.

Для изменения величины э. д. с. генератора в цепь обмотки возбуждения введен регулировочный реостат R_р.Рубильник цепи нагрузки Р отключен. Силу тока возбуждения измеряет амперметр А, а напряжение на зажимах генератора -вольтметр V. Амперметр А1включенный в цепь нагрузки, в данном опыте не нужен, так как ток нагрузки равен нулю, но он необходим для снятия других характеристик.

Рис. 2. Схема снятия характеристик холостого хода, внешней и регулировочной генератора независимого возбуждения

В обмотке возбуждения, к которой подключен аккумулятор, возникает ток I_в, а вольтметр показывает некоторое значение э. д. с. При увеличении тока возбуждения э. д. с. на зажимах генератора повышается: сначала в прямой зависимости, а затем по мере насыщения магнитной системы машины это увеличение будет все меньшим (рис. 29).

Увеличим ток возбуждения до значения, при котором э. д. с. генератора возрастет примерно до значения 1,25 U_н, а затем, уменьшая ток возбуждения до нуля, запишем показанияамперметра А и вольтметра V. С уменьшением тока возбуждения напряжение на зажимах генератора снижается, однако, когда ток возбуждения упадет до нуля, э. д. с. генератора не будет равна нулю, так как в полюсах есть поток остаточного магнетизма.

Величина э. д. с. от остаточного магнетизма составляет 1—3% номинального напряжения машины.

Рис.3. Характеристика холостогохода генератора независимого возбуждения

Точка N, соответствующая номинальному значению напряжения генератора, лежит на перегибе кривой характеристики холостого хода. Начальная часть кривой ONсоответствует области неустойчивых напряжений (незначительное изменение тока возбуждения приводит к значительному изменению напряжения), на пологой части кривой, в зоне насыщения, ограничиваются возможности регулирования напряжения (для небольшого изменения напряжения требуется значительное изменение тока возбуждения).

Характеристика холостого хода дает представление о степени насыщения стали машины. По этой характеристике можно также определить, на какое поминальное напряжение изготовлена машина. Для этого измеряют длину отрезка MNи получают в масштабе значение э. д. с, которое приближенно равно номинальному напряжению машины.

Внешняя характеристика выражает зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянных значениях скорости вращения и сопротивления цепи возбуждения, т. е.

U =f(I_нг)прип= const иr_в=const.

В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения будет неизменным: I_в= const.

Внешнюю характеристику снимают при понижении и повышении напряжения.

В первом случаев режиме холостого хода устанавливают на зажимах генератора номинальное напряжениеи, не трогая регулировочный реостат R_р(см. рис. 28), нагружают генератор до номинального значения тока, записывая при этом показания амперметра А1 и вольтметра V. Амперметр А цепи возбуждения в данном опыте не нужен. Поскольку с увеличением нагрузки возрастает ток якоря I_я,,что сопровождается повышением падения напряжения 1_яR_я цепи якоря, и вследствие размагничивающего действия реакции якоря (при сдвиге щеток с геометрической нейтрали), напряжение машины уменьшается (рис. 30, а).

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря, то уравнение напряжения генератора можно записать в таком виде:

Изменение напряжения ΔU определяют в процентах от номинального

где ΔU% составляет (5-10%) U_н.Еслибы продолжать нагружать генератор далее и затемзамкнутьего зажимы накоротко, чего делать нельзя, то можно было бы получить продолжение внешней характеристики. Точке пересечения кривой с осью абсцисс соответствовало бы значение тока короткого замыкания I_к, которое может быть в несколькодесятковразбольшеноминального. Обмотку якоря защищают от токов короткогозамыкания, устанавливая в цепи нагрузки плавкие предохранители или
автоматы.

Рис. 4 Внешние характеристики генератора н.в. при понижении и повышении напряжения.

Во втором случаеустанавливают поминальное напряжение на зажимах генератора при поминальном токе нагрузки и затем, не изменяя скорости вращения и сопротивления регулировочного реостата, уменьшают ток нагрузки до нуля, записывая показания приборов. Вследствие того, что с уменьшением тока нагрузки падение напряжения в цепи якоря уменьшается, соответственно возрастает и напряжение на зажимах генератора до значения U_o(рис. 30, б). Тогда

Регулировочная характеристика отражает зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянных значениях скорости вращения и напряжения на зажимах генератора, т.е.

I_В =f(I_нг)прип = const иU = const.

Регулировочная характеристика показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки поддерживать напряжение постоянным.

Регулировочную характеристику снимают по схеме, показанной на рисунке 28, причем используют все включенные приборы.

Так как U= Е -I_яR_я, а с увеличением тока якоря 1_Явозрастает падение напряжения I_яR_я, то для того, чтобы напряжение Uоставалось неизменным, нужно одновременно с увеличением тока якоря повышать э. д. с, увеличивая ток возбуждения 1_я(рис. 31).

Рис. 5. Регулировочная характеристикагенератора н.в.

Характеристикой короткого замыкания выражают зависимость тока короткого замыкания от тока возбуждения при постоянном значении скорости вращения и напряжении, равном нулю, т. е.

1_к = f(I_в) при п = const и U = 0.

При снятии характеристики короткого замыкания величина тока короткого замыкания не должна превышать номинального значения. Для этого в цепь возбуждения, кроме регулировочного реостата, включают дополнительное сопротивлениеR_доб, чтобы значительно уменьшить ток возбуждения I_в (рис. 32, а). Обмотку якоря замыкают накоротко через амперметр А.

Поскольку ток возбуждения 1_Ви соответственно магнитный поток Ф при снятии характеристики очень малы, то сталь машины не насыщена, в результате чего характеристика короткого замыкания представляет собой прямую линию (рис. 32, б).

Рис. 6. Опыт короткого замыкания генератора н.в. а) схема; б) характеристика

При помощи характеристики короткого замыкания можноприближенно определить значение тока короткого замыкания, который протекает в генераторе в тот момент, когда замыкание происходит при номинальном режиме работы. Для этого откладывают (точка N) значение тока возбуждения 1_Вн, соответствующее номинальному режиму работы генератора, затем продолжают линию характеристики до пересечения ее с перпендикуляром, восстановленным в точке N. Отрезок NMпредставляет собой в масштабе приближенновеличину тока короткого замыкания в номинальном режиме работы генератора.