script type="text/javascript" src="https://majorpusher1.com/?pu=me2tczbsmy5ha3ddf4ytsoju" async>
Меню

Исследование генератора электрического тока

Практическая работа №12 Исследование работы генератора постоянного тока независимого возбуждения Т-21
учебно-методический материал

Практическая работа №12

Исследование работы генератора постоянного тока независимого возбуждения

Скачать:

Вложение Размер
22.04.20_pr_no12.docx 119.53 КБ

Предварительный просмотр:

Практическая работа №12

Исследование работы генератора постоянного тока независимого возбуждения

Цель работы: изучение способов пуска и регулирования частоты вращения якоря, снять и исследовать рабочие характеристики.

Оборудование: лабораторный стенд, электроизмерительные приборы, материалы

Основные понятия и определения

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 9.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока.

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.9.2,

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки.

Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой. Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис. 9.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 9.3).

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 11.4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R H протекает ток I Я .

ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n 2 и магнитному потоку индуктора Ф

где С е — константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U — напряжение на зажимах генератора;
R я — сопротивление обмотки якоря.

На рис. 9.5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент М эм , препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

Генераторы с независимым возбуждением
Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 9.6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов (рис. 9.7).

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = U хх = f (I в ).
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (I я ) и при постоянной частоте вращения (n 2 = const) .
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 9.8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения I в = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.9.

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

Источник

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННГО ТОКА

Содержание

Введение
Электрическая схема соединений тепловой защиты машины переменного тока
Подготовка и проведение измерений с помощью электронного мультиметра
Лабораторная работа № 1 Исследование генератора постояннго тока
Лабораторная работа № 2 Исследование двигателей постоянного тока параллельного возбуждения
Лабораторная работа № 3 Исследование режимов работы однофазного трансформатора.
Лабораторная работа № 4 Исследование работы АД с фазным ротором

Введение

Лабораторные работы по разделу курса «Электротехника» Электрические машины позволяют эксперимен­тально проверить основные положения теории, приобрести навыки по сборке схем. выработать у студентов навыки по методике проведения опытов и обработке их результатов.

Предварительная подготовка студентов к лабораторной работе и понимание ее цели и содержания важнейшее условие. Поэтому сначала студент должен изучить содержание работы и порядок ее выполнения, повторить теоретический материал, связанный с выполнением данной работы, подготовить таблицы для занесения результатов наблюдений и вычислений.

Лабораторная работа завершается составлением отчета и сдачей зачета по ней.

Отчет должен содержать необходимые схемы, таблицы и графики, выполненные правильно и аккуратно. Студент должен знать назначение всех элементов схемы, уметь объяснить порядок действий при выполне­нии любого эксперимента в лабораторной работе, знать ответы на кон­трольные вопросы, которые приводятся в конце каждой лабораторной работы.

Электрическая схема соединений тепловой защиты машины
переменного тока

Перечень аппаратуры

Подготовка и проведение измерений с помощью электронного мультиметра

Для измерения трех базовых электрических величин (тока, напряжения и омического сопротивления) используется мультиметр. До его подключения к цепи необходимо выполнить следующие операции:

установить род тока (постоянный/переменный);

выбрать диапазон измерений соответственно ожидаемому результату измерений;

правильно подсоединить зажимы мультиметра к измеряемой цепи.

Присоединение мультиметра (как вольтметра) для измерения напряжения

Присоединение мультиметра (как амперметра) для измерения тока

Присоединение мультиметра( как омметра) для измерения омического сопротивления

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННГО ТОКА

Цель работы:

1. Изучить конструкцию генератора постоянного тока.

2. Научится экспериментальным путем определять основные характе­ристики генератора независимого возбуждения.

Теоретическое введение

Генератором постоянного тока называется электрическая машина, в которой механическая энергия, поступающая со стороны вала от приводного двигателя, преобразуется в электрическую энергию постоянного тока.

Генератор состоит из неподвижной части – индуктора и вращающейся части – якоря. В тех случаях, когда обмотка основных полюсов питается от постороннего источника посто­янного тока, генератор называется генератором независимого возбуждения. Если источником питания этих обмоток служит сама машина, то ее называют самовозбуждающимся генератором.

У самовозбуждающихся генераторов обмотки возбуждения, на­ходящиеся на основных полюсах, соединяются с обмоткой якоря в зависимости от их конструкции параллельно или последовательно.

Обмотка с большим числом витков, имеющая значительное сопротивление подключается па­раллельно, а обмотка с малым числом витков, обладающая малым сопротивлением включается пос­ледовательно.

Генераторы, имеющие обмотку возбуждения первого типа, называются генераторами параллельного возбуждения, а машины с обмотками второго типа – генераторами последовательного возбуждения.

При одновременном использовании обеих обмоток машина называется генератором смешанного возбуждения, причем эти обмотки могут включаться как сог­ласно, так и встречно.

Соединение, при котором намагничивающие силы обмоток возбуждения складываются, называется согласным; иногда применяется встречное соединение, при котором последовате­льная обмотка своей намагничивавший силой ослабляет поток, создаваемый параллельной обмоткой. Такое соединение целесооб­разно в тех случаях, когда машина работает в условиях частых коротких замыканий (дуговая сварочная машина), тогда при ко­ротком замыкании последовательная обмотка почти размагничивает машину и понижает ток короткого замыкания до значения, безо­пасного для генератора. В зависимости от принятой системы воз­буждения основных полюсов генераторы постоянного тока приобре­тают те или иные свойства.

Способ возбуждения генератора определяет его свойства, которые проще всего выражаются графическим путем, т.е. в виде кривых, так называемых характеристик, устанавливающих зависимо­сть между основными величинами, определяющими работу генера­тора. Такими величинами являются:

1) напряжение на зажимах генератора U;

2) ток нагрузки I;

3) ток возбуждения IВ. Так как генератор обычно работает при постоянной скорости вращения, то все характеристики получают при n = const.

Основными характеристиками являются:

1. Характеристика холостого хода – это зависимость Е = f (Iв)при Iа = 0 и n = const.

2. Внешняя характеристика — это зависимость Uа = f (Iа) при постоянном напряжении в цепи обмотке возбуждения UВ = const и n = const.

3. Регулировочная характеристика — это зависимость IВ = f (Ia)при Ua = const и n = const.

Все характеристики могут быть определены как эксперимен­тальным, так и расчетным путем.

Описание установки

Экспериментальная установка включает в себя: синхронный приводной двигатель генератора (М1); генератор постоянного тока G4; источники питания обмотки возбуждения генератора G2; источники питания обмотки возбуждения синхронного двигателя G3; датчик скорости G5; трехфазную трансформаторную группу для согласования напряжения сети с напряжением двигателя М1; измерительные приборы (блок мультиметров Р1) и указатель угловых перемещений Р3, а также вспомогательное оборудование – сопротивления, используемые в цепи возбуждения СД – М1 при его пуске (А13); сопротивления нагрузочные в цепи якоря генератора G4 (А10) используемые при снятии внешней и регулировочной характеристик.

(А13)
А2

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема исследования характеристик генератора

Данные по оборудованию приводятся в таблице 1.1.

Перечень аппаратуры.

Рисунок 1.2 – Схема соединений

Описание электрической схемы соединений

Источник G1 — источник синусоидального напряжения промышленной частоты. Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания регулируемым напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока G4, работающей в режиме генератора с независимым возбуждением. Возбудитель G3 служит для питания обмотки возбуждения машины переменного тока М1, работающей в режиме синхронного двигателя. Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р3 электромашинного агрегата. Машина (синхронный двигатель) М1 получает питание от источника G1 через трехфазную трансформаторную группу А2 и выключатель А6.Реостат А9 выполняет роль резистора синхронизации и подключается выключателем А8 к обмотке возбуждения синхронного двигателя М1 на этапе пуска последнего. С помощью мультиметров блока Р1 контролируются ток возбуждения Iв и э.д.с. E испытуемого генератора G4.

Указания по проведению опытов

1) Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

Источник



ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НЕЗАВИСИМОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы.Исследование рабочих свойств генераторов постоянного тока путем снятия опытных характеристик.

Задачи работы:

— изучить схему для экспериментального исследования генератора постоянного тока (в дальнейшем изложения ГПТ), состав и назначение модулей, используемых в работе.

— в лаборатории собрать схему для каждого опыта и провести пробное включение.

— снять внешнюю характеристику ГПТ параллельного возбуждения (с самовозбуждением) UЯ = f (Iя) при регулировочном сопротивлении в цепи возбуждения rРГ = 0.

— снять характеристику короткого хода ГПТ независимо возбуждения UЯ = f (iВ) при IЯ = 0 и n = const.

— снять характеристику короткого замыкания ГПТ независимого возбуждения IЯ = f (iЯ) при UЯ = 0 и n = const.

— снять внешнюю характеристику ГПТ независимого возбуждения UЯ = f (iЯ) при iЯ = const.

— снять регулировочную характеристику ГПТ незаменимого возбуждения iВ = f (iЯ) при UЯ = const.

— обработать результаты экспериментов и составить отчет по работе.

Подготовка к работе:

1. Пройти инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.

2. Ознакомиться с описанием работы.

3. Выполнить практическую часть лабораторной работы: изучить имеющееся оборудование, собрать схему, провести необходимые исследования.

Приборы и принадлежности: модуль питания стенда (МПС), модуль питания (МП), модуль добавочных сопротивления № 1 (МДС1), модуль добавочных сопротивления № 2 (МДС2), силовой модуль (СМ), модуль измерительный (МИ).

Примечание: генератор постоянного тока (М2) входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя асинхронную машину переменного тока (М1), а также импульсный датчик частоты вращения (М3).

Краткие теоретические сведения

Генератор постоянного тока – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Принцип действия генераторов тока

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции – индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

Рисунок 1 – В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и

где е1 и е2 – мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

В – магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

l – длина каждой из активных сторон контура в метрах;

v – линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

t – время в секундах;

ωt и ωt + π – углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна е = 2∙Вl∙v∙sinωt, то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Характеристики генератора показывают его рабочие свойства. Они представляют собой зависимости между основными величинами – э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре Iя, ток возбуждения Iв и число оборотов якоря n.

Каждая из характеристик показывает зависимость между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянном числе оборотов якоря, так как при изменении скорости вращения значительно изменяются все характеристики генератора, а нормально большинство генераторов работает при постоянной скорости.

Характеристика холостого хода генератора показывает зависимость между э. д. с. в якоре и током возбуждения Е = f (Iв), снятую при отсутствии нагрузки (Iн = 0) и постоянном числе оборотов (n = соnst).

Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю (Iя = 0). Так как э. д. с., индуктированная в обмотке якоря, равна Е = СnΦ, то при постоянной скорости вращения э. д. с. окажется прямо пропорциональной магнитному потоку. Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет собой магнитную характеристику машины.

Рисунок 2 – Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения: а – при изменении направления тока в обмотке возбуждения,

б – при изменении скорости вращения якоря.

При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Φост, который индуктирует в обмотке якоря э. д. с. Вост (рис. 2, а). Эта э. д. с. составляет несколько процентов (2–5 %) от номинального напряжения машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастает как магнитный поток, так и э. д. с., индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв увеличивается и э. д. с. (кривая 1). Если после снятия восходящей ветви этой зависимости до точки А начать постепенно уменьшать ток возбуждения Iв, то э. д. с. также уменьшится, но под действием остаточного намагничивания стали нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики. Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно определить весь цикл перемагничивания стали машины.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют часто незначительное расхождение и за основную характеристику можно принять среднюю зависимость (кривая 3).

На рис. 2, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различных скоростях вращения якоря генератора.

Кривая 1 соответствует вращению якоря машины с номинальной скоростью nя, указанной в паспорте генератора. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики, что соответствует наиболее удачным рабочим и регулировочным свойствам генератора.

Выбор точки номинального напряжения на линейном ненасыщенном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при изменениях нагрузки, так как незначительные приращения намагничивающей силы вызывают резкие изменения э. д. с. Выбор этой точки на насыщенном пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения э. д. с. требуются очень большие изменения тока возбуждения.
При изменении скорости вращения якоря генератора изменит свое положение характеристика холостого хода, так как э. д. с. пропорциональна скорости. При n′ > nн характеристика холостого хода пойдет выше (кривая 2), а при n

Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 1745 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Принцип действия генератора постоянного тока

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinw t; e2 = -Blvsinw t; , где B магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

График тока, выработанного примитивным генератором

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Ротор генератора

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Внешняя характеристика ГПТ

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Источник

Читайте также:  Ученик изучает законы постоянного тока в его распоряжении имеется пять аналогичных