Генераторы постоянного тока.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 10Следующая ⇒

Генераторы постоянного тока преобразуют механическую энергию, подводимую к валу машины в электрическую энергию постоянного тока.

Рисунок 6 – Схемы возбуждения генераторов: а – независимое;
б – параллельное; в – последовательное; г – смешанное возбуждение.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения могут возбуждаться от постороннего источника постоянного тока или от постоянных магнитов. Генераторы с постоянными магнитами относятся к магнитоэлектрическим генераторам, а генераторы с возбуждением от источника постоянного тока называются генераторами с электромагнитным возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения делятся на генераторы параллельного (шунтового), последовательного (сериесного) и смешанного (компаундного) возбуждения (рисунок 6).

Обмотки независимого и параллельного возбуждения ОВ (рисунок 6, а и б) выполняются из тонких проводов и имеют большое число витков, а обмотка последовательного возбуждения ОВП (рисунок 6, в) имеет несколько витков, но в ней проходит ток якоря и она выполняется из витков большого сечения. Для регулирования тока возбуждения в цепи обмоток независимого и параллельного возбуждения включается регулировочный резистор R (рисунок 6, а, б, г).

Характеристики холостого хода генераторов постоянного тока всех систем возбуждения снимают при постоянной частоте вращения и независимом возбуждении, когда обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, позволяющему изменять ток от нуля до . Характеристика холостого хода машины постоянного тока представлена на рисунке 6.1, а. Характеристику холостого хода начинают снимать от точки 1. Когда равен нулю, на якоре есть остаточное напряжение . Затем снимают восходящую ветвь 1, 2, далее – нисходящую ветвь 2, 3 и снова уменьшают и снимают ветвь 3, 4, 5. В точке 4 ток возбуждения, так же как и в точке 2, реверсируется. Ветвь, показанная на рисунке 7 а штриховой линией, называется основной характеристикой холостого хода. Особенностью характеристики холостого хода машины постоянного тока так же, как и синхронной машины, является наличие остаточной ЭДС и относительно широкой петли гистерезиса.

Рисунок 7 Характеристики холостого хода а и внешняя характеристика б.

Внешняя характеристика генератора при и показывает зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки. На рисунке 7 б дана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения. При (холостой ход) – на выводах генератора ЭДС холостого хода . С ростом нагрузки напряжение падает сначала по линейному закону, в основном за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины, а затем в области нагрузок, близких к номинальной, по нелинейному закону – за счет большего размагничивающего действия поперечной реакции якоря.

При нагрузках, равных примерно половине номинальной, реакция якоря влияет слабо на поле машины и внешняя характеристика линейна. При больших нагрузках поперечная реакция якоря ослабляет поле машины, и напряжение изменяется как за счет реакции якоря, так и за счет падения на внутреннем сопротивлении. На рисунке 6.1, б отрезок характеризует падение напряжения за счет внутреннего сопротивления (линейная зависимость от ), а отрезок – за счет реакции якоря (нелинейная зависимость от ). Падение напряжения определяет жёсткость внешней характеристики. Чем меньше выраженное в процентах номинального напряжения, тем выше жесткость внешней характеристики.

Внешняя характеристика генератора параллельного (кривая 2 рисунок 8 а) возбуждения идет ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1), так как напряжение на обметке возбуждение генератора с параллельным возбуждением при росте нагрузки падает, и ток возбуждения уменьшается.

Рисунок 8 Внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением а и при различных схемах
возбуждения б.

Внешние характеристики снимаются при неизменном сопротивлении регулировочного резистора, включенного в цепь обмотки возбуждении. Вид внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением (кривая 2) при перегрузках отличается от внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1). При перегрузках поле генератора с параллельным возбуждением опрокидывается и установившийся ток при коротком замыкании определяется остаточным магнитным потоком. Несмотря на то, что может быть меньше , короткие замыкания генераторов параллельного возбуждений опасны из-за того, что переходный ток короткого замыкания , значителен. При токах , значительно превышающих может возникнуть круговой огонь на коллекторе.

На рисунке 8 б представлены внешние характеристики генераторов постоянного тока при различных схемах возбуждения.

Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения (кривая 3) имеет вначале линейный участок, а при токах, близких к номинальному, наступает насыщение и рост напряжения замедляется. Генераторы последовательного возбуждения применяются редко. В генераторах смешанного возбуждения обмотки последовательного и параллельного возбуждения могут быть включены согласно, когда их МДС совпадают, и встречно, когда МДС последовательной обмотки вычитается из МДС обмотки параллельного возбуждения. При согласном включении обмоток возбуждения напряжение растет с ростом нагрузки (кривая 4). При встречном включении обмоток внешняя характеристика мягкая (кривая 5). Кривые 1 и 2 – внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением соответственно.

Вид внешних характеристик при смешанном возбуждении зависит от соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток. При согласном включении последовательная обмотка может быть рассчитана так, что ее МДС при номинальной нагрузке скомпенсирует падение напряжения за счет реакции якоря и падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины (рисунок 9 а).

Рисунок 9 Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения при а и внешняя характеристика при встречном включении последовательной обмотки возбуждения б.

Встречное включение обмоток параллельного и последовательного возбуждения применяется для получения специальных характеристик. Так называемая экскаваторная характеристика обеспечивает ограничение тока якоря и момента при перегрузках (рисунок 9 б). Такая внешняя характеристика необходима также в сварочных генераторах.

Регулировочные характеристики при и показывают, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы напряжение оставалось постоянным. На рисунок 10 а даны регулировочные характеристики для генераторов с различными системами возбуждения. Для генераторов последовательного возбуждения регулировочная характеристика не снимается.

Характеристики короткого замыкания при и снимают при замкнутой накоротко обмотке якоря (рисунок 10 б). Характеристика короткого замыкания линейная, так как машина не насыщена. Ток короткого замыкания не должен превышать (1,2 - 1,25) . При снятии характеристики короткого замыкания должны быть предусмотрены меры, обеспечивающие разрыв цепи якоря при увеличении тока больше допустимых значений. Остаточное поле определяет ток короткого замыкания при . Чтобы начальное значение тока короткого замыкания не было слишком большим, перед снятием характеристики машину размагничивают. Для этого обмотку возбуждения на небольшое время подключают к переменному напряжению. В машинах с высоким уровнем электромагнитных нагрузок из-за значительного влияния токов в коммутируемых секциях снять эту характеристику не удается.

Рисунок 10 Регулировочные характеристики при различных схемах возбуждения а (1 – независимое; 2 – параллельное; 3 – смешанное при согласном включении обмоток; 4 – смешанное при встречном включении обмоток) и характеристики короткого замыкания генератора б.

Нагрузочная характеристика при и (кривая 2) и характеристика холостою хода (кривая 1), показанные на рисунке 11 позволяют определить катеты прямоугольного треугольника , который называют реактивным треугольником. При снятии нагрузочной характеристики при изменении тока возбуждения ток в якоре поддерживается неизменным путем изменения нагрузочного сопротивления в цепи якоря.

В реактивном треугольнике катет – падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины , а катет характеризует падение напряжения за счет размагничивающего действия продольной составляющей поперечной реакции якоря.

Основными характеристиками генераторов постоянного тока является характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная. Характеристики короткого замыкания и нагрузочная – вспомогательные характеристики.

Рисунок 11 нагрузочная характеристика.

Двигатели постоянного тока.

Двигатели постоянного тока преобразуют электрическую энергию постоянного тока в механическую.

Несмотря на успехи в создании статических полупроводниковых преобразователей и внедрение регулируемых электроприводов переменного тока, производство двигателей постоянного тока увеличивается, и они находят новые области приме нения.

Двигатели постоянного тока благодаря наличию механического преобразователя частоты – коллектора допускают плавное и экономичное регулирование частоты вращения. Это преимущество перед двигателями переменного тока обеспечивает применение двигателей постоянного тока в электроприводах с широким диапазоном изменения частоты вращения. Двигатели постоянного тока находят применение в приводах прокатных станов, станков, на транспорте и в других системах автоматического управления.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (см. рисунок 6). Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбуждением, когда обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику постоянного тока, и на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением, когда вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.

Основными характеристиками двигателей постоянного тока являются рабочие и механические характеристики. Характеристики холостого хода и короткого замыкания снимаются так же, как и в генераторном режиме.

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения представлены на рисунке 12 а. Это – зависимости , , , и при постоянном напряжении сети и неизменном положении реостата в цепи обмотки возбуждения.

С увеличением нагрузки на валу двигателя растет момент на валу двигателя , а частота вращения немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности забираемой из сети, и росту тока якоря . Зависимость КПД от нагрузки имеет такой же вид, как и для других электрических машин.

Рисунок 12 Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения а и механические характеристики двигателей при различных схемах возбуждения б (1 – параллельное; 2 – последовательное; 3 – смешанное при согласном включении обмоток).

Зависимости , , мало изменяются для двигателей с различными схемами возбуждения. Отличаются только характеристики . Характеристика при постоянном напряжении сети и неизменных сопротивлениях регулировочных реостатов называется механической характеристикой двигателя и описывается равнением:

. (30)

На рисунке 12 б представлены механические характеристики двигателей постоянного тока при различных схемах возбуждения.

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения – жесткая. Двигатель последовательного возбуждения имеет удобную для транспортных установок механическую характеристику, когда с уменьшением частоты вращения растет момент. Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения – промежуточная между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.

В двигателях последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря.

В двигателях параллельного возбуждения момент пропорционален потоку, а в двигателях последовательного возбуждения – квадрату тока, поэтому двигатели последовательного возбуждения имеют большой пусковой момент и большую перегрузочную способность.

Двигатели последовательного возбуждения из-за особенностей своей механической характеристики не могут применяться в электроприводах, в которых возможно уменьшение момента сопротивления до нуля, что приведет к уменьшению тока в якоре и снижению потока, и двигатель пойдет в разнос. При этом увеличится частота вращения, и машина может выйти из строя.

Частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать путем изменения напряжения, введения сопротивления в цепь ротора и изменения потока.

Наиболее распространенный способ регулирования частоты вращения – изменение потока возбуждения путем регулирования тока в обмотке возбуждения. Наиболее простой способ регулирования тока возбуждения – варьирование сопротивления регулировочного резистора в контуре возбуждения (см. рисунок 6, а, б).

При изменении тока возбуждения имеют место механические характеристики такие, как это показано на рисунке 13 а. Таким способом можно регулировать частоту вращения в пределах 1:1,5 и 1:2. Глубокое уменьшение потока недопустимо, так как при нагрузке реакция якоря будет «опрокидывать» поле возбуждения, что приведет к неустойчивой работе двигателя. Увеличение потока в обычных двигателях параллельного возбуждения нецелесообразно, так как магнитная система двигателей насыщена. При увеличении массы двигателя и принятии специальных мер можно увеличить пределы регулирования частоты вращения в ненасыщенных двигателях до 1:5, 1:8. Хотя этот способ обеспечивает сравнительно небольшие пределы регулирования частоты вращения, он является экономичным и находит широкое применение, когда пределы изменения частоты вращения небольшие.

Рисунок 13 Регулирование частоты вращения путем изменения потока возбуждения а и сопротивления в цепи якоря б.

Регулирование частоты вращения путем введения позволяет изменять частоту вращения в широких пределах, но этот способ неэкономичен, так как регулировочный резистор включается в силовую цепь и на нем выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока нагрузки.

Механические характеристики при этом способе регулирования показаны на рисунке 13 б. Механические характеристики при различных выходят из одной точки, так как при холостом ходе () практически не влияет на падение напряжения. При регулировании частоты вращения путем изменения тока возбуждения механические характеристики сходятся вблизи точки , где – установившейся ток короткого замыкания. Ток короткого замыкания определяется внутренним сопротивлением двигателя и напряжением, которое равно напряжению сети.

Регулирование частоты вращения путем введения сопротивления в цепь якоря применяется в двигателях последовательного и смешанного возбуждения. В двигателях последовательного возбуждения для регулирования частоты вращения применяется также шунтирование обмотки возбуждения активным сопротивлением. При тех же пределах регулирования частоты вращения последовательное включение в цепь якоря и шунтирование обмотки возбуждения дают одни и те же технико-экономические показатели.

Лучшие механические характеристики и меньшие потери в двигателе постоянного тока достигаются при регулировании частоты вращения за счет подводимого к двигателю напряжения. Но, как и в машинах переменного тока, при этом способе регулирования частоты вращения необходимо иметь громоздкое устройство, обеспечивающее регулирование напряжения.

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров