Меню

Эдс генератора постоянного тока 230в

Генератор постоянного тока независимого возбуждения

ads

Схема включения генератора независимого возбуждения по­казана на рис. 28.2, а. Реостат 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.

Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генератора независимого возбуждения

Рис. 28.2 Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генера­тора независимого возбуждения

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения

При снятии характеристики U= F(IВ) генератор работает в режиме х.х. (Ia = 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения Iв от нулевого значения до +Iв = Oa, при котором напряжение х.х. U = 1.15Uном . Получают данные для построения кривой 1 (рис. 28.2, б). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля, и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до -Iв = Oб. По­лученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается вы­ше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагни­чивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от -Iв = Oб до Iв = 0, а затем увеличи­вают его до значения +Iв = Oa. В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагни­чивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, полу­чим расчетную характеристику х.х.

Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует нена­сыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличе­нии тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость U= F(IВ) дает возможность судить о магнитных свойствах машины.

Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

Эта характери­стика выражает зависимость напряжения U на выходе 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. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению Uном, отложить вверх отрезок аb, равный IaΣr, и провести горизонтально отре­зок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbстреугольник реактивный (характе­ристический).

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбужде­ния IВ1 = IВ.ном напряжение на выводах U = de ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генера­тора снизится до значения Uном = ae . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения ΔU = U — Uном при IВ1 = IВ.ном. На­пряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего влияния реакции якоря . Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения IaΣr, можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: Ea = U + IaΣr. На рис. 28.3 эта ЭДС представлена отрезком bе. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (bе

Источник

Расчет генератора постоянного тока с параллельным возбуждением

Для расчета генератора постоянного тока с параллельным возбуждением необходимо:

усвоить устройство и принцип действия электрических машин постоянного тока; знать формулы, выражающие взаимосвязь между электрическими величинами, характеризующими данный тип электрической машины.

— отчетливо представлять связь между напряжением U на зажимах машины, ЭДС Е и падением напряжения IRв обмотке якоря генератора и двигателя.

Для генератора Е =U+ IЯ· ∑R, для двигателя U = Е + IЯ· ∑R

В этих формулах ∑R= RЯ+RДП +RКО +RС +RЩ — сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: RЯ — обмотки якоря;

RДП — обмотки добавочных полюсов; RКО — компенсационной обмотки;

RЩ — переходного щеточного контакта; RСпоследовательной обмотки возбуж­дения.

При отсутствии в машине (это зависит от её типа и предложен­ной задачи) каких-либо из указанных обмоток в формулу, определяю­щую ∑R, не входят соответствующие слагаемые. Полезный вращающий момент М на валу двигателя определяется по формуле

M = Н·м,

гдеР2— полезная механическая мощность,Вт. n — об/мин. – частота вращения вала двигателя.

Пример

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением ра­ботает в номинальном режиме.

Его технические данные:

РНОМ =16000Вт — номинальная мощность; Uном =230 В — номинальное напряжение;

RЯ=0,13 Ом — сопротивление обмотки якоря; RВ=164 Ом — сопротивление обмотки возбуждения;

ηНОМ= 90,1 % номинальный коэффициент полезного действия.

Определить:

Iном — ток нагрузки, I B — ток возбуждения, I Я — ток якоря,

РЯ— потери мощности в якоре, РВ— потери мощности в обмотке возбуждения,

РЩ — потери мощности в щеточном контакте,

РХ = РСТМЕХ — потери холостого хода, состоящие из по­терь в стали и механических потерь. РДОБ— добавочные потери,

∑P— суммарные потери мощности, Е — ЭДС генератора.

Решение

I. Ток нагрузки Iном = Рном/ Uном =16000 Вт / 230 В = 69,6 А

2. Ток возбуждения IB = U H M / R B = 230 В / I64 Ом = 1,4 А.

3. Ток якоря = Iном + Iв =69,6 А + 1,4 А = 71 А

4. Потери мощности в обмотке якоря Ря = I 2 я · Rя =71 2 А 2 ·0,13 Ом = 655 Вт.

5. Потери мощности в обмотке воз­буждения

РВ = I 2 В · RВ =1,4 2 А 2 · 164 Ом = 321 Вт.

6. Потери мощности в щеточном контакте Рщ =UЩ · Iя=2 В • 71 А= 1428 Вт.

Здесь ∆ UЩ = 2 В падение напряжения на электрографитированных щетках.

7. Добавочные потери мощности РДОБ = 0,01·РНОМ = 0,01 • 16000 Вт = 160 Вт.

8.Мощность, потребляемая генератором от первичного двигателя

Р1 = Рном / ηНОМ= 16000 Вт / 0,901 = 17758 Вт

9. Суммарные потери мощности в генераторе ∑Р = Р1 Рном = 17758 Вт –16000 Вт = 1758 Вт

10. Потери холостого хода, состоящие из потерь в стали и механических потерь

Рх = ∑Р– (РЯ+РВ +РЩ+РДОБ)= 1758 Вт – (655+321+142+160) Вт = 480 Вт

11. ЭДС генератора, без учета потерь в щеточном контакте

Е = U+ IЯ · Rя = 230 В + 71 А · 0,13 Ом = 239,23 В

С учетом потерь в щеточном контакте

Е =U+ IЯ · (Rя + Rщ)= U +(Iя · Rя +∆ UЩ) =230 В+(71 0,13 Ом +2 В) = 241,23 В

7. Расчет двигателя посто­янного тока со смешанным возбуждением

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением рассчитан на:

Р2ном = 2000 Вт-номинальная мощность на валу двигателя;

Читайте также:  Проверка обмоток генератора переменного тока

UНОМ = 27 В — номинальное напряжение, подведенное к двигателю;

IНОМ = 100 Аток, потребляемый двигателем из сети;

пНОМ= 8000 об/минчастота вращения якоря вала двигателя;

∑R= RЯ+RДП +RС =0,01443 Ом суммарное сопротивление,

гдеR Я сопротивление обмотки якоря;

РДП сопротивление обмотки добавочных полюсов;

RС сопротивление последовательной /сериесной/ обмотки возбуждения;

RШ =6,75 Ом сопротивление параллельной /шунтовой/ обмотки воз­буждения

ПР –пусковой реостат;РР –регулировочный реостат;

ОВШ параллельная (шунтовая) обмотка возбуждения;

ОВС –последовательная (сериесная) обмотка возбуждения; ОДП – обмотка добавочных полюсов.

Определить:

P1— мощность,потребляемую двигателем из сети; η ном номинальный коэффициент полезного действия;

М вращающий (полезный) момент на валу двигателя;

IЯ— ток в обмотке якоря (он же протекает через обмотку добавочных полюсов и последовательную обмотку воз­буждения);

Е противо-ЭДС в обмотке якоря; ∑P суммарные потери мощности в двигателе;

РЭ== РЯ+РДП +РС +РЩ+РШэлектрические потери мощности в обмотке якоря;

Рдп— электрические потери мощности в обмотке дополнитель­ных полюсов;

РС— электрические потери мощности в последовательной обмотке возбуждения;

PШ электрические потери мощности в параллельной обмот­ке возбуждения;

Рщ электрические потери мощности в переходном контакте щеток коллектора, приняв ∆U =2В

РДОБ добавочные потери мощности;

Рх потери холостого хода, состоящие из потерь в стали и механических потерь.

Решение

1. Мощность, потребляемая двигателем из сети Р1 = Uном · IНОМ =27 В ·100 А = 2700 Вт

2. КПД двигателя равен ηНОМ= 100 % = =74%

3. Полезный вращающий момент на валу двигателя М= = =2,38 Н·м

4. Ток параллельной обмотки возбуждения Iш=Uном / RШ = 27 В / 6,75 Ом = 4 А

5. Ток, протекающий через обмотку якоря, обмотку добавочных полюсов, последовательную обмотку возбуждения (все эти обмотки соединены последовательно) Iя =Iном – IШ =100 А – 4 А = 96 А

6. Противо-ЭДС в обмотке якоря Е=Uном – Iя(RЯ+RДП +RС)–∆UЩ =27–96 · 0, 01443 –2 =23,61В

Здесь∆UЩ потери напряжения в переходном контакте щеток на коллекторе.

7. Суммарные потери мощности в двигателе∑P =Р1 – Р2НОМ =2700 ВТ – 2000 Вт = 700 Вт

8. Электрические потери мощности в двигателеРЭ= РЯ+РДП +РС +РЩ+РШ, где РЯ= I 2 я · RЯ – потери мощности в якоре

Рдп= I 2 я · RДП – электрические потери мощности в обмотке дополнитель­ных полюсов;

РС= I 2 я · RС – электрические потери мощности в последовательной обмотке возбуждения;

Рщ = ∆UЩ ·Iя электрические потери мощности в переходном контакте щеток коллектора.

РШ=UНОМ · IШ илиРШ = I 2 Ш · RШ или PШ = U 2 НОМ / RШ электрические потери мощности в параллельной обмот­ке возбуждения;

Тогда получаем: РЭ =I 2 я(RЯ+RДП +RС)+∆UЩ · Iя +Uном · IШ =96 2 · 0,01443 + 2· 96 +27· 4=433Вт

9.Добавочные потери мощности, возникающие в обмотке якоря, вызванные искажением магнитного поля реакцией якоря и полями, возникающими вокруг секций, в которых происходит коммутация РДОБ = 0,01· Р2НОМ = 0,01 · 2000 = 20 Вт

10.Потери холостого хода, состоящие из потерь в стали и механических потерь

Рх =Рст +Рмех, т. к. ∑Р =Рэ +Рх +Р доб, то Рх =∑Р – (Рэ + Р доб) =700 – (433 + 20)=247 Вт.

Схемы двигателя постоянного тока смешанным возбуждением

Источник

Генератор постоянного тока.

Давайте разберем принцип действия генератора постоянного тока, познакомимся с его конструктивными особенностями и принципом действия.

Генератор постоянного тока работает основываясь на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, который движется в магнитном поле и пересекает магнитный поток, индуцируется ЭДС.

Магнитопровод по которому замыкается магнитный поток является одной из основных частей генератора постоянного тока.

Генератор постоянного тока

Магнитная цепь генератора постоянного тока (изображен на рисунке 1) состоит из неподвижной части — статора (1) и вращающейся части — ротора (4).

Статор представляет собой стальной корпус, к которому присоединены остальные детали машины, в том числе магнитные полюсы (2). На магнитные полюсы насажена обмотка возбуждения (3), которая питается постоянным током и создает основной магнитный поток Ф0.

Магнитная цепь генератора постоянного тока с четырьмя полюсами.

Генератор постоянного тока

Листы, из которых собирается магнитная цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины собирают из штампованных стальных листов с пазами по окружности и с отверстиями, предназначенными для вала и вентиляции. Рабочая обмотка генератора постоянного тока вставляется в пазы ротора (5 на изображении 1). Этой обмоткой индуцируется ЭДС основным магнитным потоком. Обмотку также называют обмоткой якоря, поэтому ротор генератора постоянного тока принято называть якорем.

Значение ЭДС генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается величиной постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока изображен на рисунке 3.

Магнитный поток создается полюсами постоянного магнита. Допустим, обмотка якоря состоит из одного витка, у которого концы присоединены к различным полукольцам, находящимся в изоляции друг от друга. Из этих полуколец формируется коллектор, совершающий вращения вместе с витком обмотки якоря. Одновременно с этим вдоль коллектора двигаются неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС: e = B*l*v

  • где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

При совпадении плоскости витка с плоскостью осевой линии полюсов (при этом виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток. В это время в них индуцируется максимальный показатель ЭДС. В том случае когда виток принимает горизонтальное положение, ЭДС в проводниках равна нулю.

В проводнике направление ЭДС определяется по правилу правой руки (на рисунке 3 оно показано в виде стрелок). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление ЭДС в нем меняется на обратное. Но поскольку коллектор вращается вместе с витком, а щетки неподвижны, то к верхней щетке всегда присоединен проводник, который находится под северным полюсом, ЭДС которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению ЭДС на щетках — е (рисунок 4).

Простейший генератор постоянного тока.

Генератор постоянного тока

Изменение во времени ЭДС простейшего генератора постоянного тока.

Генератор постоянного тока

Несмотря на то что ЭДС простейшего генератора постоянного тока постоянна в направлении, по своему значению она изменяется. Поскольку за один оборот витка ЭДС принимает 2 раза значение равное нулю и 2 раза максимальное. Для большинства приемников постоянного тока ЭДС с такой большой пульсацией непригодна и, строго говоря, ее нельзя назвать постоянной.

Читайте также:  Двигатель постоянного тока с тиристорным управлением

Чтобы уменьшить пульсацию, обмотку якоря генератора постоянного тока делают из большого числа витков (катушек), а коллектор из большого числа коллекторных пластин, которые изолированы друг от друга.

Генератор постоянного тока

Для того чтобы рассмотреть подробнее процесс сглаживания пульсаций возьмем в качестве примера обмотку кольцевого якоря (рисунок 5). Она состоит из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь двигается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, которые расположены на внешней стороне якоря, индуцируется ЭДС (направление движения указано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, которая состоит из последовательно соединенных витков. При этом обмотка якоря относительно щеток представляет собой две параллельные ветви. На рисунке 5а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая из катушки 4 (в катушках 1 и 3 ЭДС не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рисунке 5б якорь изображен в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем.

Генератор постоянного тока

При вращении якоря по отношению к щеткам каждая катушка имеет постоянную полярность.

На рисунке 6а показано как при вращении якоря изменяется ЭДС катушек во времени. ЭДС на щетках равна ЭДС каждой из параллельных ветвей обмотки якоря.

Из рисунка 5 видно, что ЭДС параллельной ветви равна или сумме ЭДС двух соседних катушек или ЭДС одной катушки:

Генератор постоянного тока

Как результат этого, заметно уменьшаются пульсации ЭДС обмотки якоря (рисунок 6б). А значит увеличивая количество витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную ЭДС обмотки якоря.

Изменение во времени ЭДС катушек и обмотки кольцевого якоря.

Источник



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.

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.

Принцип действия генератора постоянного тока

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.

График тока, выработанного примитивным генератором

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.

Ротор генератора

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.

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.

Читайте также:  Электрогенераторы постоянного тока 12в

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.

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).

Внешняя характеристика ГПТ

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.

Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

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.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

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.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

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 = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

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

На холостом ходе ηe = 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.

Видео по теме

Источник