Je těžké si představit náš život bez elektřiny. Ostatně jsou jím poháněna téměř všechna zařízení, bez kterých by prostě přestala existovat. Každý den potřebujeme elektřinu, jak stálou, tak i z ní různé zdroje. Jedním z nich je generátor stejnosměrný proud.

Tento článek bude zajímat každého. Je tak hezké si uvědomit, že jste se dozvěděli něco jiného o struktuře tohoto složitého světa. Osloví amatéry i profesionální elektromechaniky. Může to však zajímat i člověka, který se základy této složité vědy teprve začíná učit.

DC generátor našel široké uplatnění jak v průmyslu, tak v každodenním životě. Proto jsou tyto jednotky velmi rozmanité: velké a kompaktní, tiché a výkonné, naftové a benzínové. Podle rozsahu použití může být generátor domácí nebo průmyslový. V obou případech jej lze použít jak pro obnovení napájení v případě potřeby, tak pro jeho příjem na dálku od hlavních sítí.

V průmyslu se tato jednotka nejčastěji používá na různých lodích a jiných druzích dopravy. Stejnosměrný generátor se také používá v lékařském průmyslu k zajištění nepřetržitého napájení. A v domácím měřítku se používají v letních chatkách nebo malých kioscích. Také velmi často doma používají stejnosměrný svařovací generátor. Je nutné se připojit různé druhy kov.

Jak je uspořádán stejnosměrný generátor?

Tato jednotka se skládá z pevných a otočných částí. První z nich je indukční, což znamená, že vytváří magnetické pole. A druhý je indukční, říká se mu také kotva. Pevná část zařízení obsahuje hlavní a přídavné tyče a rám. Jsou upevněny šroubem.

Hlavní pól představuje magnet, který vytváří proudění vln. Obsahuje jádro, budicí vinutí a hrot. První část je vždy odlita z oceli. Pólové cívky jsou zapojeny do série. To přispívá k vytvoření budícího vinutí. Když jím protéká proud, vytváří

Hrot je nutný pro přidržení budícího vinutí na pólech. Proto je rovnoměrně rozložen na pólech. V tomto případě je bezpodmínečně nutné, aby měl hrot určitou formu.

Každý další pól se skládá z jádra a vinutí. Tyto díly jsou rovněž odlévány z oceli. Obvykle jich je tolik jako hlavních pólů a možná dvakrát méně. Instalují se především do generátorů. vysoký výkon, zatímco v kompaktních většinou chybí. Jejich hlavním účelem je eliminovat jiskry.

Rotační část se skládá z jádra, vinutí a kolektoru. První částí je válec, který je sestaven z ocelových plechů. Jsou od sebe izolovány lakem nebo papírem. To se provádí za účelem snížení ztrát

Princip činnosti stejnosměrného generátoru

Hlavní věc je, že toto zařízení je schopno přijímat elektrickou energii z mechanické. Princip činnosti je nejlépe uvažovat na nejjednodušší jednotce, kterou je rám vodiče umístěný mezi dvěma póly magnetu. Ke kolektoru je přitlačen negativní a pozitivní štětec. Mezi sebou jsou uzavřeny přes elektrickou žárovku vnějším obvodem.

Aby stejnosměrný generátor fungoval, musí se rám otáčet. Zároveň se v něm indukuje elektřina. Tento proud obrátí směr při každé půlotáčce. To se vysvětluje tím, že každá strana rámu protíná magnetické čáry střídavě v obou směrech. A ve vnějším obvodu proud teče jednosměrně. Zde se liší pouze velikostí. To znamená, že kolektor se transformuje střídavý proud trvalé, což je velmi důležité.

Objektivní

Seznamte se s přístrojem, principem činnosti stejnosměrných generátorů a prozkoumejte jejich vlastnosti v různých režimech.

1 Stručné teoretické informace

1.1. Účel a zařízení stejnosměrných strojů

Stejnosměrný stroj je elektromechanické zařízení, ve kterém se mechanická energie přeměňuje na elektrickou energii (režim generátoru), nebo se elektrická energie přeměňuje na energii mechanickou (režim motoru) Generátory a stejnosměrné motory jsou uspořádány stejným způsobem.

Hlavní části stroje: pevný stator, otočná kotva a sestava kartáč-sběrač. Stator (obr. 1.1, a) se skládá z rámu, hlavního a přídavného pólu s vinutím. Rám 1 je dutý ocelový válec, na jehož vnitřní ploše jsou upevněny hlavní 2 a přídavné póly 3. Na hlavních pólech 2 je umístěno budicí vinutí 4, které je napájeno stejnosměrným proudem a slouží k vytvoření hl. magnetické pole konstantní v čase a fixní v prostoru. Přídavné póly 3 se svým vinutím 5 jsou navrženy pro snížení jiskření na kolektoru.

Rýže. 1.1. Zařízení stejnosměrného stroje

Kotva (obr. 1.1. b) bubnového typu je válec, sestavený z plechů z elektrooceli, které jsou navzájem izolované, s drážkami na vnějším povrchu. V drážkách je uloženo vinutí kotvy 6, vyrobené z izolovaného měděného drátu. Kotevní řetěz je hlavním řetězem stroje.

Kolektor 7, umístěný na stejné hřídeli s kotvou, je válec sestávající z měděných klínovitých desek izolovaných od sebe a od hřídele. Začátky a konce sekcí vinutí kotvy jsou připájeny ke kolektorovým deskám. Ke kolektoru jsou pomocí pružiny přitlačovány grafitové, uhlíkovo-grafitové, měděno-grafitové nebo bronzovo-grafitové kartáčky 8. Jsou umístěny ve speciálních kartáčových držácích (obr. 1.1, c). Účel jednotky kartáč-kolektor: vytvořit kluzný kontakt vinutí rotující kotvy s vnějším obvodem; přeměňte střídavé EMF v režimu generátoru na konstantní napětí na kartáčích (mechanický usměrňovač); přeměňte stejnosměrné napětí zdroje na střídavý proud kotvy v motoru, aby byl zajištěn konstantní směr točivého momentu.

1.2. Provoz stejnosměrného stroje v generátorovém režimu

Při provozu generátoru se využívá jevů elektromagnetické indukce a mechanického působení magnetického pole na vodič s proudem.

Generátor musí dostat mechanickou energii, pro kterou je kotva poháněna hnacím motorem. Kromě toho je nutné vytvořit magnetické pole. K tomu prochází budicím vinutím stejnosměrný proud. Když se kotva otáčí v magnetickém poli, v jejím vinutí se indukuje EMF, úměrné velikosti magnetického toku

a rychlost kotvy .

,

kde

- konstruktivní koeficient EMF.

Pokud je zátěž připojena ke kartáčům generátoru, pak se při působení EMF v obvodu kotvy objeví proud . Proud kotvy interaguje s magnetickým polem, objevují se elektromagnetické síly a moment, směřující proti rotaci kotvy. Proto brzdí a je překonán hlavním hybatelem.

Velikost momentu je úměrná magnetickému toku a proudu kotvy

. (1)

Proud kotvy vybudí vlastní magnetické pole, které, superponované na hlavní magnetické pole, jej deformuje a zmenšuje. To vede ke snížení EMF a jiskření na kolektoru. Vliv pole kotvy na hlavní magnetické pole se nazývá reakce kotvy.

Podle způsobu buzení se stejnosměrné generátory dělí do tří skupin: generátory nezávislého buzení, generátory se samobuzením, generátory s permanentní magnety.

U generátoru s nezávislým buzením nemá budící vinutí elektrické spojení s vinutím kotvy a je napájeno z externího stejnosměrného zdroje (obr. 1.2).

U generátoru s vlastním buzením je budicí vinutí napájeno kotvou a generátor nepotřebuje externí zdroj energie. Podle způsobu připojení budícího vinutí k vinutí kotvy se generátory s vlastním buzením dělí na tři typy: paralelní, sériové a smíšené buzení.

Při paralelním buzení je budicí vinutí zapojeno paralelně s vinutím kotvy (obr. 1.3).

Samobuzení se obvykle provádí, když generátor běží naprázdno

K tomu musí být splněny následující podmínky:

1.) Přítomnost zbytkového magnetického pole.

2.) Koincidence ve směru magnetického pole buzení a zbytkového magnetického pole.

3.) Odpor v budicím obvodu by měla být méně než kritická.

4.) Rychlost kotvy by se měla blížit jmenovité hodnotě.

Vlastnosti stejnosměrných generátorů jsou dány především způsobem napájení budícího vinutí. V závislosti na tom se rozlišují generátory:

1) s nezávislým buzením - budicí vinutí je napájeno externím stejnosměrným zdrojem;

2) s paralelním buzením - budicí vinutí je připojeno k vinutí kotvy paralelně se zátěží;

3) se sériovým buzením - budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy a zátěží;

4) se smíšeným buzením - existují dvě budicí vinutí: jedno je zapojeno paralelně se zátěží a druhé je s ní zapojeno do série.

Uvažované generátory mají stejné zařízení a liší se pouze provedením budícího vinutí. Vinutí nezávislého a paralelního buzení s velkým počtem závitů je vyrobeno z drátu malého průřezu a vinutí sériového buzení s malým počtem závitů je vyrobeno z drátu. velký oddíl. Generátory nízký výkon někdy se provádí s permanentními magnety. Vlastnosti takových generátorů jsou blízké generátorům s nezávislým buzením.

Generátor s nezávislým buzením.V tomto generátoru(obr. 2.46) budící proud I v nezávisí na proudu kotvy I a, který se rovná zatěžovacímu proudu já n. Současná cena já in je určena pouze polohou seřizovacího reostatu r r.v zahrnuté v obvodu budícího vinutí:

kde U c – napájecí napětí; r c - odpor budícího vinutí; r r.v - odpor seřizovacího reostatu.

Typicky je budicí proud malý a činí 1–3 %. jmenovitý proud kotvy.

Hlavní charakteristiky, které určují vlastnosti stejnosměrných generátorů, jsou charakteristiky volnoběhu, vnější, řídicí a zátěžové.

Rýže. 2.46. Kruhový diagram generátor s nezávislým buzením

Charakteristika nečinnosti(obr. 2.47, A) zvané závislost U 0 = F(já c) při já n = 0 a n= konst. Když stroj běží naprázdno, když je obvod zátěže otevřený, napětí U 0 na kotevních svorkách se rovná emf. E = c E Фn.

Obvykle rychlost kotvy n se udržuje beze změny a napětí naprázdno závisí pouze na velikosti magnetického toku F, tzn. odliv vzruchu já v. Proto charakteristika U 0 = f(I v ) podobná magnetické charakteristice Ф = f(I v )

Rýže. 2.47 - Charakteristika generátoru s nezávislým buzením

Charakteristiku volnoběhu lze experimentálně snadno odstranit. Nejprve nastavte budicí proud tak, že U 0 ≈ 1,25U nom; pak snižte budicí proud na nulu a opět zvyšte na dřívější hodnotu. V tomto případě se získají vzestupné a sestupné větve charakteristiky, přičemž zůstane stejný bod. Divergence těchto větví se vysvětluje přítomností hystereze v magnetickém obvodu stroje. V já c \u003d 0 ve vinutí kotvy je zbytkové emf indukováno tokem zbytkového magnetismu. E ost , což jsou 2–4 %. U nom .

Vnější charakteristika(obr. 2.47, b) se nazývá závislost U = =f(I n ) v n= konst a já in = konst. V režimu zatížení napětí generátoru

, (2.67)

kde ∑ r- součet odporů všech vinutí zapojených do série v obvodu kotvy (kotva, přídavné póly a kompenzace).

S rostoucí zátěží napětí U klesá ze dvou důvodů:

a) v důsledku poklesu napětí na vnitřním odporu ∑ r auta;

b) v důsledku snížení emf. E v důsledku demagnetizačního působení reakce kotvy.

Změna napětí při přechodu z režimu jmenovité zátěže do režimu nečinnosti

. . (2.68)

U generátorů s nezávislým buzením je to 5–15 %.

Regulační charakteristika(obr. 2.47, v) se nazývá závislost já v = F(já m) v U= konst a n= konst. Ukazuje, jak by měl být nastaven budicí proud, aby bylo napětí generátoru konstantní při změně zátěže. Je zřejmé, že v tomto případě, když se zatížení zvyšuje, je nutné zvýšit budicí proud.

charakteristika zatížení(obr. 2.48, A) se nazývá závislost U=f(já c) při n=konst a já n = konst. Zatěžovací charakteristika při já n = já nom (křivka 2) prochází pod volnoběhovou charakteristikou (křivka 1 ), které lze považovat za speciální případ zatěžovací charakteristiky při já n = 0. Rozdíl mezi pořadnicemi křivek 1 a 2 vlivem demagnetizačního účinku reakce kotvy a poklesu napětí na vnitřním odporu ∑ r auta. Vizuální znázornění vlivu těchto faktorů je dáno charakteristickým neboli reaktivním trojúhelníkem ABC(obr. 2.48, A). Pokud do segmentu aa, rovnající se v určitém měřítku napětí U při nějakém zatěžovacím proudu já n, a nějaký budicí proud já c, přidejte segment AB, ve stejném měřítku se rovná úbytku napětí IA∑r v generátoru získáme segment aB, stejné emf E. Na volnoběh takové emf. indukované ve vinutí kotvy při nižším proudu já" na odpovídající úsečce bodu Z. Proto segment slunce charakterizuje demagnetizační účinek reakce kotvy na stupnici budícího proudu. Při konstantním proudu já n nohu AB charakteristický trojúhelník je konstantní; noha slunce závisí nejen na proudu já n, ale i na stupni nasycení magnetického systému, tzn. z budícího proudu já v. V některých případech je však vliv budícího proudu zanedbáván a předpokládá se, že segment slunceúměrné pouze proudu já n.

Rýže. 2.48 - Zátěžová charakteristika generátoru s nezávislým buzením (a) a jeho konstrukce pomocí jalového trojúhelníku (b)

To vám umožní vytvořit charakteristiky zátěže při různých proudech a změnit pouze hodnotu všech stran trojúhelníku ABC. Pokud horní Z charakteristický trojúhelník konstruovaný pro nějaký proud já n, kombinovat s charakteristikou 1 volnoběh (obr. 2.48, b), a poté posuňte trojúhelník podél této charakteristiky tak, aby noha slunce zůstala rovnoběžná s osou x, pak stopa vrcholu ALE poskytne přibližně požadovanou charakteristiku zatížení 2 při daném proudu já n. Tato charakteristika se bude mírně lišit od skutečné charakteristiky. 3 (což lze empiricky odstranit), protože hodnota nohy slunce charakteristický trojúhelník se změní v důsledku změn podmínek saturace. Pomocí charakteristiky volnoběhu, pomocí charakteristického trojúhelníku, lze sestavit další charakteristiky generátoru: vnější a nastavovací.

Rýže. 2.49 - Konstrukce vnější charakteristiky generátoru s nezávislým buzením pomocí charakteristického trojúhelníku

Budování vnější charakteristiky. Při stavbě vycházejte z charakteristiky volnoběhu 1 (obr. 2.49). Získání bodu D na ose y odpovídající jmenovitému napětí U nom, nakreslete přes něj rovnou čáru INZERÁT, rovnoběžně s osou x. Vrchol se nachází na této čáře. ALE charakteristický trojúhelník odebraný při jmenovitém proudu kotvy tak, že noha AB byla rovnoběžná s osou y a nahoře Z byl na seznamu 1. Poté vypuštěním kolmice z vrcholu ALE na ose x najděte bod ALE na , odpovídající jmenovitému budícímu proudu já in.nom.

Při tomto způsobu stanovení proudu já in.nom vycházet ze skutečnosti, že při působení reakce kotvy emf. pod zátěží bude menší než na volnoběh, tzn. bude vytvořen jakoby menším budicím proudem. Toto snížení proudu já v odpovídá segmentu slunce, charakterizující demagnetizační účinek reakce kotvy. Napětí při jmenovitém proudu bude také menší než emf. poklesem napětí IA∑r, kterému odpovídá noha AB.

Při budování požadované závislosti 2 Napětí U od zátěžového proudu já = IA jeho body lze snadno určit: jmenovitý proud Já a.nom odpovídá jmenovitému napětí U nom (bod b), a klidový režim (proud kotvy je nulový) - napětí U 0 (bod A), stejné emf při budícím proudu já in.nom. Další body ( c, d atd.) vnější charakteristiky lze konstruovat tak, že se všechny strany charakteristického trojúhelníku mění přímo úměrně ke změně proudu kotvy a uspořádají se tak, že nohy A"B", A "B" atd. zůstaly rovnoběžné s osou y. Zároveň body B, B", V" atd. by měla být umístěna na svislé čáře A až B , odpovídající budícímu proudu já in.nom a body Z, Z", Z" atd. na volnoběhu. Pak souřadnice bodů B", B" atd. určí hodnotu napětí při zátěžových proudech já a1 = IA nom A"B"/AB; IA 2 \u003d Já a nom A "B"/AB atd.

Obvykle při budování vnější charakteristiky 2 kreslit pouze přepony charakteristických trojúhelníků A "C", A "C" atd., paralelně AU, až po průsečík s volnoběžnou charakteristikou a s čárou ALE na V, proud já in.nom. Souřadnice nalezených bodů A", A" atd. poskytne požadované hodnoty stresu (tj. bodů c, d atd. vnější charakteristiky 2), při zátěžových proudech

: : :···= AC:A"C":A "C": ··.

Pokud z bodu ALE na , relevantní já v.iom, nakreslit přímku, rovnoběžku AU, až k průsečíku s volnoběžnou charakteristikou v bodě Z k, pak dostaneme velikost zkratového proudu já k = já nom ALE na Z do / AU, což je 5–15 násobek jmenovitého proudu. Při znalosti zkratového proudu lze vypočítat maximální točivý moment a mechanickou pevnost hřídele, vybrat ochranné zařízení atd. Je obtížné experimentálně určit zkratový proud, protože během experimentu může dojít k požáru.

Konstruovaná charakteristika je přibližná. Hlavní chyba je způsobena tím, že demagnetizační účinek reakce kotvy (tj slunce) není úměrná proudu kotvy. Obvykle daná konstrukce udává mírně podhodnocenou hodnotu napětí, ale i zkratového proudu.

Sestavení regulační charakteristiky(obr. 2.50). Tato konstrukce začíná tím, že najdou budicí proud odpovídající jmenovitému napětí naprázdno. Pro určení budícího proudu při jmenovitém zatěžovacím proudu je horní ALE charakteristický trojúhelník (odpovídající jmenovité zátěži) je umístěn na přímce 2, rovnoběžné s osou úsečky a umístěné v určité vzdálenosti od ní U nom. noha AB Z by měl být umístěn na volnoběhu 1 . Vrchol úsečky ALE udává požadovanou hodnotu budícího proudu. Důkaz platnosti této konstrukce je dán konstrukcí vnější charakteristiky.

Kreslení čar rovnoběžných s přeponou AU, dostáváme segmenty A"C", A"C", A""C"" atd., uzavřený mezi volnoběžnou charakteristikou 1 a přímý 2, odpovídající stavu U=U nom = konst. Tyto segmenty představují přepony charakteristických trojúhelníků pro jiné zatěžovací proudy. Požadovaná regulační charakteristika já v = F(IA) - křivka 3 - postavený v dolním souřadnicovém rohu. Hodnoty budícího proudu jsou určeny úsečkami bodů A, A", A" atd., které odpovídají zatěžovacím proudům úměrným délkám segmentů AC, A "C", A "C" atd.

Rýže. 2.50 - Sestavení regulační charakteristiky pomocí charakteristického trojúhelníku

Rýže. 2.51 - Schéma generátoru s paralelním buzením

Výhodou generátorů s nezávislým buzením je schopnost regulovat napětí v širokém rozsahu od nuly do U max změnou budícího proudu a relativně malou změnou napětí generátoru při zátěži. Tyto generátory však vyžadují vnější zdroj stejnosměrný proud pro - napájení budícího vinutí.

Generátor s paralelním buzením. V u tohoto generátoru (obr. 2.51) je budicí vinutí zapojeno přes nastavovací reostat paralelně se zátěží. Stroj proto využívá principu samobuzení, kdy je budicí vinutí napájeno přímo ze samotného generátoru. Samobuzení generátoru je možné pouze za určitých podmínek. Chcete-li je vytvořit, zvažte proces změny proudu v obvodu "budící vinutí - kotva" v klidovém režimu. Pro uvažovaný obvod můžeme napsat rovnici

e = i B RB + L B di B /dt,(2.69)

kde E a i c – okamžité hodnoty emf. E ve vinutí kotvy a budícím proudu já v; R v = r v + r r.v - celkový odpor budícího obvodu generátoru (odpor ∑ r lze zanedbat, protože je mnohem méně R v ); L c je celková indukčnost budícího a vinutí kotvy.

Všechny termíny obsažené v (2.69) lze znázornit graficky. Na Obr. 2.52 ukazuje závislost e = f(i v ), což je charakteristika volnoběžného generátoru oa, a proudově-napěťová charakteristika odporu jeho budícího obvodu i v R v = = f(i v ). Ten druhý je přímý OV, procházející počátkem pod úhlem v k ose x; kde tgγ=R v . Od (2,69) máme

diB/dt=(e-i BRB)/LB.(2.70)

Pokud tedy existuje kladný rozdíl (E–i v r c), pak derivát di v / dt> 0 a dochází k procesu zvyšování budícího proudu i v. Ustálený stav v obvodu budícího vinutí nastane, když di v / dt = 0, těch. na místě Z volnoběh charakteristické přejezdy 0A s přímkou 0V. V tomto režimu bude stroj pracovat s určitým stálým budicím proudem já v0 a e.f.s. E 0 = U 0 .

Z rovnice (2.70) vyplývá, že pro samobuzení generátoru musí být splněny určité podmínky.

1. Proces samobuzení v generátoru může začít pouze tehdy, pokud v počátečním okamžiku ( i c = 0) ve vinutí kotvy se indukuje určité počáteční emf. E brzy Takové emf může být vytvořen tokem zbytkového magnetismu. Pro zahájení procesu samobuzení generátoru je proto nutné, aby stroj měl tok zbytkového magnetismu, který při otáčení kotvy indukuje emf ve svém vinutí. E ost . Obvykle dochází k toku zbytkového magnetismu ve stroji kvůli přítomnosti hystereze v jeho magnetickém systému. Pokud takový tok není, pak vzniká průchodem proudu z externího zdroje přes budící vinutí.

2. S průchodem proudu i v budícím vinutí jeho m.d.s. F c by měl být směrován podle ppm. zbytkový magnetismus F ost . V tomto případě pod působením rozdílu E–i v R v procesu zvyšování proudu i v , buzení magnetický tok Ф in a emf. E. Pokud je uvedeno ppm směřující opačně, pak m.d.s. budicí vinutí vytváří proud nasměrovaný proti proudu zbytkového magnetismu, stroj se demagnetizuje a samobuzení nemůže začít.

3. Pozitivní rozdíl E–i v R v , nutné zvýšit budicí proud i z nuly do ustáleného stavu já v0, může proběhnout pouze v případě, že ve specifikovaném rozsahu změny proudu i v přímce OV umístěný pod charakteristikou volnoběžných otáček OA.

Rýže. 2.52 - Povaha změny v emf. a budící proud generátoru v procesu samobuzení

S nárůstem odporu budícího obvodu R in se zvětšuje úhel sklonu přímého OB k ose proudu I in a při určité kritické hodnotě tohoto úhlu γ cr (odpovídající kritické hodnotě odporu R in. cr), bude přímá OB prakticky splývat s přímočarou částí volnoběžné charakteristiky. V tomto případě je e ≈ i v R in a proces samobuzení se stává nemožným. Proto je pro samobuzení generátoru nutné, aby odpor budícího obvodu byl menší než kritická hodnota.

Pokud jsou parametry budícího obvodu zvoleny tak, že R v <.R in.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 in0, vzniká kladný nebo záporný rozdíl (E–i v R v ), ve snaze změnit proud i v tak, aby se stal opět rovným já in0. Nicméně, když R v > R c.cr je narušena stabilita režimu samobuzení. Pokud se při provozu generátoru zvýší odpor budícího obvodu R na hodnotu větší než R v.kr, pak se stroj demagnetizuje a jeho e. d.s. klesá na E ost . Pokud se generátor rozběhne při R v > R v.kr, pak se nebude moci samovzrušovat. Proto podmínka R v < R v.kr omezuje možný rozsah regulace budícího proudu generátoru a tím i jeho napětí. Obvykle snižte napětí generátoru zvýšením odporu R c je možné pouze do (0,6 ÷ 0,7) U nom .

Vnější charakteristika generátoru je závislost U = f(I v ) v n= konst a R c = konst (obr. 2.53, křivka 1). Je umístěn pod vnější charakteristikou generátoru s nezávislým buzením (křivka 2 ). To je vysvětleno skutečností, že v uvažovaném generátoru existuje kromě dvou důvodů, které způsobují pokles napětí s rostoucí zátěží (pokles napětí v kotvě a demagnetizační účinek reakce kotvy), ještě třetí důvod - a pokles budícího proudu já v =U/R v , který závisí na napětí ty, těch. z proudu já n.

Rýže. 2.53. Vnější charakteristika generátorů s nezávislým a paralelním buzením

Působení příčin, které snižují napětí generátoru se zvýšením zatěžovacího proudu, je zvláště jasně patrné z úvahy na Obr. 2.54, který znázorňuje konstrukci vnější charakteristiky podle volnoběhové charakteristiky 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; 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. Souřadnice křižovatky E vlastnosti 1 a 2 dát napětí generátoru U 0 na volnoběh.

Rýže. 2.54 - Konstrukce vnější charakteristiky generátoru s paralelním buzením pomocí charakteristického trojúhelníku

Tato konstrukce je správná, protože:

a) budicí proud při jmenovitém režimu já in.nom = U nom / R v odpovídá úsečce bodu ALE;

b) e. d.s. generátor při jmenovité zátěži E nom = U nom + IA jmenovité ∑ r odpovídá pořadnici bodu V;

c) e. d.s. E nom lze určit z charakteristiky volnoběhu, pokud vezmeme budicí proud, který je menší já v.nom délkou segmentu slunce, s přihlédnutím k demagnetizačnímu účinku reakce kotvy.

Při konstrukci vnější charakteristiky 3, její body A a b, odpovídající volnoběhu a jmenovité zátěži, jsou určeny hodnotami napětí U 0 a U nom . Mezilehlé body se získávají nakreslením přímých čar A "C", A "C" atd. rovnoběžná s přeponou AU, před křížením s charakteristikou proud-napětí 2 v bodech A", A" atd., stejně jako s charakteristikou volnoběhu 1 v bodech C", C" atd. Bodové souřadnice A", A" atd. bude odpovídat napětím při zátěžových proudech IA 1 , já a2 atd., jejichž hodnoty jsou určeny ze vztahu I A nom: IA 1: IA 2:… =AC: A"C": A "C":…

Změna napětí generátoru při přechodu z režimu jmenovité zátěže do režimu nečinnosti je 10–20 %, tzn. více než u generátoru s nezávislým buzením.

V zkrat proud kotvy já do generátoru s paralelním buzením je relativně malý, jelikož v tomto režimu jsou napětí a budící proud nulové. V důsledku toho vzniká zkratový proud pouze např. d.s. od zbytkového magnetismu a je (0,4 - 0,8) já nom. Generátor lze zatěžovat pouze do určitého maximálního proudu já kr. S dalším poklesem zátěžového odporu r n proud já n ≈ IA≈ U/r n začíná klesat jako U klesá rychleji než klesá r n . Práce na webu ab vnější charakteristika (viz obr. 10–53) je nestabilní; v tomto případě se stroj přepne do provozního režimu odpovídajícímu bodu b, těch. do režimu zkratu.

Regulační a zátěžové charakteristiky generátory s paralelním buzením jsou stejného charakteru jako u generátoru s nezávislým buzením.

Generátor se sekvenčním buzením. V generátoru se sériovým buzením (obr. 2.55, A) budící proud já v = Já \u003d já n. Vnější charakteristika generátoru (obr. 2.55, b, křivka 1) lze vykreslit z charakteristiky volnoběhu (křivky 2) a reaktivní trojúhelník abc, jehož strany se zvětšují úměrně proudu já n.

Rýže. 2.55 - Schéma generátoru se sekvenčním buzením a jeho vnější charakteristika

Pro proudy méně já cr, s nárůstem zatěžovacího proudu roste magnetický tok Ф a e. d.s. generátor E, V důsledku toho se také zvyšuje napětí. U. Pouze při velmi vysokých proudech já n> já napětí kr U klesá s rostoucí zátěží, protože v tomto případě je magnetický systém stroje nasycený a mírné zvýšení toku F nemůže kompenzovat zvýšený úbytek napětí na vnitřním odporu ∑ r Vzhledem k tomu, že u sériově buzeného generátoru se napětí velmi mění se změnami zátěže a při volnoběhu se blíží nule, jsou takové generátory nevhodné pro napájení většiny elektrické spotřebiče. Používají se pouze pro elektrické brzdění motorů se sekvenčním buzením, které jsou následně převedeny do generátorového režimu.

Rýže. 2.56 - Schéma generátoru se smíšeným buzením a jeho vnější charakteristiky

Generátor smíšeného buzení. V tomto generátoru (obr. 2.56, A) Existují dvě budicí vinutí: hlavní (paralelní) a pomocné (sériové). Konzistentní zahrnutí dvou vinutí umožňuje získat přibližně konstantní napětí generátoru při změně zatížení. Vnější charakteristika generátoru (obr. 2.56, b) v první aproximaci může být reprezentován jako součet charakteristik vytvořených každým z budicích vinutí. Když je zapnuto pouze jedno paralelní vinutí, kterým prochází budicí proud já v1, napětí generátoru U postupně klesá s rostoucím zatěžovacím proudem I n (křivka 1 ). Při zapnutí jednoho sériového vinutí, kterým prochází budicí proud já v2 = já n, napětí roste s rostoucím proudem já n (křivka 2).

Volba počtu závitů sériového vinutí tak, aby při jmenovité zátěži vzniklo napětí Δ U naposledy kompenzován celkovým úbytkem napětí Δ U při provozu stroje pouze s jedním paralelním vinutím lze dosáhnout toho, že nap U když se zatěžovací proud změní z nuly na já nom zůstal téměř nezměněn (křivka 3). V praxi se pohybuje v rozmezí 2–3 %. Zvýšením počtu závitů sériového vinutí lze získat charakteristiku, při které je napětí U nom > U 0 (křivka 4); tato charakteristika zajišťuje kompenzaci poklesu napětí nejen ve vnitřním odporu ∑ r generátoru, ale také ve vedení, které jej spojuje se zátěží. Pokud je sériové vinutí zapnuto tak, že jeho m.f. byl namířen proti m.d. paralelní vinutí (opačné zapojení), pak vnější charakteristika generátoru at více otáčky sériového vinutí budou strmě klesat (křivka 5 ). Protispojení sériových a paralelních budicích vinutí se používá u svařovacích generátorů a dalších speciálních strojů, kde je požadováno omezení zkratového proudu.

Stejnosměrné generátory vyráběné domácím průmyslem jsou většinou paralelní buzení. Obvykle se pro zlepšení vnějších charakteristik dodávají s malosériovým vinutím (jedna až tři otáčky na pól).

V případě potřeby lze takové generátory zapnout také podle schématu s nezávislým buzením. Generátory s nezávislým buzením se používají pouze při vysokém výkonu, stejně jako při nízkém výkonu, ale nízkém napětí. U těchto strojů je bez ohledu na napětí kotvy budicí vinutí dimenzováno na standardní stejnosměrné napětí 110 nebo 220 V pro zjednodušení ovládacího zařízení.

Jsou určeny především způsobem zapnutí budícího vinutí. Existují generátory nezávislého, paralelního, sériového a smíšeného buzení:

s nezávislou stimulací: budicí vinutí je napájeno externím stejnosměrným zdrojem (baterie, malý pomocný generátor nazývaný budič nebo usměrňovač),

s paralelním buzením: budicí vinutí je zapojeno paralelně s vinutím kotvy a zátěží,

se sekvenčním buzením: budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy a zátěží,

se smíšeným vzrušením: Existují dvě budicí vinutí - paralelní a sériové, první je zapojeno paralelně s vinutím kotvy a druhé je v sérii s ním a zátěží.

Generátory s paralelním, sériovým a smíšeným buzením jsou stroje s vlastním buzením, protože jejich budicí vinutí jsou napájena ze samotného generátoru.

Buzení stejnosměrných generátorů: a - nezávislé, b - paralelní, c - sériové, d - smíšené.

Všechny tyto generátory mají stejné zařízení a liší se pouze provedením budicích vinutí. Nezávislá a paralelní budicí vinutí jsou vyrobena z drátu malého průřezu, mají velký počet závitů, sériové budicí vinutí je vyrobeno z drátu velkého průřezu, má malý počet závitů.

Vlastnosti stejnosměrných generátorů se posuzují podle jejich charakteristik: volnoběh, vnější a seřizovací. Tyto charakteristiky pro generátory různých typů budou zvažovány níže.

Generátor s nezávislým buzením

Charakteristickým znakem generátoru s nezávislým buzením (obr. 1) je, že jeho budicí proud Iv nezávisí na proudu kotvy Ia, ale je určen pouze napětím Uv přivedeným na budicí vinutí a odporem R v budicím obvodu. .

Rýže. 1. Schematické schéma generátoru s nezávislým buzením

Typicky je budicí proud malý a činí 2-5 % jmenovitého proudu kotvy. Pro regulaci napětí generátoru je často součástí obvodu budícího vinutí seřizovací reostat RRV. Na dieselových lokomotivách se proud Iv reguluje změnou napětí Uv.

Charakteristika volnoběhu generátoru(obr. 2, a) - závislost napětí Uo naprázdno na budícím proudu Iv při nepřítomnosti zátěže Rn, t.j. při In = Il = 0 a při konstantních otáčkách n. Naprázdno, kdy je zatěžovací obvod Obr. otevřený, generátor napětí Uo je roven jeho e. d.s. Eo = cEFn.

Vzhledem k tomu, že při odstranění charakteristiky volnoběhu se rychlost otáčení n nezmění, závisí napětí Uo pouze na magnetickém toku Ф. Proto bude charakteristika volnoběhu podobná závislosti toku Ф na budícím proudu Iа (magnet. charakteristika magnetického obvodu generátoru).

Charakteristiku naprázdno lze snadno experimentálně odstranit postupným zvyšováním budícího proudu z nuly na hodnotu, při které U0 = 1,25 Unom, a následným snižováním budícího proudu na nulu. V tomto případě se získá vzestupná 1 a sestupná 2 větve charakteristiky. Divergence těchto větví se vysvětluje přítomností hystereze v magnetickém obvodu stroje. Při Iv = 0 ve vinutí kotvy se indukuje tok zbytkového magnetismu zbytkový e. d.s. Eres, což je obvykle 2-4% jmenovitého napětí Unom.

Při nízkých budicích proudech je magnetický tok stroje malý, proto se v této oblasti tok a napětí Uo mění přímo úměrně k budícímu proudu a počáteční část této charakteristiky je přímka. S nárůstem budícího proudu se magnetický obvod generátoru nasytí a nárůst napětí Uo se zpomalí. Čím větší je budicí proud, tím silněji působí saturace magnetického obvodu stroje a tím pomaleji se zvyšuje napětí U0. Při velmi vysokých budicích proudech se napětí Uo prakticky přestává zvyšovat.

Charakteristika volnoběhu umožňuje posoudit hodnotu možného napětí a magnetické vlastnosti auta. Jmenovité napětí (uvedené v pasu) pro stroje pro všeobecné použití odpovídá nasycené části charakteristiky („koleno“ této křivky). U generátorů lokomotiv, které vyžadují regulaci napětí v širokém rozsahu, se používá jak křivočará, tak i přímočará nenasycená část charakteristiky.

E. d. s. stroj se mění úměrně k rychlosti otáčení n, tedy s n2

(obr. 2, b) je závislost napětí U na zatěžovacím proudu Ip = Il při konstantních otáčkách n a budícím proudu Iv. Napětí generátoru U je vždy menší než jeho e. d.s. E na hodnotě úbytku napětí ve všech vinutích zapojených do série v obvodu kotvy.

Se zvýšením zatížení generátoru (proud vinutí kotvy I I - I H) se napětí generátoru snižuje ze dvou důvodů:

1) v důsledku zvýšení poklesu napětí v obvodu vinutí kotvy,

2) v důsledku poklesu e. d.s. v důsledku demagnetizačního působení toku kotvy. Magnetický tok kotvy poněkud oslabuje hlavní magnetický tok Ф generátoru, což vede k určitému poklesu jeho e. d.s. E pod zatížením ve srovnání s e. d.s. Eo na volnoběh.

Změna napětí při přechodu z volnoběhu na jmenovitou zátěž v příslušném generátoru je 3 - 8℅ od jmenovitého.

Pokud uzavřete vnější obvod na velmi nízký odpor, tedy zkratujete generátor, pak jeho napětí klesne na nulu. Proud ve vinutí kotvy Ik při zkratu dosáhne nepřijatelné hodnoty, při které může dojít k vyhoření vinutí kotvy. U strojů s malým výkonem může být zkratový proud 10-15krát vyšší než jmenovitý proud, u strojů s velkým výkonem může tento poměr dosáhnout 20-25.

Rýže. 2. Charakteristika generátoru s nezávislým buzením: a - volnoběh, b - vnější, c - seřizovací

Regulační charakteristika generátoru(obr. 2, c) je závislost budícího proudu Iv na zatěžovacím proudu Iн při konstantním napětí U a otáčkách n. Ukazuje, jak regulovat budicí proud, aby se při změně zátěže udrželo konstantní napětí generátoru. . Je zřejmé, že v tomto případě, když se zatížení zvyšuje, je nutné zvýšit budicí proud.

Výhodou generátoru s nezávislým buzením je možnost regulovat napětí v širokém rozsahu od 0 do Umax změnou budícího proudu a malou změnou napětí generátoru při zatížení. Vyžaduje však externí stejnosměrný zdroj pro napájení budícího vinutí.

Generátor s paralelním buzením.

V tomto generátoru (obr. 3, a) se proud Iya vinutím kotvy větví do vnějšího zatěžovacího obvodu RH (proud In) a do budícího vinutí (proud Iv), proud Iv pro stroje středního a vysokého výkonu je 2- 5 % jmenovitého proudu v kotevním vinutí. Stroj využívá principu samobuzení, kdy je budicí vinutí napájeno přímo z vinutí kotvy generátoru. Samobuzení generátoru je však možné pouze při splnění řady podmínek.

1. Pro spuštění procesu samobuzení generátoru je nutné mít v magnetickém obvodu stroje tok zbytkového magnetismu, který indukuje e ve vinutí kotvy. d.s. Eost. Toto e. d.s. zajišťuje průtok obvodem "vinutí kotvy - budící vinutí" nějakého počátečního proudu.

2. Magnetický tok generovaný budícím vinutím musí být směrován podle magnetického toku zbytkového magnetismu. V tomto případě se v procesu samobuzení zvýší budicí proud Iv a následně magnetický tok F stroje e. d.s. E. Toto bude pokračovat, dokud se v důsledku nasycení magnetického obvodu stroje nezastaví další zvyšování F a následně E a Iv. Koincidence ve směru těchto toků je zajištěna správné připojení budící vinutí na vinutí kotvy. Při nesprávném zapojení se stroj demagnetizuje (zbytkový magnetismus zmizí) a e. d.s. E klesne na nulu.

3. Odpor budícího obvodu RB musí být menší než určitá mezní hodnota, nazývaná kritický odpor. Pro co nejrychlejší buzení generátoru se proto doporučuje při zapnutí generátoru zcela odstranit regulační reostat Rrv, zapojený do série s budicím vinutím (viz obr. 3, a). Tato podmínka také omezuje možný rozsah regulace budícího proudu a tím i napětí generátoru s paralelním buzením. Obvykle je možné snížit napětí generátoru zvýšením odporu obvodu budícího vinutí pouze do (0,64-0,7) Unom.

Rýže. 3. Schéma generátoru s paralelním buzením (a) a vnější charakteristiky generátorů s nezávislým a paralelním buzením (b)

Je třeba poznamenat, že pro samobuzení generátoru je nutné, aby proces zvyšování jeho e. d.s. E a budící proud Iv nastaly, když stroj běžel naprázdno. Jinak v důsledku malé hodnoty Eost a velkého vnitřního úbytku napětí v obvodu vinutí kotvy může napětí přivedené na budicí vinutí klesnout téměř na nulu a budicí proud se nemůže zvýšit. Proto by měla být zátěž připojena ke generátoru až poté, co se na jeho svorkách ustálí napětí blízké jmenovitému napětí.

Při změně směru otáčení kotvy se mění polarita kartáčů a tím i směr proudu v budícím vinutí, v tomto případě je generátor demagnetizován.

Aby se tomu zabránilo, je nutné při změně směru otáčení přepnout vodiče spojující budicí vinutí s vinutím kotvy.

Vnější charakteristika generátoru(křivka 1 na obr. 3, b) představuje závislost napětí U na zatěžovacím proudu In při konstantních hodnotách otáček n a odporu budícího obvodu RB. Je umístěn pod vnější charakteristikou generátoru s nezávislým buzením (křivka 2).

To je vysvětleno skutečností, že kromě stejných dvou důvodů, které způsobují pokles napětí s rostoucí zátěží u generátoru s nezávislým buzením (úbytek napětí v obvodu kotvy a demagnetizační účinek reakce kotvy), existuje ještě třetí důvod v uvažovaném generátoru - pokles budícího proudu.

Protože budicí proud IB \u003d U / Rv, to znamená, že závisí na napětí U stroje, pak se snížením napětí z uvedených dvou důvodů magnetický tok Ф a e klesá. d.s. generátor E, což vede k dodatečnému poklesu napětí. Maximální proud Ikr odpovídající bodu a se nazývá kritický.

Při zkratu vinutí kotvy je proud Ik generátoru s paralelním buzením malý (bod b), jelikož v tomto režimu jsou budicí napětí a proud nulové. Proto vzniká zkratový proud pouze např. d.s. od zbytkového magnetismu a je (0,4 ... 0,8) Inom .. Vnější charakteristika podle bodu a je rozdělena na dvě části: horní - pracovní a spodní - nepracovní.

Obvykle se nepoužívá celá pracovní část, ale pouze některá její část. Práce na úseku ab vnější charakteristiky jsou nestabilní, v tomto případě stroj přejde do režimu odpovídajícímu bodu b, tedy do režimu zkratu.

Volnoběžná charakteristika generátoru s paralelním buzením se bere s nezávislým buzením (když proud v kotvě Ia = 0), takže se neliší od odpovídající charakteristiky pro generátor s nezávislým buzením (viz obr. 2, a). Řídicí charakteristika generátoru s paralelním buzením má stejný tvar jako charakteristika pro generátor s nezávislým buzením (viz obr. 2, c).

Alternátory s paralelním buzením se používají k napájení elektrických spotřebičů v osobních automobilech, automobilech a letadlech, jako řídicí generátory na elektrických lokomotivách, dieselových lokomotivách a motorových vozech a k nabíjení baterií.

Sériový generátor buzení

U tohoto generátoru (obr. 4, a) se budicí proud Ib rovná zatěžovacímu proudu Il \u003d Il a při změně zatěžovacího proudu se výrazně mění napětí. Při volnoběhu se v generátoru indukuje malé e. d.s. Eres vzniklé tokem zbytkového magnetismu (obr. 4, b).

Se zvýšením zatěžovacího proudu Ii \u003d Ib \u003d Ii se magnetický tok zvyšuje, např. d.s. a napětí generátoru, toto zvýšení, stejně jako u jiných samobuzených strojů (generátor s paralelním buzením), pokračuje do určité hranice, v důsledku magnetického nasycení stroje.

Se zvýšením zatěžovacího proudu nad Icr se napětí generátoru začne snižovat, protože excitační magnetický tok se téměř přestane zvyšovat v důsledku nasycení a demagnetizační účinek reakce kotvy a pokles napětí v obvodu vinutí kotvy IаΣRа se stále zvyšují. . Obvykle je proud Ikr mnohem vyšší než jmenovitý proud. Generátor může pracovat stabilně pouze na části ab vnější charakteristiky, tedy při zatěžovacích proudech větších než je jmenovitý.

Protože u generátorů se sériovým buzením se napětí velmi mění se změnou zátěže a při volnoběhu se blíží nule, nejsou vhodné pro napájení většiny elektrických spotřebičů. Používají se pouze pro elektrické (reostatické) brzdění motorů se sekvenčním buzením, které jsou následně převedeny do generátorového režimu.

Rýže. 4. Schéma generátoru se sekvenčním buzením (a) a jeho vnější charakteristikou (b)

Generátor smíšeného buzení.

U tohoto generátoru (obr. 5, a) je nejčastěji paralelní budicí vinutí hlavní a sériové vinutí je pomocné. Obě vinutí jsou na stejných pólech a jsou spojena tak, že jimi vytvořené magnetické toky se sčítají (při konsonantním zapnutí) nebo odečítají (při zapnutí v opačném směru).

Generátor se smíšeným buzením, se shodným zahrnutím jeho budicích vinutí, umožňuje získat přibližně konstantní napětí při změně zátěže. Vnější charakteristiku generátoru (obr. 5, b) lze v první aproximaci znázornit jako součet charakteristik vytvořených každým budícím vinutím.

Rýže. 5. Schéma generátoru se smíšeným buzením (a) a jeho vnější charakteristika (b)

Při sepnutí pouze jednoho paralelního vinutí, kterým prochází budicí proud Iv1, napětí generátoru U postupně klesá s rostoucím zatěžovacím proudem In (křivka 1). Při zapnutí jednoho sériového vinutí, kterým prochází budicí proud Iv2 = Il, roste napětí U s rostoucím proudem In (křivka 2).

Zvolíme-li počet závitů sériového vinutí tak, aby při jmenovité zátěži jím vytvořené napětí ΔU LAT kompenzovalo celkový úbytek napětí ΔU při provozu stroje pouze s jedním paralelním vinutím, pak můžeme dosáhnout toho, že napětí U zůstává téměř nezměněn, když se proud zátěže změní z nuly na jmenovitou hodnotu (křivka 3). V praxi se pohybuje v rozmezí 2–3 %.

Zvýšením počtu závitů sériového vinutí je možné získat charakteristiku, ve které bude napětí U HOM ​​​​větší než napětí Uo naprázdno (křivka 4), tato charakteristika poskytuje kompenzaci poklesu napětí nejen ve vnitřním odporu obvodu kotvy generátoru, ale také ve vedení spojujícím jej se zátěží. Pokud je sériové vinutí zapnuto tak, že jím vytvářený magnetický tok směřuje proti proudu paralelního vinutí (opačné zapojení), pak bude vnější charakteristika generátoru s velkým počtem závitů sériového vinutí strmě klesat (křivka 5).

Čítačové zapojení sériových a paralelních budicích vinutí se používá u svařovacích generátorů pracujících v podmínkách častých zkratů. U takových generátorů v případě zkratu sériové vinutí téměř úplně demagnetizuje stroj a snižuje zkratový proud. na hodnotu, která je pro generátor bezpečná.

Jako budiče trakčních generátorů se na některých dieselových lokomotivách používají generátory s budicími vinutími typu back-to-back, které zajišťují stálost výkonu generátoru.

Takové budiče se používají i na stejnosměrných elektrických lokomotivách. Napájí budicí vinutí trakčních motorů, které při rekuperačním brzdění pracují v generátorovém režimu, a zajišťují strmý pád vnější charakteristiky.

Generátor smíšeného buzení je typický příklad regulace rušení.

DC generátory jsou často zapojeny paralelně, aby běžely společná síť. Nutná podmínka paralelní provoz generátorů s rozložením zátěže úměrně jmenovitému výkonu je identitou jejich vnějších charakteristik. V případě použití generátorů se smíšeným buzením musí být jejich sériová vinutí pro vyrovnávací proudy spojena do společné jednotky pomocí vyrovnávacího vodiče.