Проезентация по Электронике и электротехнике на тему Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока План лекции: 1. Основные понятия.2. Генератор независимого возбуждения.3. Генератор параллельного возбуждения.4. Генератор смешанного возбуждения. 1. Основные понятия В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора: U = Ea – Ia ∑r. Здесь ∑ r = rа + rд + rко + rс + rщ – сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря rа, обмотки добавочных полюсов rд, компенсационной обмотки rко, последовательной обмотки возбуждения rс и переходного щеточного контакта rщ. При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействует с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 1), т.е. он является нагрузочным (тормозящим). Рис. 1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии n = const. Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на выходе генератора в режиме ХХ U0 от тока возбуждения Iв: U0 = f (Iв) при I = 0 и n = const.Нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения Iв: U = f (Iв) при I ≠ 0 и n = const. Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I: U = f (I) при rрг = const и n = const,где rрг – регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора: Iв = f (I) при U = const и n = const.Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока. 2. Генератор независимого возбуждения Схема включения генераторов независимого возбуждения показана на рис. 2, а. Реостатами rрг, включенный в цепь возбуждения, дает возможность регулировать ток Iв в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем. Рис. 2. Принципиальная схема (а) и характеристики ХХ (б) генератора независимого возбужденияХарактеристика холостого хода. При снятии характеристики U0 = f (Iв) генератор работает в режиме ХХ (Iа = 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивая ток в обмотке возбуждения Iв от нулевого значения до +Iв = Оа, при котором напряжение ХХ U0 = 1,15 Uном. Получают данные для построения кривой 1 (рис. 2, б). Прямолинейная часть характеристики ХХ соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока сталь машины насыщается, и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость U0 = f (Iв) повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины и дает возможность судить о магнитных свойствах машины. Нагрузочная характеристика генератора. Эта характеристика выражает зависимость напряжения U на выводах генератора от тока возбуждения Iв при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС, поэтому нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характеристики холостого хода 2 (рис. 3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению Uном, отложить вверх отрезок аb, равный Ia∑r, и поверхности горизонтально отрезок bc до пересечения с характеристикой ХХ, а затем соединить точки а и с, то получим abc – треугольник реактивный (характеристический). Рис. 3. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбужденияНа рис. 3 эта ЭДС представлена отрезком be. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме ХХ (be < de), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме ХХ для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения Iв2 < Iв1. Внешняя характеристика генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I. При снятии данных для построения внешней характеристики генератор приводят во вращение с номинальной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до ХХ (I = 0), снимают показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения rв и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными. На рис. 4, а представлена внешняя характеристика независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора понижается; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря.Рис. 4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора независимого возбуждения Регулировочная характеристика генератора. Характеристика Iв = f(I) показывает, как следует менять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной (n = const).Основной недостаток генераторов независимого возбуждения – это необходимость в постороннем источнике энергии постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами. 3. Генератор параллельного возбуждения Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Фост (порядка 2 – 3 % от полного потока). При вращении якоря поток Фост индуцирует в якорной обмотке ЭДС Еост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток Iв ост. Если МДС обмотки возбуждения Iв ост wв имеет такое же направление, как и поток, то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т.е. Iв rв = U0.На рис. 5, а показана схема включения генератора параллельного возбуждения, на рис. 5, б – характеристика ХХ генератора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока возбуждения Iв rв = f (Iв) (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней U0 = Iв rв. Рис. 5. Принципиальная схема (а) и характеристика ХХ (б) генератора параллельного возбужденияСамовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей критическую nкр. Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора (рис. 6), представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме ХХ от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т.е. U0 = f (n) при rв = const. Рис. 6. Характеристика самовозбужденияАнализ характеристики самовозбуждения показывает, что при n < nкр увеличение частоты вращения якоря генератора сопровождается незначительным увеличением напряжения, так как процесса самовозбуждения нет, и появление напряжения на выходе генератора обусловлено лишь остаточным намагничиванием цепи генератора. Процесс самовозбуждения начинается при n > nкр. В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким ростом напряжения U0. Самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении условий:магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом;присоединение обмоток возбуждения должно быть таким, чтобы МДС обмотки совпадала по направлению с потоком остаточного магнетизма Фост;сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;частота вращения якоря должна быть больше критической. Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 7) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Рис. 7. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном КЗ магнитная система генератора не успевает размагнититься и ток Iк достигает опасных для машины значений Iк = (8 ч 12) Iном (кривая 2).Генераторы параллельного возбуждения широко применяются в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя выгодно отличает эти генераторы от генераторов независимого возбуждения. Номинальное изменение напряжения генераторов параллельного возбуждения составляет 10 – 30 %. 4. Генератор смешанного возбуждения Генератор смешанного возбуждения (рис. 8, а) имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается согласно с параллельной (чтобы МДС обмоток складывались), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора.В режиме ХХ генератор имеет только параллельное возбуждение, так как I = 0. Рис. 8. Схема включения генератора смешанного возбуждения (а) и его внешние характеристики (б)Внешняя характеристика в этом случае становится наиболее жесткой (рис. 8, б, кривая 2), т.е. напряжение на зажимах генератора при увеличении тока остается почти неизменным. При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 3), что объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена против МДС параллельной обмотки. Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику. Генераторы смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения применяют для питания силовой нагрузки в случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии. Контрольные вопросы: 1.Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока?2.Почему у генератора параллельного возбуждения изменение напряжения при сбросе нагрузки больше, чем у генератора независимого возбуждения?3. Каковы условия самовозбуждения генераторов постоянного тока?4. При каком включении обмоток возбуждения генератора смешанного возбуждения внешняя характеристика получается более «жесткой»?