Принципът на работа на генератора се основава на явлението електромагнитна индукция. Ако рамка с активни проводници ab и cd (фиг. 3.1, a) се върти в полето на постоянни магнити NS, тогава според закона за електромагнитната индукция в проводниците ab и cd възниква ЕМП:

където B е индукция магнитно поле;

1 - дължината на активния проводник;

V - обиколна скорост на проводника;

sin α - ъгълът между посоката на магн силови линиии посоката на движение на проводника в разглеждания момент от време.

Ориз. 3.1. Принципът на генератора постоянен ток

Ако краищата на проводниците са свързани към пръстените и от тях чрез четки 1 и 2 захранват веригата за натоварване на лампата Rn, тогава, когато ножовият превключвател P е затворен, токът I H ще тече през веригата, също се променя според синусоидалния закон , т.е. променлив ток. За да коригираме тази променлива ЕМП, свързваме проводниците ab и cd не към пръстените, а към половинките (фиг. 3.1, b). Четки 1 и 2 са монтирани по такъв начин, че да се преместват от един полупръстен в друг в момента, когато в проводниците на рамката няма ЕМП (рамката се завърта на 90 ° спрямо надлъжната ос на полюсите, т.е разположени покрай напречна осполюси). В този случай ЕМП в една посока се прилага към четки 1 и 2 по време на пълен оборот на рамката, въпреки че в проводниците ab и cd ЕМП все още е променлива.

Под действието на ЕМП в една посока, ток от 1 V ще тече през веригата на натоварване, в една посока, но пулсиращ. Четка 2, от която протича токът във външната верига (товар), се счита за положителна ("положителна"), а четка 1, към която протича токът, се счита за отрицателна ("минус").

По този начин използването на половин пръстени вместо пръстени направи възможно получаването на ток в една посока в веригата на натоварване, въпреки че в проводниците на рамката възниква променлива ЕМП, т.е. половин пръстени са механичен токоизправител. За намаляване на пулсациите на изправения ток и получаване голямо значение EMF върху четки 1 и 2 на генератора за постоянен ток, използват се голям брой плочи, разположени на колектора, и голям брой активни арматурни проводници.

В реалните генератори за постоянен ток магнитното поле се създава не от постоянни магнити, а от намотки за възбуждане, разположени върху сърцевините на полюсите. Създава се магнитно поле с поток F (фиг. 3.2) поради протичането на ток Ib, във възбуждащата намотка W B. В генераторите под колата намотката е свързана паралелно с намотката на котвата I - към четки 1 и 2 .

Фиг.3.2. Електрическа схема DC генератор

с паралелно възбуждане

Поради остатъчната магнетизация на полюсните сърцевини, генераторът винаги има малко магнитно поле (магнитен поток). Докато колата се движи, арматурата се върти в това слабо магнитно поле. Под действието му възниква ЕМП в проводниците на намотката на котвата, така че върху четките се появява малък ЕМП, коригиран от колектора, под действието на който токът на възбуждане протича през намотката на възбуждане. Токът на възбуждане ще предизвика появата на магнитен поток, който е от по-голямо значение от потока на остатъчния магнетизъм, следователно върху четките възниква ЕМП с по-голяма величина: E=C E nF, където C E е проектният коефициент на генератор; n - скорост на котвата, rpm; Ф - магнитен поток, създаден от възбудителните намотки.

Голям ЕМП ще доведе до увеличаване на тока на възбуждане (според закона на Ом I B \u003d E / r B, където r B е съпротивлението на намотката на възбуждане, което ще доведе до по-нататъшно увеличаване на ЕМП и т.н. Самостоятелният генератор -възбужда , Когато ключът R е затворен под действието на ЕМП през резистор Rn, токът на натоварване ще тече, което ще доведе до спад на напрежението в съпротивлението r V на намотката на котвата, равно на I r I. Това означава, че напрежението на четки 1 и 2 ще бъде по-малко от EMF със стойността на този спад на напрежението, т.е.

U \u003d E - I r I, или U \u003d C E nФ - I r I.

От последната формула следва, че напрежението зависи от скоростта на генератора, т.е. скорост на вагона; от магнитния поток, създаден от възбудителните намотки, който от своя страна зависи от възбудителния ток; от тока на натоварване на генератора (колкото по-голям е токът на натоварване, толкова по-ниско е напрежението).

1. Обща информация

DC генераторите се използват в електроцентралите като източници електрическа енергия. Когато генераторът работи, неговата арматура се задвижва от задвижващ двигател и към намотката на възбуждане се подава постоянен ток, за да се създаде основният магнитен поток. В резултат на това в намотката на котвата на генератора се индуцира ЕМП E=CwЕи към неговите изходи може да бъде свързан консуматор на електрическа енергия (товар).

В зависимост от начина на захранване на възбудителните намотки се разделят генератори с независимо възбуждане и самовъзбуждане.

При генератор с независимо възбуждане възбуждащата намотка, разположена на главните полюси, се захранва с ток 1 AT от външен източник на постоянен ток, който няма електрическа връзка с намотката на котвата. Генераторите с ниска мощност могат да бъдат независимо възбудени от постоянни магнити. В генератор със самовъзбуждане възбуждащата намотка се захранва от клемите на котвената верига на генератора. В зависимост от схемата на свързване на намотката на възбуждане, генераторите се различават с паралелно, последователно и смесено възбуждане. При генератори с паралелно възбуждане възбудителната намотка е свързана паралелно с намотката на котвата и товара; с последователно възбуждане - последователно с намотката на котвата и товара. Генераторите със смесено възбуждане имат две възбудителни намотки на главните полюси, през които протичат възбудителни токове 1 ATи аз v2. Единият от тях е свързан паралелно с намотката на котвата, а другият последователно с нея.

За електромагнитно възбуждане на генератори се консумират 0,3 ... 5% от номиналната им мощност. Независимото възбуждане се използва в генератори с висока мощност, както и в генератори с ниско напрежение. Схемата за последователно възбуждане в генераторите практически не се използва. Принципни диаграми на генератори за постоянен ток с различни системи на възбуждане са показани на фигура 4.1. Обозначения на началото и края на намотките съгласно GOST: намотка на котвата - I1, I2;навиване на допълнителни стълбове -D1, D2;компенсационна намотка - К1, К2;независима намотка на възбуждане - М1, М2;паралелна намотка на възбуждане (шунт) - SH1, SH2;серийна намотка на възбуждане (сериен) - CI, C2.

В режим на празен ход на генератора към неговия вал се прилага незначителен момент от първичния двигател М 1 преодоляващ момент на генератора М 0 , поради спирачни моменти, възникващи по време на работата му от сили на триене, вихрови токове в

арматура и други електромагнитни явления. При свързване към клемите на арматурната верига на съпротивлението на товара Рз ток I ще тече в намотката на котвата, от взаимодействието на който с магнитното поле на възбуждане се създава спирачен електромагнитен момент M=SFаз, също се преодолява от главния двигател. Общият енергиен баланс в генератор със самовъзбуждане може да бъде представен като

където - вентилационни и механични загуби на мощност поради триене; - магнитни загуби (за хистерезис и вихрови токове); - допълнителни загуби; - загуба на мощност за възбуждане.

Ефективността на генератора е съотношението на полезна мощност Р 2 , дадена от генератора на товара, на механичната мощност Р 1 , свързан към генератора,

където - сума на загубите на мощност .

§ 111. МЕТОДИ ЗА ВЪЗБУЖДАНЕ НА ПОСТОЯННИ ГЕНЕРАТОРИ

DC генераторите могат да бъдат направени с магнитно и електромагнитно възбуждане. За създаване на магнитен поток в генератори от първия тип се използват постоянни магнити,

и в генератори от втори тип - електромагнити. Постоянните магнити се използват само в машини с много ниска мощност. По този начин електромагнитното възбуждане е най-широко използваният метод за създаване на магнитен поток. При този метод на възбуждане магнитният поток се създава от тока, протичащ през намотката на възбуждане.

В зависимост от начина на захранване на възбудителната намотка генераторите за постоянен ток могат да се възбуждат независимо и да се самовъзбуждат.

При независимо възбуждане (фиг. 143, а) намотката на възбуждане е свързана към мрежата на допълнителен източник на постоянен ток. За регулиране на тока на възбуждане Iv, съпротивлението r p е включено във веригата на намотката. При такова възбуждане токът Iv не зависи от тока в котвата Ia.

Недостатъкът на генераторите независимо възбужданее необходимостта от допълнителен източник на енергия. Въпреки факта, че този източник обикновено има ниска мощност (няколко процента от мощността на генераторите), необходимостта от него е голямо неудобство, така че независимите генератори за възбуждане намират много ограничено приложение само в машини. високо напрежение, при които захранването на възбудителната намотка от веригата на котвата е неприемливо по конструктивни причини.

Генераторите със самовъзбуждане, в зависимост от включването на намотката на възбуждане, могат да бъдат паралелни (фиг. 143, b), последователни (фиг. 143, c) и смесени (фиг. 143, d) възбуждане.

За генератори с паралелно възбуждане токът е малък (няколко процента номинален токарматура), а намотката на възбуждане има голям брой навивки. При последователно възбуждане токът на възбуждане е равен на тока на котвата и намотката на възбуждане има малък брой навивки.

При смесено възбуждане на полюсите на генератора са разположени две възбудителни намотки - паралелна и последователна.

Процесът на самовъзбуждане на DC генератори протича по същия начин за всяка схема на възбуждане. Например в генераторите паралелно възбуждане, които са получили най-широко приложение, процесът на самовъзбуждане протича по следния начин.

Всеки първичен двигател завърта арматурата на генератора, магнитната верига (ярем и ядра на полюсите), която има малък остатъчен магнитен поток F 0 . Този магнитен поток в намотката на въртящата се котва се индуцира напр. д.с. E 0 , което е няколко процента от номиналното напрежение на машината.

Под влияние на e. д.с. E 0 в затворена верига, състояща се от котва и възбуждаща намотка, протича ток Iv. Силата на намагнитване на намотката на възбуждане Ivw (w е броят на навивките) е насочена в съответствие с потока на остатъчния магнетизъм, увеличавайки магнитния поток на машината Ф, което води до увеличаване на двете e. д.с. в котвената намотка E, а токът във възбудителната намотка Iv. Увеличаването на последното причинява допълнително увеличение на F, което от своя страна увеличава E и Iv.

Поради насищането на стоманата на магнитната верига на машината, самовъзбуждането не се случва безкрайно дълго, а до определено напрежение, в зависимост от скоростта на въртене на котвата на машината и съпротивлението във веригата на възбудителната намотка . Когато стоманата на магнитната верига се насити, увеличаването на магнитния поток се забавя и процесът на самовъзбуждане завършва. Увеличаването на съпротивлението във веригата на възбуждащата намотка намалява както тока в нея, така и възбудения от този ток магнитен поток. Следователно ЕДС намалява. с. и напрежението, до което се възбужда генератора.

Промяната на скоростта на въртене на арматурата на генератора води до промяна в ЕДС. s, което е пропорционално на честотата на въртене, в резултат на което се променя и напрежението, на което се възбужда генератора.

Самовъзбуждането на генератора ще се случи само при определени условия, които са както следва:

1. >Наличие на остатъчен магнетичен поток. При липса на този поток, e няма да бъде създадено. д.с. E 0,под въздействието на който започва да протича ток във възбудителната намотка, така че възбуждането на генератора ще бъде невъзможно. Ако машината е демагнетизирана и няма остатъчна магнетизация, тогава постоянен ток трябва да бъде прекаран през възбудителната намотка от някакъв външен източник на електрическа енергия. След изключване на възбуждащата намотка машината отново ще има остатъчен магнитен поток.

2. Възбуждащата намотка трябва да бъде свързана в съответствие с потока на остатъчния магнетизъм, т.е. така, че магнетизиращата сила на тази намотка да увеличава потока на остатъчния магнетизъм.

Когато възбуждащата намотка е включена в обратна посока, нейната магнетизираща сила ще намали остатъчния магнитен поток и при продължителна работа може напълно да демагнетизира машината. Ако намотката на възбуждане се оказа включена в обратна посока, тогава е необходимо да промените посоката на тока в нея, т.е. разменете проводниците, подходящи за клемите на тази намотка.

3. Съпротивлението на веригата на възбуждащата намотка трябва да бъде прекалено голямо, при много високо съпротивление на веригата на възбуждане, самовъзбуждането на генератора е невъзможно.

4. Съпротивлението на външния товар трябва да е голямо, тъй като при ниско съпротивление токът на възбуждане също ще бъде малък и няма да възникне самовъзбуждане.

11. DC генератор с паралелно възбуждане: принцип на действие, условия на самовъзбуждане, характеристики.

Генератор с шунтово възбуждане. В този генератор (фиг. 8.47, а) възбуждащата намотка е свързана чрез регулиращ реостат успоредно на товара. Следователно, в това В този случай се използва принципът на самовъзбуждане, при който намотката на възбуждане се захранва директно от намотката на котвата на генератора.Самовъзбуждането на генератора е възможно само при определени условия. За да ги установите, помислете за процеса на промяна на тока във веригата "намотка на възбуждане - намотка на котвата" в режим на празен ход. За разглежданата верига получаваме уравнението

където ди аз c - моментни стойности на ЕМП в намотката на котвата и тока на възбуждане; Σ Рв = Рв + Р r.v - общо съпротивление на веригата за възбуждане на генератора (съпротивление Σ Ри може да се пренебрегне, тъй като е много по-малко от Σ Рв); Л c е общата индуктивност на намотките на възбуждането и котвата. Всички членове, включени в (8.59), могат да бъдат изобразени графично (фиг. 8.47, b). ЕМП дна някаква стойност азв тока на възбуждане може да се определи от характеристиката ОАпразен ход на генератора и спад на напрежението азв Σ Р c - според характеристиката ток-напрежение OVнеговите вериги на възбуждане. Характеристика OVе права линия, минаваща през началото под ъгъл y спрямо оста x; при което tg γ= Σ Рв. От (8.59) имаме

Следователно, ако разликата ( д - азв Σ Рв) > 0, тогава производната див / дт> 0 и има процес на увеличаване на тока на възбуждане азв.

Стационарното състояние във веригата на възбудителната намотка се наблюдава, когато див / дт= 0, т.е. в точката на пресичане ОТхарактеристики на празен ход ОАс права линия OV. В този случай машината работи с определен постоянен ток на възбуждане аз v0 и емф д 0 = U 0 .

От уравнение (8.60) следва, че за самовъзбуждането на генератора трябва да бъдат изпълнени определени условия:

1) процесът на самовъзбуждане може да започне само ако в началния момент ( аз c \u003d 0) в намотката на котвата се индуцира някакъв първоначален ЕМП. Такъв ЕМП може да бъде създаден от поток от остатъчен магнетизъм, следователно, за да започне процесът на самовъзбуждане, е необходимо генераторът да има поток от остатъчен магнетизъм, който, когато арматурата се върти, индуцира ЕМП в неговата намотка дПочивка. Обикновено в машината има поток от остатъчен магнетизъм поради наличието на хистерезис в нейната магнитна система. Ако няма такъв поток, тогава той се създава чрез преминаване на ток от външен източник през намотката на възбуждане;

2) по време на преминаване на ток азв намотката на неговото възбуждане MDS Fв трябва да бъде насочен според MMF на остатъчния магнетизъм Fокт. В този случай под действието на разл д - азв Σ Рв процеса на увеличаване на тока аз c, възбуждащ магнитен поток F c и EMF д.Ако тези MMF са насочени противоположно, тогава MMF на възбуждащата намотка създава поток, насочен срещу потока на остатъчния магнетизъм, машината се демагнетизира и процесът на самовъзбуждане няма да може да започне;

3) положителна разлика д - азв Σ Р c, необходими за увеличаване на тока на възбуждане азот нула до стабилно състояние аз v0, може да възникне само ако е в определения диапазон на текущата промяна азпо права линия ОВразположен под характеристиката на празен ход ОА.С увеличаване на съпротивлението на веригата на възбуждане Σ Ръгълът на наклон се увеличава γ прав ОВкъм текущата ос азв и при някаква критична стойност на ъгъла γ cr (съответстваща на критичната стойност на съпротивление Σ Р c.cr) прав OV"практически съвпада с праволинейната част на характеристиката на празен ход. В такъв случай д≈ азв Σ Рв и процесът на самовъзбуждане става невъзможен. Следователно, за самовъзбуждане на генератора е необходимо съпротивлението на веригата на възбуждане да бъде по-малко от критичната стойност.

Ако параметрите на възбудителната верига са избрани така, че Σ Рв< ΣР v.cr, след това в точката ОТосигурява се стабилност на режима на самовъзбуждане. При случайно намаляване на тока азпри под стационарно състояние азв 0 или го увеличете аз in0 възниква съответно положителна или отрицателна разлика ( д - азв Σ Рв), търсейки промяна на тока азтака че отново да стане равен азв0. Въпреки това, за Σ Р c > Σ Р c.cr стабилността на режима на самовъзбуждане е нарушена. Ако по време на работа на генератора съпротивлението на възбудителната верига се увеличи Σ Рв до стойност, по-голяма от Σ Р v.cr, тогава неговата магнитна система се демагнетизира и ЕМП намалява до дПочивка. Ако генераторът започне да работи при Σ Р c > Σ Рв.кр, тогава той няма да може да се самовъзбуди. Следователно, състояниеΣ Рв< ΣР c.cr ограничава възможния диапазон на регулиране на тока на възбуждане на генератора и неговото напрежение.Обикновено е възможно да се намали напрежението на генератора чрез увеличаване на съпротивлението Σ Р c, само до (0,6-0,7) Uназ. Външна характеристика на генераторае зависимост U=f(азм) при н= const и Рв = const (крива 1, ориз. 8.48). Намира се под външната характеристика на генератора с независимо възбуждане (крива 2). Това се дължи на факта, че в разглеждания генератор с изключение на две причини, които причиняват намаляване на напрежението с увеличаване

натоварване (спад на напрежението в котвата и демагнетизиращият ефект на реакцията на котвата), има трета причина - намаляване на тока на възбуждане Iв = U/Σ Рв, което зависи от напрежението U, т. е. от тока азн.

Генераторът може да бъде натоварен само до определен максимален ток азкр. С по-нататъшно намаляване на устойчивостта на натоварване Р n ток аз n = U/Р n започва да намалява, тъй като напрежението Uпада по-бързо отколкото намалява Рн. Работа по сайта абвъншните характеристики са нестабилни; в този случай машината преминава в режим на работа, съответстващ на точката b, т.е. в режим късо съединение.

Действието на причините, които причиняват намаляване на напрежението на генератора с увеличаване на натоварването, се вижда особено ясно от разглеждането на фиг. 8.49, който показва конструкцията на външна характеристика според характеристиката на празен ход и характеристичния триъгълник.

Строителството се извършва в следния ред. Чрез точката дна ординатната ос, съответстваща на номиналното напрежение, се начертава права линия, успоредна на абсцисната ос. Върхът се намира на тази линия. НОхарактерен триъгълник, съответстващ на номиналния товар; крак ABтрябва да е успореден на оста y и на върха ОТтрябва да лежи на характеристиката на празен ход 1. Чрез начало и връх НОдиректен 2 до пресечната точка с характеристиката на празен ход; тази права линия е характеристиката ток-напрежение на съпротивлението на веригата на възбуждащата намотка. По ординатата на пресечната точка дхарактеристики 1 и 2 вземете напрежението на генератора U 0 = д 0 на празен ход.

Ток на възбуждане аз in.nom при номинален режим съответства на абсцисата на точката НО,и генератор EMF д nom при номинално натоварване - ординатата на точката AT.Може да се определи от характеристиката на празен ход, ако възбудителният ток е намален аз v.nom по дължината на отсечката слънце,като се вземе предвид размагнитващият ефект на реакцията на котвата. При конструиране на външна характеристика 3 нейните точки аи б,съответстващи на празен ход и номинален товар, се определят от напреженията U 0 и Uназ. междинни точки с, д,...получават чрез харчене

прав A"C", A"C", A""C"",..., успоредна на хипотенузата AC, преди пресичане с характеристиката ток-напрежение 2 по точки А", А", А"",..., а също и с характеристика на празен ход 1 по точки C", C", C"",.... Ординати на точки A "A" A "",... отговарят на напрежения при товарни токове аза1, аза2, аз a3 ,..., чиито стойности се определят от релацията

аз аиме: аз а 1:аз а 2 ,Ia 3… = AC: A "C": A "C":A"C""...

При преминаване от режим на номинално натоварване към режим на празен ход напрежението на генератора се променя с 10 - 20%, т.е. повече, отколкото в генератор с независимо възбуждане.

При стабилно късо съединение на котвата, токът азкъм генератора с паралелно възбуждане е сравнително малък (виж фиг. 8.48), тъй като в този режим напрежението и токът на възбуждане са нула. Следователно, сегашната до. само ЕМП се създава от остатъчния магнетизъм и е (0,4 - 0,8) азназ. Характеристиките на регулиране и натоварване на генератор с паралелно възбуждане са от същото естество като тези на генератор с независимо възбуждане.

Повечето от генераторите за постоянен ток, произведени от местната индустрия, имат паралелно възбуждане. За да се подобри външното представяне, те обикновено имат малка серия намотки (един до три оборота на полюс). При необходимост такива генератори могат да се включват и по схема с независимо възбуждане.

Възбуждането на генератора е създаването на работен магнитен поток, поради което се създава ЕМП във въртящата се арматура. DC генераторите, в зависимост от метода на свързване на възбуждащите намотки, се различават независимо, паралелно, последователно и смесено възбуждане , Генераторът на независимо възбуждане има възбуждаща намотка OB, свързана към външен източник на ток чрез регулиращ реостат (фиг. 6- 10, а) Напрежението на клемите на такъв генератор ( крива 1 на фиг. 6-11) с увеличаване на тока на натоварване леко намалява в резултат на спада на напрежението вътрешно съпротивлениекотви и напреженията винаги са стабилни. Това свойство се оказва много ценно в електрохимията (захранване на електролитни вани)

Генераторът с паралелно възбуждане е генератор със самовъзбуждане, възбуждащата намотка на ОВ е свързана чрез регулиращ реостат към клемите на същия генератор (фиг. 6-10, b). Такова включване води до факта, че с увеличаване на тока на натоварване напрежението на клемите на генератора намалява поради спада на напрежението в намотката на котвата. Това от своя страна

причинява намаляване на тока на възбуждане и ЕМП в арматурата. Следователно напрежението на клемите на UH генератора намалява малко по-бързо (крива 2 на фиг. 6-11), отколкото това на независим генератор на възбуждане.

По-нататъшното увеличаване на натоварването води до толкова силно намаляване на тока на възбуждане, че когато веригата на натоварване е късо съединение, напрежението пада до нула (малък ток на късо съединение се дължи само на остатъчна индукция в машината). Следователно се смята, че генераторът на паралелно възбуждане не се страхува от късо съединение.

Генераторът на последователно възбуждане има OB възбуждаща намотка, свързана последователно с котвата (фиг. 6-10, д). При липса на товар в арматурата въпреки това се възбужда малка ЕМП поради остатъчната индукция в машината (крива 3 на фиг. 6-11). С увеличаване на натоварването напрежението на клемите на генератора първо се увеличава и след достигане на магнитното насищане на магнитната система на машината започва бързо да намалява поради спада на напрежението върху съпротивлението на котвата и поради размагнитващия ефект на реакцията на котвата.

Поради голямата променливост на напрежението при промени в натоварването, генераторите с последователно възбужданене се прилага в момента.

Генераторът със смесено възбуждане има две намотки: OB - свързани паралелно на арматурата, (допълнителни) - последователно (фиг. 6-10, d). Намотките са включени така, че да създават магнитни потоци в една посока, а броят на навивките в намотките е избран така, че спадът на напрежението върху вътрешното съпротивление на генератора и ЕМП на реакцията на котвата да бъдат компенсирани от ЕМП от потока на паралелната намотка.