Princip činnosti generátoru je založen na jevu elektromagnetické indukce. Pokud se rám s aktivními vodiči ab a cd (obr. 3.1, a) otáčí v poli permanentních magnetů NS, pak podle zákona elektromagnetické indukce dochází ve vodičích ab a cd k EMF:

kde B je indukce magnetické pole;

1 - délka aktivního vodiče;

V - obvodová rychlost vodiče;

sin α - úhel mezi směrem mag siločáry a směr pohybu vodiče v uvažovaném časovém okamžiku.

Rýže. 3.1. Princip generátoru stejnosměrný proud

Pokud jsou konce vodičů připojeny ke kroužkům a z nich přes kartáče 1 a 2 napájejí zátěžový obvod lampy Rn, pak při sepnutém nožovém spínači P poteče obvodem proud I H, který se také mění podle na sinusový zákon, tzn. střídavý proud. Abychom tuto proměnnou EMF napravili, připojujeme vodiče ab a cd nikoli ke kroužkům, ale k půlkroužkům (obr. 3.1, b). Kartáče 1 a 2 jsou instalovány tak, že se pohybují z jednoho půlkroužku do druhého v okamžiku, kdy ve vodičích rámu není EMF (rám je otočen o 90 ° vzhledem k podélné ose sloupů, tj. umístěné podél příčná osa póly). V tomto případě je EMF jednoho směru aplikováno na kartáče 1 a 2 během kompletní otáčky rámu, ačkoli ve vodičích ab a cd je EMF stále proměnlivé.

Při působení EMF v jednom směru bude proudem 1 V protékat zátěžovým obvodem v jednom směru, ale pulzující. Kartáč 2, ze kterého proud teče do vnějšího obvodu (zátěž), ​​je považován za kladný ("kladný") a kartáč 1, do kterého proud teče, je považován za negativní ("mínus").

Použití půlkroužků místo kroužků tedy umožnilo získat proud v jednom směru v zátěžovém obvodu, ačkoli ve vodičích rámu dochází k proměnlivému EMF, tzn. půlkroužky jsou mechanický usměrňovač. Chcete-li snížit zvlnění usměrněného proudu a získat velká důležitost EMF na kartáčích 1 a 2 stejnosměrného generátoru se používá velké množství desek umístěných na kolektoru a velké množství aktivních vodičů kotvy.

U skutečných stejnosměrných generátorů není magnetické pole vytvářeno permanentními magnety, ale budicími vinutími umístěnými na jádrech pólů. Magnetické pole s tokem F (obr. 3.2) vzniká tokem proudu Ib, v budícím vinutí W B. U generátorů podvozku je vinutí připojeno paralelně s vinutím kotvy I - ke kartáčům 1 a 2 .

Obr.3.2. Elektrické schéma DC generátor

s paralelním buzením

Díky zbytkové magnetizaci pólových jader má generátor vždy malé magnetické pole (magnetický tok). Jak se vůz pohybuje, kotva se v tomto slabém magnetickém poli otáčí. Jeho působením vzniká EMF ve vodičích vinutí kotvy, takže na kartáčích se objeví malé EMF usměrněné kolektorem, pod jehož působením bude protékat budicím vinutím budící proud. Budicí proud způsobí vznik magnetického toku, který je důležitější než tok zbytkového magnetismu, proto se na kartáčích vyskytuje EMF větší velikosti: E=C E nF, kde C E je návrhový koeficient generátor; n - otáčky kotvy, ot/min; Ф - magnetický tok vytvářený budícími vinutími.

Velké EMF způsobí zvýšení budícího proudu (podle Ohmova zákona I B \u003d E / r B, kde r B je odpor budícího vinutí, což povede k dalšímu zvýšení EMF atd. Generátor vlastní -budí.Při sepnutí spínače R působením EMF přes rezistor Rн poteče zatěžovací proud, což způsobí pokles napětí na odporu r V vinutí kotvy rovný I r I. To znamená, že napětí na kartáčích 1 a 2 bude menší než EMF o hodnotu tohoto poklesu napětí, tzn.

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

Z posledního vzorce vyplývá, že napětí závisí na otáčkách generátoru, tzn. rychlost vozu; z magnetického toku vytvářeného budicími vinutími, který zase závisí na budícím proudu; od zatěžovacího proudu generátoru (čím větší zatěžovací proud, tím nižší napětí).

1. Obecné informace

Jako zdroje se v elektrárnách používají stejnosměrné generátory elektrická energie. Když generátor běží, jeho kotva je poháněna hnacím motorem a do budícího vinutí je přiváděn stejnosměrný proud pro vytvoření hlavního magnetického toku. V důsledku toho se ve vinutí kotvy generátoru indukuje EMF E=CwF a na jeho výstupy lze připojit spotřebič elektrické energie (zátěž).

Podle způsobu napájení budicích vinutí se oddělují generátory s nezávislým buzením a samobuzením.

U generátoru s nezávislým buzením je budicí vinutí umístěné na hlavních pólech napájeno proudem 1 V z externího zdroje stejnosměrného proudu, který nemá elektrické spojení s vinutím kotvy. Nízkoenergetické generátory mohou být nezávisle buzeny permanentními magnety. U generátoru s vlastním buzením je budicí vinutí napájeno ze svorek obvodu kotvy generátoru. V závislosti na schématu zapojení budícího vinutí se generátory rozlišují s paralelním, sériovým a smíšeným buzením. U generátorů s paralelním buzením je budicí vinutí zapojeno paralelně s vinutím kotvy a zátěží; se sériovým buzením - sériově s vinutím kotvy a zátěží. Generátory se smíšeným buzením mají na hlavních pólech dvě budicí vinutí, kterými protékají budicí proudy 1 V a já v2. Jeden z nich je zapojen paralelně s vinutím kotvy a druhý sériově s ním.

Pro elektromagnetické buzení generátorů se spotřebuje 0,3 ... 5 % jejich jmenovitého výkonu. Nezávislé buzení se používá u generátorů vysokého výkonu, stejně jako u generátorů nízkého napětí. Schéma sekvenčního buzení v generátorech se prakticky nepoužívá. Schématická schémata stejnosměrných generátorů s různými systémy buzení jsou na obrázku 4.1. Označení začátku a konce vinutí podle GOST: vinutí kotvy - 11, 12; navíjení přídavných pólů -D1, D2; kompenzační vinutí - K1, K2; nezávislé vinutí buzení - M1, M2; paralelní vinutí buzení (shunt) - SH1, SH2; budicí vinutí sériové (sériové) - CI, C2.

V režimu volnoběhu generátoru působí na jeho hřídel nevýznamný moment primárního motoru M 1 překonání momentu generátoru M 0 , v důsledku brzdných momentů vznikajících při jeho provozu od třecích sil, vířivých proudů v

armatura a další elektromagnetické jevy. Při připojení na svorky obvodu zátěžové odporové kotvy RH ve vinutí kotvy poteče proud I, z jehož interakce s magnetickým polem buzení vzniká brzdný elektromagnetický moment M = SFjá, také překonán hlavním hybatelem. Celková energetická bilance v samobuzeném generátoru může být reprezentována jako

kde - ventilační a mechanické ztráty výkonu v důsledku tření; - magnetické ztráty (pro hysterezi a vířivé proudy); - dodatečné ztráty; - ztráta výkonu pro buzení.

Účinnost generátoru je poměr užitečného výkonu R 2 , daný generátorem zátěži, mechanickému výkonu R 1 , připojený ke generátoru,

kde - součet výkonových ztrát .

§ 111. ZPŮSOBY BUZENÍ GENERÁTORŮ DC

Stejnosměrné generátory mohou být vyrobeny s magnetickým a elektromagnetickým buzením. K vytvoření magnetického toku v generátorech prvního typu se používají permanentní magnety,

a v generátorech druhého typu - elektromagnety. Permanentní magnety se používají pouze u strojů s velmi malým výkonem. Elektromagnetické buzení je tedy nejrozšířenější metodou pro vytváření magnetického toku. Při tomto způsobu buzení vzniká magnetický tok proudem procházejícím budícím vinutím.

V závislosti na způsobu napájení budícího vinutí mohou být stejnosměrné generátory nezávisle buzeny a samobuzeny.

Při nezávislém buzení (obr. 143, a) je budicí vinutí připojeno k síti pomocného zdroje stejnosměrné energie. Pro regulaci budícího proudu Iv je v obvodu vinutí obsažen odpor r p. Při takovém buzení není proud Iv závislý na proudu v kotvě Ia.

Nevýhoda generátorů nezávislé buzení je potřeba dalšího zdroje energie. Navzdory tomu, že tento zdroj má většinou malý výkon (několik procent výkonu generátorů), jeho potřeba je velkou nepříjemností, takže nezávislé generátory buzení nacházejí velmi omezené využití pouze u strojů. vysokého napětí, u kterého je z konstrukčních důvodů nepřijatelné napájení budícího vinutí z obvodu kotvy.

Samobuzené generátory, v závislosti na zahrnutí budícího vinutí, mohou být paralelní (obr. 143, b), sériové (obr. 143, c) a smíšené (obr. 143, d) buzení.

U generátorů s paralelním buzením je proud malý (několik procent jmenovitý proud kotva) a budicí vinutí má velký počet závitů. Při sériovém buzení se budicí proud rovná proudu kotvy a budicí vinutí má malý počet závitů.

Při smíšeném buzení jsou na pólech generátoru umístěny dvě budicí vinutí - paralelní a sériové.

Proces samobuzení stejnosměrných generátorů probíhá stejným způsobem pro jakékoli schéma buzení. Například v generátorech paralelní buzení, které získaly nejširší uplatnění, proces samobuzení probíhá následovně.

Jakýkoli primární motor otáčí kotvou generátoru, magnetickým obvodem (jho a jádra pólů), který má malý zbytkový magnetický tok F 0 . Tento magnetický tok ve vinutí rotující kotvy je indukován např. d.s. E 0 , což je několik procent jmenovitého napětí stroje.

Pod vlivem e. d.s. E 0 v uzavřeném obvodu sestávajícím z kotvy a budícího vinutí teče proud Iv. Magnetizační síla budícího vinutí Ivw (w je počet závitů) je směrována v souladu s tokem zbytkového magnetismu, čímž se zvyšuje magnetický tok stroje F, což způsobuje zvýšení obou e. d.s. ve vinutí kotvy E a proud v budicím vinutí Iv. Zvýšení posledně jmenovaného způsobuje další zvýšení F, což zase zvyšuje E a Iv.

Vlivem nasycení oceli magnetického obvodu stroje nedochází k samobuzení neomezeně, ale až do určitého napětí, v závislosti na rychlosti otáčení kotvy stroje a odporu v obvodu budícího vinutí. . Při nasycení oceli magnetického obvodu se nárůst magnetického toku zpomalí a proces samobuzení končí. Zvýšením odporu v obvodu budícího vinutí se sníží jak proud v něm, tak i magnetický tok vybuzený tímto proudem. Proto se emf snižuje. S. a napětí, na které je generátor vybuzen.

Změna rychlosti otáčení kotvy generátoru způsobí změnu emf. s, který je úměrný otáčkám, v důsledku čehož se mění i napětí, na které je generátor buzen.

K samobuzení generátoru dojde pouze za určitých podmínek, které jsou následující:

1. >Přítomnost toku zbytkového magnetismu. Při absenci tohoto toku se e nevytvoří. d.s. E 0, pod jehož vlivem začne v budicím vinutí protékat proud, takže buzení generátoru bude nemožné. Pokud je stroj demagnetizován a nemá č zbytková magnetizace, pak musí budicím vinutím procházet stejnosměrný proud z nějakého cizího zdroje elektrické energie. Po vypnutí budícího vinutí bude mít stroj opět zbytkový magnetický tok.

2. Budicí vinutí musí být zapojeno v souladu s tokem zbytkového magnetismu, tj. tak, aby magnetizační síla tohoto vinutí zvyšovala tok zbytkového magnetismu.

Když je budicí vinutí zapnuto v opačném směru, jeho magnetizační síla sníží zbytkový magnetický tok a při delším provozu může stroj zcela demagnetizovat. Pokud se ukázalo, že je budicí vinutí zapnuto v opačném směru, je nutné změnit směr proudu v něm, tj. prohodit vodiče vhodné pro svorky tohoto vinutí.

3. Odpor obvodu budícího vinutí musí být nadměrně velký, při velmi vysokém odporu budícího obvodu je nemožné samobuzení generátoru.

4. Odpor vnější zátěže musí být velký, protože při nízkém odporu bude malý i budicí proud a nedojde k samobuzení.

11. Stejnosměrný generátor s paralelním buzením: princip činnosti, podmínky samobuzení, charakteristiky.

Generátor buzení bočníku. V tomto generátoru (obr. 8.47, A) budicí vinutí je připojeno přes nastavovací reostat paralelně k zátěži. Tudíž, v tomhle V tomto případě je použit princip samobuzení, kdy je budicí vinutí napájeno přímo z vinutí kotvy generátoru. Samobuzení generátoru je možné pouze za určitých podmínek. Chcete-li je vytvořit, zvažte proces změny proudu v obvodu "vinutí pole - vinutí kotvy" v klidovém režimu. Pro uvažovaný obvod získáme rovnici

kde E a i c - okamžité hodnoty EMF ve vinutí kotvy a budící proud; Σ R v = R v + R r.v - celkový odpor budícího obvodu generátoru (odpor Σ R a lze ji zanedbat, protože je mnohem menší než Σ R v); L c je celková indukčnost budícího a vinutí kotvy. Všechny pojmy obsažené v (8.59) lze znázornit graficky (obr. 8.47, b). EMF E v nějaké hodnotě i v budícím proudu lze určit charakteristikou OA volnoběh generátoru a pokles napětí i v Σ R c - podle proudově-napěťové charakteristiky OV jeho budicí obvody. Charakteristický OV je přímka procházející počátkem pod úhlem y k ose x; kde tg γ= Σ R v. Od (8.59) máme

Pokud tedy rozdíl ( E - i v Σ R c) > 0, pak derivace di v / dt> 0 a dochází k procesu zvyšování budícího proudu i v.

Ustálený stav v obvodu budícího vinutí je pozorován při di v / dt= 0, tedy v průsečíku Z volnoběhové charakteristiky OA s přímkou OV. V tomto případě stroj pracuje s určitým stálým budicím proudem já v0 a emf E 0 = U 0 .

Z rovnice (8.60) vyplývá, že pro samobuzení generátoru musí být splněny určité podmínky:

1) proces samobuzení může začít, pouze pokud v počátečním okamžiku ( i c \u003d 0) ve vinutí kotvy je indukováno určité počáteční EMF. Takový EMF může být vytvořen tokem zbytkového magnetismu, proto je pro zahájení procesu samobuzení nutné, aby generátor měl tok zbytkového magnetismu, který při otáčení kotvy indukuje EMF ve svém vinutí. E odpočinek. Obvykle dochází k toku zbytkového magnetismu ve stroji kvůli přítomnosti hystereze v jeho magnetickém systému. Pokud takový tok není, pak vzniká průchodem proudu z vnějšího zdroje přes budící vinutí;

2) při průchodu proudu i ve vinutí jeho buzení MDS F v musí být nasměrován podle MMF zbytkového magnetismu F Oct V tomto případě pod působením rozdílu e - i v Σ R v procesu zvyšování proudu i c, excitační magnetický tok F c a EMF E. Pokud jsou tyto MMF nasměrovány opačně, pak MMF budícího vinutí vytvoří tok namířený proti toku zbytkového magnetismu, stroj je demagnetizován a proces samobuzení nebude možné spustit;

3) kladný rozdíl e - i v Σ R c, nutné ke zvýšení budícího proudu i z nuly do ustáleného stavu já v0, může nastat pouze tehdy, je-li ve specifikovaném rozsahu změna proudu i v přímce OB umístěný pod charakteristikou volnoběžných otáček OA. Se zvýšením odporu budícího obvodu Σ Rúhel sklonu se zvětšuje γ rovný OB k aktuální ose já v a při nějaké kritické hodnotě úhlu γ cr (odpovídá kritické hodnotě odporu Σ R c.cr) rovný OV" se prakticky shoduje s přímočarou částí volnoběžné charakteristiky. V tomto případě E≈ i v Σ R v a proces sebebuzení se stává nemožným. Tudíž, pro samobuzení generátoru je nutné, aby odpor budícího obvodu byl menší než kritická hodnota.

Pokud jsou parametry budícího obvodu zvoleny tak, aby Σ R v< ΣR v.cr, pak v bodě Z je zajištěna stabilita režimu samobuzení. S náhodným poklesem proudu i pod ustáleným stavem já na 0 nebo ji zvyšte já v 0 vzniká kladný nebo záporný rozdíl ( e - i v Σ R c), snaží se změnit proud i v tak, aby se stal opět rovným já in0. Nicméně pro Σ R c > Σ R c.cr je narušena stabilita režimu samobuzení. Pokud se při provozu generátoru zvýší odpor budícího obvodu Σ R až do hodnoty větší než Σ R v.cr, pak je jeho magnetický systém demagnetizován a EMF klesá na E odpočinek. Pokud generátor začal pracovat při Σ R c > Σ R v.kr, pak se nebude moci samovzrušovat. Tudíž, stavΣ R v< ΣR c.cr omezuje možný rozsah regulace budícího proudu generátoru a jeho napětí. Obvykle je možné snížit napětí generátoru zvýšením odporu Σ R c, pouze do (0,6-0,7) U nom. Vnější charakteristika generátoru je závislost U=f(já m) v n= konst a R v = konst (křivka 1, rýže. 8,48). Je umístěn pod vnější charakteristikou generátoru s nezávislým buzením (křivka 2). To je způsobeno skutečností, že v uvažovaném generátoru kromě dvou důvodů, které způsobují pokles napětí s rostoucím

zatížení (úbytek napětí v kotvě a demagnetizační účinek reakce kotvy), je zde třetí důvod - pokles budícího proudu I. v = U/Σ R v, které závisí na napětí U, tedy na proudu já n.

Generátor lze zatěžovat pouze do určitého maximálního proudu já kr. S dalším poklesem zátěžového odporu R n proud já n = U/R n začíná klesat, protože napětí U klesá rychleji než klesá R n. Práce na webu ab vnější charakteristiky jsou nestabilní; v tomto případě se stroj přepne do provozního režimu odpovídajícímu bodu b, tedy do režimu zkrat.

Působení příčin, které způsobují pokles napětí generátoru s rostoucí zátěží, je zvláště dobře patrné z úvahy na Obr. 8.49, který znázorňuje konstrukci vnější charakteristiky podle volnoběhu a charakteristického trojúhelníku.

Stavba se provádí v následujícím pořadí. Skrz tečku D na ose pořadnice odpovídající jmenovitému napětí je nakreslena přímka rovnoběžná s osou úsečky. Vrchol se nachází na této čáře. ALE charakteristický trojúhelník odpovídající jmenovité zátěži; noha AB musí být rovnoběžné s osou y a vrcholem Z musí ležet na volnoběhu 1. Přes počátek a vrchol ALE Přímo 2 do průsečíku s volnoběžnou charakteristikou; tato přímka je proudově-napěťová charakteristika odporu obvodu budícího vinutí. Na pořadnici průsečíku E vlastnosti 1 a 2 získat napětí generátoru U 0 = E 0 na volnoběh.

Budicí proud já in.nom v nominálním režimu odpovídá úsečce bodu ALE, a generátor EMF E nom při jmenovitém zatížení - pořadnice bodu V. Z charakteristiky volnoběhu lze určit, zda se sníží budicí proud já v.nom délkou segmentu slunce, s přihlédnutím k demagnetizačnímu účinku reakce kotvy. Při konstrukci vnější charakteristiky 3 její body A a b, odpovídající zatížení naprázdno a jmenovitému zatížení, jsou určeny napětími U 0 a U nom. mezilehlé body S, d,... přijímat utrácením

rovný A"C", A"C", A""C"",..., rovnoběžná s přeponou AC, před křížením s charakteristikou proud-napětí 2 v bodech A", A", A"",..., a také s charakteristikou volnoběhu 1 v bodech C", C", C"",.... Souřadnice bodů A "A" A "",... odpovídají napětím při zátěžových proudech já a1, já a2, já a3,..., jejichž hodnoty jsou určeny ze vztahu

já A nom: já A 1:já A 2 ,IA 3… = AC: A"C": A"C":A""C""...

Při přechodu z režimu jmenovité zátěže do režimu nečinnosti se napětí generátoru změní o 10 - 20 %, tedy více než u generátoru s nezávislým buzením.

Při ustáleném zkratu kotvy proud já ke generátoru s paralelním buzením je relativně malý (viz obr. 8.48), jelikož v tomto režimu jsou napětí a budící proud nulové. Proto proud do. pouze EMF je vytvořeno ze zbytkového magnetismu a je (0,4 - 0,8) já nom. Řídicí a zatěžovací charakteristiky generátoru s paralelním buzením jsou stejné jako u generátoru s nezávislým buzením.

Většina stejnosměrných generátorů vyráběných domácím průmyslem má paralelní buzení. Pro zlepšení vnějšího výkonu mají obvykle malé sériové vinutí (jedna až tři otáčky na pól). V případě potřeby lze takové generátory zapnout také podle schématu s nezávislým buzením.

Buzení generátoru je vytvořením pracovního magnetického toku, díky kterému se v rotující kotvě vytváří EMF. Stejnosměrné generátory se v závislosti na způsobu připojení budicích vinutí rozlišují buzení nezávislé, paralelní, sériové a smíšené Nezávislý generátor buzení má budicí vinutí OB, připojené k externímu zdroji proudu přes nastavovací reostat (obrázek 6-10 , a) Napětí na svorkách takového generátoru (křivka 1 na obr. 6-11) s rostoucím proudem zátěže mírně klesá v důsledku poklesu napětí na vnitřní odpor kotvy a napětí jsou vždy stabilní. Tato vlastnost se ukazuje jako velmi cenná v elektrochemii (napájející elektrolytické lázně)

Paralelní budicí generátor je samobuzený generátor, budicí vinutí OB je připojeno přes nastavovací reostat na svorky téhož generátoru (obr. 6-10, b). Takové zahrnutí vede k tomu, že se zvýšením zatěžovacího proudu se napětí na svorkách generátoru snižuje v důsledku poklesu napětí na vinutí kotvy. Toto zase

způsobuje pokles budícího proudu a EMF v kotvě. Proto napětí na svorkách generátoru UH klesá poněkud rychleji (křivka 2 na obr. 6-11) než u nezávislého generátoru buzení.

Další zvýšení zátěže vede k tak silnému poklesu budícího proudu, že při zkratování zátěžového obvodu klesne napětí na nulu (malý zkratový proud je způsoben pouze zbytkovou indukcí ve stroji). Proto se má za to, že generátor paralelního buzení se nebojí zkratu.

Generátor sekvenčního buzení má OB budicí vinutí zapojené do série s kotvou (obr. 6-10, e). Při absenci zátěže v kotvě je přesto vybuzen malý EMF v důsledku zbytkové indukce ve stroji (křivka 3 na obr. 6-11). S nárůstem zátěže se nejprve zvyšuje napětí na svorkách generátoru a po dosažení magnetického nasycení magnetického systému stroje začne rychle klesat v důsledku poklesu napětí na odporu kotvy a v důsledku demagnetizačního účinku reakce kotvy.

Z důvodu velké variability napětí se změnou zátěže se v současnosti sériově buzené generátory nepoužívají.

Generátor smíšeného buzení má dvě vinutí: OB - připojené paralelně k kotvě, (přídavné) - v sérii (obr. 6-10, d). Vinutí jsou zapnuta tak, aby vytvářela magnetické toky v jednom směru a počet závitů vinutí je volen tak, aby úbytek napětí na vnitřním odporu generátoru a EMF reakce kotvy byly kompenzovány EMF. z toku paralelního vinutí.