Електрически вериги на постоянен ток и техните характеристики

Имоти DC генератор се определят главно от начина на включване на намотката за възбуждане. Има генератори на независимо, паралелно, серийно и смесено възбуждане:

• независимо възбудени: намотката на полето се захранва от външен източник на постоянен ток (батерия, малък спомагателен генератор, наречен възбудител или токоизправител),

• паралелно възбуждане: намотката на полето е свързана паралелно с намотката на котвата и товара,

• последователна възбуда: намотката на полето е свързана последователно с намотката на котвата и товара,

• със смесено вълнение: има две полеви намотки — паралелни и последователни, първата е свързана паралелно с намотката на котвата, а втората е свързана последователно с нея и товара.

Генераторите с паралелно, последователно и смесено възбуждане са машини със самовъзбуждане, тъй като техните намотки за възбуждане се захранват от самия генератор.

Възбуждане на DC генератори: a — независими, b — паралелни, c — последователни, d — смесени.

Всички изброени генератори имат едно и също устройство и се различават само по конструкцията на възбуждащите намотки. Намотките на независимо и паралелно възбуждане са направени от проводник с малко напречно сечение, те имат голям брой завои, намотката на последователно възбуждане е направена от проводник с голямо напречно сечение, има малък брой завои .

Свойствата на генераторите с постоянен ток се оценяват по техните характеристики: празен ход, външни и управляващи. По -долу ще разгледаме тези характеристики за различни видове генератори.

Независимо възбуден генератор

Характерна особеност на генератор с независимо възбуждане (фиг. 1) е, че неговият ток на възбуждане Iv не зависи от тока на котвата Ii, а се определя само от напрежението Uv, подадено към намотката за възбуждане, и съпротивлението Rv на веригата за възбуждане .

Ориз. 1. Схематична диаграма на генератор с независимо възбуждане

Обикновено токът на полето е нисък и възлиза на 2-5% от номиналния ток на котвата. За да регулира напрежението на генератора, реостат за регулиране Rрv често е включен във веригата на намотката на възбуждане. На локомотивите токът Iv се регулира чрез промяна на напрежението Uv.

Характеристика на празен ход на генератора (Фиг. 2, а) — зависимостта на напрежението Uo при празен ход от тока на възбуждане Ib при липса на товар Rn, тоест при In = Iya = 0 и при постоянна скорост на въртене n. При не -натоварване, когато веригата на натоварване е отворена, генераторът на напрежение Uo е равен на e. и т.н. с. Eo = cEFn.

Тъй като при премахване на характеристиката на оборотите на празен ход, скоростта н се поддържа непроменено, тогава напрежението Uo зависи само от магнитния поток F. Следователно характеристиката на празен ход ще бъде подобна на зависимостта на потока Ф от тока на възбуждане Iя (магнитната характеристика на магнитната верига на генератора) .

Характеристиката на празен ход може лесно да бъде премахната експериментално чрез постепенно увеличаване на тока на възбуждане от нула до стойността, при която U0 = 1.25Unom, и след това намаляване на тока на възбуждане до нула. В този случай се получават възходящи 1 и низходящи 2 клона на характеристиката. Разминаването на тези клони се дължи на наличието на хистерезис в магнитната верига на машината. Когато Iw = 0 в намотката на котвата, потокът на остатъчния магнетизъм индуцира остатъчен д. и т.н. с. Eost, което обикновено е 2-4% от номиналното напрежение Unom.

При ниски токове на възбуждане магнитният поток на машината е малък, поради което в тази област потокът и напрежението Uo се променят право пропорционално на тока на възбуждане, а началната част на тази характеристика е права линия. С увеличаване на тока на възбуждане магнитната верига на генератора се насища и нарастването на напрежението Uo се забавя. Колкото по -голям е токът на възбуждане, толкова по -силно е наситеността на магнитната верига на машината и по -бавно се увеличава напрежението U0. При много високи токове на възбуждане напрежението Uo практически престава да се увеличава.

Характеристиката на празен ход ви позволява да прецените стойността на възможното напрежение и магнитните свойства на машината. Номиналното напрежение (посочено в паспорта) за машини с общо предназначение съответства на наситената част от характеристиката («коляното» на тази крива). В локомотивните генератори, изискващи регулиране на напрежението в широк диапазон, се използват както криволинейни, така и праволинейни ненаситени части от характеристиката.

Д. д. С. машината се променя пропорционално на скоростта н, следователно, за n2 <n1, характеристиката на празен ход лежи под кривата за n1. Когато посоката на въртене на генератора се промени, посоката на e се променя. и т.н. с. Е индуцирано в намотката на котвата, а оттам и полярността на четките.

Външна характеристика на генератора (Фиг. 2, б) е зависимостта на напрежението U от тока на натоварване Iп = Iа при постоянна скорост н и ток на възбуждане Iv. Напрежението на генератора U винаги е по -малко от неговото e. и т.н. с. E по стойността на спада на напрежението във всички намотки, свързани последователно във веригата на котвата.

С увеличаване на натоварването на генератора (ток на намотката на котвата IАЗ СЪМ — азЗ) напрежението на генератора намалява по две причини:

1) поради увеличаване на спада на напрежението във веригата на намотката на котвата,

2) поради намаляване на e. и т.н. с. в резултат на размагнитващото действие на потока от котва. Магнитният поток на котвата донякъде отслабва основния магнитен поток Ф на генератора, което води до леко намаляване на неговото e. и т.н. с. E при натоварване срещу e. и т.н. с. Ео на празен ход.

Промяната в напрежението по време на прехода от режим на празен ход към номинално натоварване в разглеждания генератор е 3 — 8℅ от номинала.

Ако затворите външната верига при много ниско съпротивление, тоест направете късо съединение на генератора, тогава напрежението му пада до нула. Токът в намотката на котвата Ik по време на късо съединение ще достигне неприемлива стойност, при която намотката на котвата може да изгори. При машини с ниска мощност токът на късо съединение може да бъде 10-15 пъти по-голям от номиналния ток, при машини с висока мощност това съотношение може да достигне 20-25.

Ориз. 2. Характеристики на генератор с независимо възбуждане: а — празен ход, б — външен, в — регулиращ

Регулираща характеристика на генератора (Фиг. 2, в) е зависимостта на тока на възбуждане Iv от тока на натоварване Iн при постоянно напрежение U и честота на въртене n. Той показва как да се регулира тока на възбуждане, за да се поддържа напрежението на генератора постоянно, когато натоварването се променя . Очевидно в този случай с увеличаване на натоварването е необходимо да се увеличи токът на възбуждане.

Предимствата на генератор с независимо възбуждане са способността да се регулира напрежението в широк диапазон от 0 до Umax чрез промяна на тока на възбуждане и малка промяна в напрежението на генератора при натоварване. Въпреки това, той изисква външен източник на постоянен ток за захранване на намотката на полето.

Генератор с паралелно възбуждане.

В този генератор (фиг. 3, а) токът на намотката на котвата Iya се разклонява във външната натоварваща верига RH (ток Iн) и в намотката на възбуждане (ток Iv), токът Iv за машини със средна и висока мощност е 2- 5% от номиналната стойност на тока в намотката на котвата.Машината използва принципа на самовъзбуждане, при който намотката за възбуждане се захранва директно от намотката на котвата на генератора. Самовъзбуждането на генератора обаче е възможно само ако са изпълнени редица условия.

1. За да стартирате процеса на самовъзбуждане на генератора, е необходимо да има остатъчен поток от магнетизъм в магнитната верига на машината, който индуцира e в намотката на котвата. и т.н. с. Eost. Този д. и т.н. с. осигурява поток през веригата «намотка на котва — намотка на възбуждане» на някакъв начален ток.

2. Магнитният поток, създаден от намотката на полето, трябва да бъде насочен в съответствие с магнитния поток на остатъчния магнетизъм. В този случай в процеса на самовъзбуждане токът на възбуждане Iv и следователно магнитният поток Ф на машината e ще се увеличат. и т.н. с. Д. Това ще продължи, докато поради наситеността на магнитната верига на машината по -нататъшното увеличаване на F и следователно E и Ib спре. Съвпадението в посоката на посочените потоци се осигурява от правилното свързване на възбуждащата намотка към намотката на котвата. Ако е свързан неправилно, машината се размагнитва (остатъчният магнетизъм изчезва) и e. и т.н. с. E намалява до нула.

3. Съпротивлението на веригата за възбуждане на RB трябва да бъде по -малко от определена гранична стойност, наречена критично съпротивление. Следователно, за най -бързо възбуждане на генератора, се препоръчва, когато генераторът е включен, да се изведе напълно регулиращият реостат Rрv, свързан последователно с намотката за възбуждане (виж фиг. 3, а). Това условие също ограничава възможния обхват на регулиране на тока на полето, а оттам и напрежението на генератора с паралелно възбуждане. Обикновено е възможно да се намали напрежението на генератора чрез увеличаване на съпротивлението на веригата на намотката на полето само до (0,64-0,7) Unom.

Ориз. 3. Схематична диаграма на генератор с паралелно възбуждане (а) и външни характеристики на генератори с независимо и паралелно възбуждане (б)

Трябва да се отбележи, че за самовъзбуждане на генератора е необходимо процесът на увеличаване на неговия e. и т.н. с. E и ток на възбуждане Ib възникнаха, когато машината работеше на празен ход. В противен случай, поради ниската стойност на Eost и големия вътрешен спад на напрежението във веригата на намотката на котвата, напрежението, подадено към намотката за възбуждане, може да намалее почти до нула и токът на възбуждане не може да се увеличи. Следователно товарът трябва да бъде свързан към генератора само след като напрежението на неговите клеми е близо до номиналното.

Когато посоката на въртене на котвата се промени, полярността на четките се променя и следователно посоката на тока в намотката на полето, в този случай генераторът се размагнетизира.

За да се избегне това, при промяна на посоката на въртене е необходимо да се превключат проводниците, свързващи полевата намотка към намотката на котвата.

Външна характеристика на генератора (крива 1 на фиг. 3, б) представлява зависимостта на напрежението U от тока на натоварване Iн при постоянни стойности на скоростта н и съпротивлението на задвижващата верига RB. Той се намира под външната характеристика на генератора с независимо възбуждане (крива 2).

Това се обяснява с факта, че в допълнение към същите две причини, причиняващи намаляване на напрежението с увеличаване на натоварването в генератор с независимо възбуждане (спад на напрежението във веригата на котвата и ефект на размагнитване на реакцията на котвата), има и трета причина в разглеждания генератор — намаляване на тока на възбуждане.

Тъй като токът на възбуждане IB = U / Rv, тоест зависи от напрежението U на машината, то с намаляване на напрежението по тези две причини магнитният поток F и e намалява. и т.н. с. генератор Е, което води до допълнително намаляване на напрежението. Максималният ток Icr, съответстващ на точка а, се нарича критичен.

При късо съединение на намотката на котвата токът Ic на генератора с паралелно възбуждане е малък (точка b), тъй като в този режим напрежението и токът на възбуждане са нула. Следователно токът на късо съединение се създава само от e. и т.н. с. от остатъчния магнетизъм и е (0.4 … 0.8) Ином .. Външната характеристика е разделена от точка а на две части: горна — работеща и долна — неработеща.

Обикновено се използва не цялата работна част, а само определен сегмент от нея. Работата по секцията ab на външната характеристика е нестабилна, в този случай машината преминава в режим, съответстващ на точка b, т.е. в режим на късо съединение.

Характеристиката на празния ход на генератора с паралелно възбуждане се приема с независимо възбуждане (когато токът в котвата Iya = 0), поради което не се различава по никакъв начин от съответната характеристика за генератора с независимо възбуждане (виж фиг. 2, а). Управляващата характеристика на генератора с паралелно възбуждане има същата форма като характеристиката на генератора с независимо възбуждане (виж фиг. 2, в).

Генератори с паралелно възбуждане се използват за захранване на електрически потребители в леки автомобили, автомобили и самолети, като генератори за управление на електрически локомотиви, дизелови локомотиви и моторни вагони и за зареждане на акумулаторни батерии.

Генератор с последователно възбуждане

В този генератор (фиг. 4, а) токът на възбуждане Iw е равен на тока на натоварване Iн = Iя и напрежението варира значително при промяна на тока на натоварване. На празен ход в генератора се индуцира малка емисия. и т.н. с. Ери, създадени от потока на остатъчен магнетизъм (фиг. 4, б).

С увеличаване на тока на натоварване Ii = Iv = Iya, магнитният поток се увеличава, напр. и т.н. с. и напрежението на генератора, това увеличение, както при други машини с самовъзбуждане (генератор на паралелно възбуждане), продължава до определена граница поради магнитното насищане на машината.

С увеличаване на тока на натоварване над Icr, напрежението на генератора започва да намалява, тъй като магнитният поток на възбуждане поради насищане почти престава да се увеличава и ефектът на размагнитване на реакцията на котвата и спадът на напрежението във веригата на намотката на котвата IяΣRя продължават увеличавам. Обикновено токът Icr е много по -висок от номиналния ток. Генераторът може да работи стабилно само върху част ab от външната характеристика, т.е. при токове на натоварване, по -високи от номиналната.

Тъй като в генераторите с последователно възбуждане напрежението варира значително с промените в натоварването и по време на работа без товар е близо до нула, те са неподходящи за захранване на повечето електрически консуматори. Те се използват само с електрическо (реостатично) спиране на двигатели с последователно възбуждане, които след това се прехвърлят в режим генератор.

Ориз. 4. Схематична диаграма на генератор с последователно възбуждане (а) и външната му характеристика (б)

Смесен генератор на възбуждане.

В този генератор (фиг. 5, а) най -често паралелната възбуждаща намотка е основната, а серийната е спомагателната. И двете намотки са на едни и същи полюси и са свързани така, че създаваните от тях магнитни потоци се добавят (с конкордантно включване) или се изваждат (с противоположна връзка).

Генератор със смесено възбуждане, когато неговите полеви намотки са свързани в съгласие, дава възможност да се получи приблизително постоянно напрежение при промяна на товара. Външната характеристика на генератора (фиг. 5, б) може в първото приближение да бъде представена като сума от характеристики, създадени от всяка възбуждаща намотка.

Ориз. 5. Схематична диаграма на генератор със смесено възбуждане (а) и неговите външни характеристики (б)

Когато е включена само една паралелна намотка, през която преминава токът на възбуждане Iв1, напрежението на генератора U постепенно намалява с увеличаване на тока на натоварване Iн (крива 1).Когато е включена една серийна намотка, през която преминава токът на възбуждане Iw2 = In, напрежението U се увеличава с увеличаване на тока In (крива 2).

Ако изберем броя на завоите на последователната намотка, така че при номиналното натоварване, създаденото от него напрежение ΔUПОСОЛ компенсиран за общия спад на напрежението ΔU, когато машината работи само с една паралелна намотка, тогава е възможно да се постигне, че напрежението U остава почти непроменено, когато токът на натоварване се промени от нула до номиналната стойност (крива 3). На практика тя варира в рамките на 2-3%.

Чрез увеличаване на броя на завоите на последователната намотка е възможно да се получи характеристика, при която напрежението UHOM ще има повече напрежение Uo при празен ход (крива 4), тази характеристика осигурява компенсация за спада на напрежението не само във вътрешното съпротивление на арматурната верига на генератора, но и в линията, свързваща го с товара. Ако последователната намотка е включена, така че магнитният поток, създаден от нея, да е насочен срещу потока на паралелната намотка (контрапревключване), тогава външната характеристика на генератора с голям брой завои на последователната намотка ще бъде стръмна падащ (крива 5).

Обратното свързване на серийни и паралелни намотки на полето се използва в заваръчни генератори, работещи в условия на чести къси съединения. При такива генератори, в случай на късо съединение, последователната намотка почти напълно размагнитва машината и намалява тока на късо съединение. до стойност, която е безопасна за генератора.

Генераторите с намотки на възбуждане с противосвързани съединения се използват на някои дизелови локомотиви като възбудители на тягови генератори, те осигуряват постоянството на мощността, доставяна от генератора.

Такива патогени се използват и на електрически локомотиви с постоянен ток. Те захранват полевите намотки на тягови двигатели, които работят при регенеративен режим по време на регенеративно спиране и осигуряват стръмно падащи външни характеристики.

Генератор смесеното възбуждане е типичен пример за регулиране чрез смущаващо влияние.

Генераторите на постоянен ток често са свързани паралелно с работа в обща мрежа. Предпоставка за паралелна работа генератори с разпределение на натоварването пропорционално на номиналната мощност е идентичността на техните външни характеристики. Кога използването на генератори със смесено възбуждане, техните последователни намотки за изравняване на токове трябва да бъдат свързани в обща блок чрез изравнителен проводник.