Меню

Использование генераторов постоянного тока

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.

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.

Читайте также:  Как найти ток в линии электропередач

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

Применение генераторов и двигателей постоянного тока

Лекция №7

Применение генераторов и двигателей постоянного тока

Переменный и постоянный ток

Во многих сферах промышленности широко используются источники постоянного тока, что обусловлено особенностями технологического процесса и на сегодня является безальтернативным вариантом.

В частности, востребованы генераторы постоянного тока в электролизной промышленности, металлургии. Кроме того, часто такие установки применяют на судах, тепловозах, трамваях и в других направлениях транспортной сфере.

В металлургии установки постоянного тока необходимы для использования в работе прокатных станов.

Электрическую энергию постоянного тока получают в настоящее время чаще всего из электрической энергии переменного тока с помощью полупроводниковых преобразовательных устройств. Реже для этой цели используют генераторы, приводимые во вращение электрическими и неэлектрическими двигателями, аккумуляторы, гальванические элементы и термогенераторы.

На заре электрификации (до конца XIX века) генераторы постоянного тока были единственным источником электрической энергии в промышленности (электрическая энергия, получаемая с помощью химических источников тока стоила дорого, да и в наше время батарейки имеют довольно высокую стоимость). Переменным током человечество просто не умело пользоваться.

Благодаря Вестингаузу, Яблочкову, Тесла, Доливо-Добровольскому были изобретены трансформаторы, асинхронные двигатели переменного тока, трёхфазная система электроснабжения. Постоянный ток стал уступать свои позиции.

Генераторы постоянного тока нашли применение на городском электротранспорте (трамваи и троллейбусы), в технике электросвязи.

До второй половины XX века генераторы постоянного тока применялись на автотранспорте (автомобильные генераторы), однако в связи с широким распространением полупроводниковых диодов их вытеснили более компактные и более надёжные трёхфазные генераторы переменного тока с встроенными выпрямителями.

Все дело в том, что на заре электрификации использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги.

Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное. Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно росла нагрузка тяговых сетей. Росли нагрузки, росли и потери в тяговой сети. А это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один — это уменьшить величину тока, но при той же мощности нагрузки это можно сделать только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны. Таким образом, возникло противоречие — для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток! В системе переменного тока на транспорте стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше — ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней. Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока. С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной. По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2х25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Кроме того, существуют электровозы двойного питания, на переменный и постоянный ток, но в нашей стране они имеют ограниченное применение. Развитие полупроводниковой и микропроцессорной техники позволило снять ограничения на применение на ЭПС двигателей переменного тока. Эти двигатели, особенно асинхронные, являются простыми и надежными. В настоящее время выпущены электровозы и электропоезда с двигателями переменного тока, ведутся дальнейшие исследования в этом направлении.

А как переходы с одного на другой ток на граничных участках работают? посредством тепловозов? Нет. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока — полностью или по частям. При этом электровоз, например, постоянного тока подходит к станции, ему подают в КС постоянный ток, он притаскивает состав на заданный путь (если пассажирский — то к платформе), отцепляется, уходит на свою стоянку (где только постоянный ток), после этого ток в КС переключается на переменный, со своего места вылезает электровоз-переменник и прицепляется к оставленному составу. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которым всё равно под каким родом тока ехать. Но они довольно дорогие и их мало — грузовые (а фактически грузопассажирские) ВЛ82 и ВЛ82М в Выборге и Минеральных Водах и пассажирский ЭП10 (пока в единственном экземпляре) в Москве-Курской (работает с поездом 061/062 «Буревестник» Москва — Нижний Новгород, но периодически уезжает на очередные испытания). Особенная конструкция в Минеральных Водах — хотя там от линии переменного тока отходит ветка, электрифицированная постоянным током, на станции нет переключаемых секций КС. Главные пути электрифицированы на переменном токе, а поезда на Кисловодск уходят со своих путей, где только постоянный ток. Сквозные поезда с главного хода в Кисловодск (их немного) ходят только под двухсистемными электровозами; электровозов постоянного тока в МинВодах нет.

Читайте также:  Графит пропускает электрический ток

Преимущества постоянного тока:

Во-первых подвижной состав в полтора раза дешевле.

Во-вторых чем больше размеры движения по участку, чем больше убытки от использования переменного тока.

Преимущества переменной электротяги:

Уменьшение силы тока за счет применения высокого напряжения 25кВ. Следствие — более длинные интервалы между тяговыми подстанциями и уменьшение количества самих подстанций. Любое необходимое напряжение на электровозе и электропоезде можно получить за счет трансформатора, который имеет кпд, близкий к 100% и очень высокую надежность.

На переменном токе на электровоз можно передавать гораздо большую мощность, чем на постоянном.

Тяговый генератор

На железнодорожном транспорте (на тепловозах) до 1970-х гг. основным типом тягового генератора был генератор постоянного тока (тепловозы ТЭ3, ТЭ10, ТЭП60, ТЭМ2 и др.).

Для преобразования механической энергии дизеля в электрическую и питания тяговых электродвигателей на тепловозах установлен тяговый генератор. При пуске дизеля генератор используется в качестве электродвигателя с последовательным возбуждением, получая питание от аккумуляторной батареи.

Генератор представляет собой десятиполюсную электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением. Обмотка возбуждения питается от якоря возбудителя В-600 двухмашинного агрегата А-706Б и создает основной магнитный поток. Схема регулирования возбуждения генератора обеспечивает использование всей свободной мощности и автоматическое регулирование напряжения генератора в соответствии с током, потребляемым электродвигателями в диапазоне от продолжительного тока до максимального напряжения.

Приложение

Лекция №7

Применение генераторов и двигателей постоянного тока

Переменный и постоянный ток

Во многих сферах промышленности широко используются источники постоянного тока, что обусловлено особенностями технологического процесса и на сегодня является безальтернативным вариантом.

В частности, востребованы генераторы постоянного тока в электролизной промышленности, металлургии. Кроме того, часто такие установки применяют на судах, тепловозах, трамваях и в других направлениях транспортной сфере.

В металлургии установки постоянного тока необходимы для использования в работе прокатных станов.

Электрическую энергию постоянного тока получают в настоящее время чаще всего из электрической энергии переменного тока с помощью полупроводниковых преобразовательных устройств. Реже для этой цели используют генераторы, приводимые во вращение электрическими и неэлектрическими двигателями, аккумуляторы, гальванические элементы и термогенераторы.

На заре электрификации (до конца XIX века) генераторы постоянного тока были единственным источником электрической энергии в промышленности (электрическая энергия, получаемая с помощью химических источников тока стоила дорого, да и в наше время батарейки имеют довольно высокую стоимость). Переменным током человечество просто не умело пользоваться.

Благодаря Вестингаузу, Яблочкову, Тесла, Доливо-Добровольскому были изобретены трансформаторы, асинхронные двигатели переменного тока, трёхфазная система электроснабжения. Постоянный ток стал уступать свои позиции.

Генераторы постоянного тока нашли применение на городском электротранспорте (трамваи и троллейбусы), в технике электросвязи.

До второй половины XX века генераторы постоянного тока применялись на автотранспорте (автомобильные генераторы), однако в связи с широким распространением полупроводниковых диодов их вытеснили более компактные и более надёжные трёхфазные генераторы переменного тока с встроенными выпрямителями.

Все дело в том, что на заре электрификации использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги.

Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное. Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно росла нагрузка тяговых сетей. Росли нагрузки, росли и потери в тяговой сети. А это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один — это уменьшить величину тока, но при той же мощности нагрузки это можно сделать только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны. Таким образом, возникло противоречие — для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток! В системе переменного тока на транспорте стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше — ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней. Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока. С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной. По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2х25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Кроме того, существуют электровозы двойного питания, на переменный и постоянный ток, но в нашей стране они имеют ограниченное применение. Развитие полупроводниковой и микропроцессорной техники позволило снять ограничения на применение на ЭПС двигателей переменного тока. Эти двигатели, особенно асинхронные, являются простыми и надежными. В настоящее время выпущены электровозы и электропоезда с двигателями переменного тока, ведутся дальнейшие исследования в этом направлении.

А как переходы с одного на другой ток на граничных участках работают? посредством тепловозов? Нет. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока — полностью или по частям. При этом электровоз, например, постоянного тока подходит к станции, ему подают в КС постоянный ток, он притаскивает состав на заданный путь (если пассажирский — то к платформе), отцепляется, уходит на свою стоянку (где только постоянный ток), после этого ток в КС переключается на переменный, со своего места вылезает электровоз-переменник и прицепляется к оставленному составу. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которым всё равно под каким родом тока ехать. Но они довольно дорогие и их мало — грузовые (а фактически грузопассажирские) ВЛ82 и ВЛ82М в Выборге и Минеральных Водах и пассажирский ЭП10 (пока в единственном экземпляре) в Москве-Курской (работает с поездом 061/062 «Буревестник» Москва — Нижний Новгород, но периодически уезжает на очередные испытания). Особенная конструкция в Минеральных Водах — хотя там от линии переменного тока отходит ветка, электрифицированная постоянным током, на станции нет переключаемых секций КС. Главные пути электрифицированы на переменном токе, а поезда на Кисловодск уходят со своих путей, где только постоянный ток. Сквозные поезда с главного хода в Кисловодск (их немного) ходят только под двухсистемными электровозами; электровозов постоянного тока в МинВодах нет.

Читайте также:  Дифференциальная защита электродвигателей с током

Преимущества постоянного тока:

Во-первых подвижной состав в полтора раза дешевле.

Во-вторых чем больше размеры движения по участку, чем больше убытки от использования переменного тока.

Преимущества переменной электротяги:

Уменьшение силы тока за счет применения высокого напряжения 25кВ. Следствие — более длинные интервалы между тяговыми подстанциями и уменьшение количества самих подстанций. Любое необходимое напряжение на электровозе и электропоезде можно получить за счет трансформатора, который имеет кпд, близкий к 100% и очень высокую надежность.

На переменном токе на электровоз можно передавать гораздо большую мощность, чем на постоянном.

Источник

Генераторы постоянного тока

Генераторами постоянного тока называются устройства, преобразующие энергию механического типа в электроэнергию. В основе их устройства лежит принцип электромагнитной индукции — в движущемся проводнике под воздействием магнитного поля наводится ЭДС.

автономное электроснабжение

Генераторы способны производить электрический ток различных значений: постоянный и переменный. Генератор постоянного тока индуцирует переменный ток в обмотке своего якоря, впоследствии впоследствии преобразующийся в коллекторе в постоянный ток. Недостатком выпрямления тока при помощи коллектора является значительный износ его щеток, особенно при высокой скорости вращения якоря генератора.

Их мощность в энергоемких производствах может достигать свыше 10 000 кВт.

Где применяются генераторы постоянного тока

Основной сферой применения генератора постоянного тока постоянного тока являются заводы и фабрики, строительные площадки, предприятия металлургической и электрохимической промышленности, на тепловозах и судах, для электрической сварки, в конструкциях синхронных машин и т.д. Предпочтение устройствам, производящим постоянный ток, отдается по причине их компактных размеров и высокой надежности несложной схемы, что позволяет увеличить срок их эксплуатации.

В городском электротранспорте (трамваях и троллейбусах) используются тяговые генераторы, работающие как двигатели и генераторы постоянного тока.

Низковольтные генераторы пригодны для освещения самолетов, поездов и автомобилей, а также для зарядки аккумуляторов.

В отдельных случаях машины постоянного тока используются как тахогенераторы, индукторы для проверки изоляции, при взрывных работах в качестве элементов запальных машин.

Генераторы постоянного тока широко применяются в установках типа двигатель-генератор для преобразования переменного тока в постоянный с конечной целью питания электродвигателей и прочих нужд в заводских условиях и в лабораториях.

Источник



ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

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.

Устройство генератора постоянного тока

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.

На величину электродвижущей силы влияют следующие факторы:

  • 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.

Принцип действия генератора постоянного тока

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.

По источнику тока возбуждения генераторы бывают:

  • 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.

По схеме подключения обмотки якоря к обмотке возбуждения генераторы с самовозбуждением делятся на три типа:

  • 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

Генератор состоит из двух частей:

  • 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.

Генераторы постоянного тока обладают следующими достоинствами:

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

Недостатки:

  • 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.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник