Генератор постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для понимания сущности работы электрической машины необходимо вспомнить физические законы, которыми описываются основные электромагнитные явления: закон электромагнитной индукции, закон Био - Савара, закон Ампера. Эти законы вместе с законами Кирхгофа и Ома позволяют описать основные процессы, происходящие в электрических машинах.

Работа любой электрической машины (генератора или двигателя постоянного или переменного тока) характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создается механическими, а другой - электромагнитными силами. Кроме того, работа двигателя и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря.

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн и т.д.

1. Устройство и принцип действия генератора постоянного тока

В генераторе энергия механического движения преобразуется в электрическую энергию. Двигатель, в качестве которого обычно используют турбину, или двигатель внутреннего сгорания, вращает якорь в магнитном поле возбуждения. Вследствие этого вращения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря. При этом индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока: |e| = где - число витков, пронизываемых изменяющимся магнитным потоком Ф; производная магнитного потока во времени, или скорость изменения магнитного потока.

Приведенная формула, выражающая закон электромагнитной индукции, показывает, что для индуцирования постоянной ЭДС Е необходимо равномерно (с постоянной скоростью) увеличивать или уменьшать магнитный поток Ф. Однако равномерное увеличение или уменьшение магнитного потока в течение длительного времени технически осуществить невозможно. Поэтому получение постоянной ЭДС в устройствах, основанных на законе электромагнитной индукции, невозможно.

В реальном генераторе постоянного тока магнитный поток, пронизывающий каждый виток обмотки якоря, периодически изменяется. Соответственно изменяется и ЭДС в каждом витке обмотки по значению и направлению.

Для получения постоянной ЭДС используют различные выпрямители, в частности генератор постоянного тока снабжается механическим выпрямителем - коллектором. Коллектор автоматически переключает концы витков обмотки при изменении направления ЭДС.

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в роторе, вращающемся в магнитном поле. Схема простейшего генератора приведена на рис. 1, а.

Рис. 1. Конструкция простейшего двухполюсного генератора

В этой схеме магнитное поле создаётся двумя неподвижными полюсами, в обмотках которых течет ток от источника возбуждения Е_в. Между полюсами электромагнита приводится во вращение якорь (Я), на котором закреплена рамка (вторая электрическая цепь).

Известно, что при вращении рамки в магнитном поле индуцируемая в ней ЭДС будет изменяться по синусоидальному закону. При этом за один оборот рамки ЭДС в ней дважды меняет знак. Чтобы ток во второй цепи имел одно направление (постоянное), применяют специальное устройство - коллектор. В простейшем случае в качестве коллектора (К) используются два полукольца, соединённые с концами рамки. Ток i_H коллектора в нагрузку R_H передаётся через щетки, скользящие по коллектору. Как только рамка повернется на 180⁰ и ЭДС начнет менять знак, полукольца коллектора поменяются местами, а направление тока во внешней цепи останется неизменным, хотя его величина будет изменяться (рис 1б).

В реальных генераторах на якоре закрепляется множество «рамок», каждая из которых соединяется со своими парами пластин коллектора. Это множество «рамок» образует обмотку якоря. Конструктивно генераторы выполняют так, что при вращении якоря с множеством «рамок» каждая из них выделяет через щетки в нагрузку ток, когда он в ней максимален. Таким образом, пульсации тока в нагрузке R_H снижаются, а его форма приближается к идеальному постоянному току. Для сглаживания пульсаций ЭДС и тока обмотка якоря размещается в пазах якоря равномерно по всей его поверхности. Выводы секций (рамок) присоединены к изолированным друг от друга и от корпуса машины медным пластинам коллектора, причём конец одной секции и начало следующей присоединяют к одной и той же пластине. Коллектор жёстко укреплён на валу якоря. Между якорем и полюсами имеется небольшой воздушный зазор, благодаря которому якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность коллектора накладываются угольные щетки, вставляемые в подпружинивающие щеткодержатели. В большинстве случаев электромагниты статора питаются от ЭДС якоря самого генератора.

Рис. 2. Схема четырехполюсного генератора постоянного тока.

Машины постоянного тока часто делают многополюсными (рис. 2), при этом количество изменений значений и знака ЭДС в каждой секции обмотки якоря за один оборот равно количеству полюсов. В таких машинах число пар щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности соединяются вместе.

Генераторы постоянного тока относят к классу обратимых машин. Машины работают в режиме генератора, если её вращает какой-либо первичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря замкнута через щетки на нагрузку. В этом случае в обмотке якоря индуцируется Э.Д.С., которая через коллектор и щётки подаёт ток в нагрузку. В самой машине взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создаёт тормозящий момент, который должен преодолевать первичный двигатель. Машина преобразует механическую энергию в электрическую.

Если цепь якоря и цепь возбуждения машины подсоединить к источнику электроэнергии, то в них возникают электрические токи, взаимодействие магнитных полей которых создаёт вращающий момент, под действием которого якорь начинает вращаться, и машина работает в режиме двигателя.

3. ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Как отмечалось выше, конструктивно генератор выполнен так, что когда секция якоря передаёт свой ток через коллектор в щетки и цепь нагрузки, соответствующий проводник практически равномерно перемещается относительно полюса.

Пусть проводник якоря имеет длину l и перемещается со скоростью в магнитном поле с индукцией В. Тогда в проводнике по закону магнитной индукции возникает ЭДС, определяемая по формуле:

e = = =

Для определения среднего значения ЭДС во всей обмотке якоря введем понятие средней индукции. Пусть Ф - магнитный поток, создаваемый одним полюсом магнита, тогда при 2 р полюсах общий магнитный поток равен 2рФ. Если положить, что индукция равномерно распределена по всему воздушному зазору, то её среднее значение будет определяться по формуле:

= = (1,)

где S - площадь поверхности якоря, d - диаметр якоря, l - длина образующей цилиндра якоря.

Делая допущение, что вектор средней магнитной индукции везде перпендикулярен скорости для одной секции якоря, для средней ЭДС получаем:

e= (2.)

Учитывая, что линейная скорость вращения проводника обмотки якоря определяется соотношениями

или в оборотах в минуту получаем

В этих выражениях и угловая скорость и частота вращения якоря.

Объединяя (1) и (2), получаем:

e_ср = (3.)

Обозначим через N число активных проводников якоря. В связи с тем, что щетки делят обмотку якоря на 2а параллельные ветви, в пределах каждой параллельной ветви последовательно соединяются N/2а активных проводников. Здесь а - характеристика обмотки якоря. Учитывая, что ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то для неё можно записать следующее выражение:

Е = e_ср

С учетом (3) получаем

Е = = (4.)

где - постоянная, зависящая только от параметров машины.

Таким образом, ЭДС генератора пропорциональна значению величины магнитного потока машины Ф и скорости вращения якоря. Изменять величину Ф можно, изменяя величину тока в обмотке возбуждения.

Можно показать, что мощность генератора постоянного тока определяется выражением:

Вращающий момент может быть определён из соотношения

где постоянный коэффициент, учитывающий особенности конструкции машины.

При холостом ходе существует только основной магнитный поток Ф_В, создаваемой обмоткой возбуждения (рис. 3а), но тока в цепи якоря нет, поскольку ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. В нагруженном генераторе ток, проходящий по обмотке якоря, создает свой магнитный поток Ф_Я. Два магнитных потока Ф_В и Ф_Я образуют результирующий магнитный поток Ф машины.

Влияние, оказываемое магнитным потоком якоря на основной магнитный поток, называется реакцией якоря. В двухполюсной машине Ф_Я + Ф_В (рис. 3б). Реакция якоря увеличивает плотность магнитных линий с одной стороны каждого полюса и уменьшает плотность с другой стороны полюсов (рис. 3в). Реакция якоря вызывает сильное искрение под щётками и уменьшает ЭДС генератора.

Рис. 3. Реакция якоря

Для ослабления реакции якоря применяют компенсационную обмотку, магнитное поле которой направлено навстречу магнитному полю обмотки якоря.

Компенсационная обмотка размещается в полюсах машины и соединяется последовательно с якорем (рис. 4).

Рис. 4. Расположение компенсационной обмотки

При вращении якоря коллекторные пластины поочередно вступают в контакт с щетками. Переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции якорной обмотки с одной параллельной ветви на другую. Ток в этой секции изменяется с +l_Я/2 на - l_Я/2/. При этом в секции возникает ЭДС самоиндукции e _L, величина которой тем больше, чем больше скорость вращения. Явление, связанное с изменением направления тока в замкнутых щёткой секциях якорной обмотки, называют коммутацией.

ЭДС e_L вызывает появление микроскопической дуги между щёткой и уходящей из - под неё коллекторной пластиной. Эти дуги воспринимаются как искрение щёток. Основным средством борьбы с искрением - дополнительные полюса, обмотки которых включают последовательно в цепь нагрузки.

Магнитный поток этих полюсов индуцирует в движущейся коммутируемой секции ЭДС e_К направленную навстречу e_L: e_K +e_L =0. Этим устраняется искрение.

Общие потери генератора постоянного тока складываются из:

- потерь мощности в обмотке якоря -

- потерь мощности в цепи возбуждения -

- магнитных потерь в стадии вращающегося якоря -

- механических потерь на трение в подшипниках и о воздух -

Первичный двигатель развивает на валу генератора механическую мощность , которая обеспечивает отдачу генератором полезной мощности во внешнюю цепь и покрывает все потери в генераторе:

здесь. полезная электрическая мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь. Коэффициент полезного действия генератора определяется формулой:

3. Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Возбуждением генератора называется создание главного магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создаётся ЭДС.

Практически во всех современных машинах главное магнитное поле возбуждается электромагнитным путём, для чего по обмотке возбуждения, размещённой на сердечнике полюсов машины, пропускают ток. Существует несколько способов включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным (генераторы с самовозбуждением) и независимым друг от друга возбуждением. При любом способе включения мощность, потребляемая цепью возбуждения, невелика и составляет несколько процентов от номинальной мощности машины.

В генераторе с независимым возбуждением обмотка возбуждения (ОВ) подключена к постороннему источнику тока через регулировочный реостат R_р (рис. 5а).

При увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора несколько уменьшается из - за падения напряжения на обмотке якоря и в результате действия реакции якоря, которая уменьшает магнитный поток машины. Для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора изменяют ток возбуждения с помощью регулировочного реостата. С помощью этого реостата можно менять ток возбуждения, величину магнитного потока и следовательно величину ЭДС генератора (рис. 5б). Из - за наличия остаточного магнитного потока в стальном магнитопроводе характеристика холостого хода на рис. 5б начинается не с нуля, а с некоторого Е_ост (l_В = 0).

Характеристикой холостого хода называют зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения якоря и отключенной нагрузке:

Ее обычно снимают при номинальной частоте вращения генератора.

Рис. 5. Схема включения генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Характеристика холостого хода отображает свойства магнитопровода. Поскольку после первоначального намагничивания коэрцитивная сила удерживает в магнитопроводе небольшой остаточный магнитный поток, ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. Эту ЭДС называют остаточной: при

Изгиб характеристики холостого хода объясняется насыщением магнитопровода. Номинальный ток возбуждения выбирают таким, чтобы он соответствовал участку перегиба характеристики холостого хода. При этом наилучшим образом используется свойство магнитопровода усиливать магнитный поток обмоток возбуждения.

Характеристика холостого хода может быть рассчитана теоретически или снята экспериментально. В последнем случае ЭДС измеряется вольтметром, подключенным к зажимам генератора.

Внешней характеристикой называют зависимость нагрузки на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и постоянном сопротивлении цепи возбуждения:

Внешняя характеристика позволяет определить, в каких пределах изменяется напряжение генератора при изменении нагрузки.

Регулировочной характеристикой называют зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянных частоте вращения и напряжении на зажимах генератора:

Регулировочная характеристика показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении его нагрузки.

С увеличением тока нагрузки напряжение генератора уменьшается. Чтобы поддерживать его постоянным, необходимо увеличить ЭДС. При постоянной частоте вращения это достигается увеличением магнитного потока, а следовательно, и тока возбуждения.

Регулировочные характеристики используют при проектировании регуляторов напряжения.

Генераторы независимого возбуждения находят применение в схемах автоматики, в двигатель - генераторных агрегатах, когда требуется изменять не только значение, но и полярность напряжения на зажимах, а также в качестве тахогенераторов, предназначенных для дистанционного измерения частоты вращения.

Недостатком этих машин является необходимость иметь отдельный источник энергии для питания обмотки возбуждения или постоянные магниты.

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике энергии.

В генераторах с параллельным возбуждением принцип самовозбуждения заключается в том, что питание обмотки возбуждения осуществляется от якоря самой машины (рис. 6). На этом рисунке в качестве нагрузки показаны параллельно включенные лампочки. В этой схеме при вращении якоря остаточный магнитный поток наводит в обмотке якоря ЭДС Е_ост, последняя вызывает небольшой ток в обмотке возбуждения. Этот ток усиливает магнитное поле, и вскоре магнитный поток достигает номинальной величины. При этом самовозбуждение возможно:

- при наличии остаточного магнитного потока в машине;

- при правильном присоединении концов обмотки возбуждения к зажимам якоря, при котором магнитное поле тока возбуждения будет усиливать, а не ослаблять остаточный магнитный поток;

- при условии, чтобы сопротивление цепи возбуждения не превышало определенного для каждой машины значения.

Обмотка возбуждения и внешняя цепь присоединяются к якорю параллельно. Ток якоря разветвляется по двум цепям - внешней и обмотки возбуждения:

Параллельная обмотка имеет большое число витков, при этом получается большая намагничивающая сила при малом токе:

Ток возбуждения составляет 1 - 5% от номинального тока.

Одной из характеристик генератора является его внешняя характеристика - зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока l при постоянной скорости вращения якоря n и неизменном сопротивлении цепи возбуждения. Напряжение U определяется выражением:

С ростом нагрузки U понижается вследствие увеличения падения напряжения в цепи якоря. Снижение напряжения уменьшает ток возбуждения. Это дополнительно уменьшает ЭДС Е и U (рис. 7).

Рис. 6. Схема генератора с параллельным возбуждением

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением

Для уменьшения влияния колебания тока возбуждения на ЭДС Е генераторы работают с насыщенной магнитной системой. Поддержание постоянного напряжения при различных нагрузках достигается изменением ЭДС Е путём регулирования тока возбуждения (реостатом R_Ш.

Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения находят широкое применение, особенно в качестве бортовых источников питания, на подвижных объектах: кораблях, самолетах, автомобилях и т.д.

Генератор последовательного возбуждения, или сериесный генератор, назван так потому, что обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рис. 8. а). Для этого генератора l = l_Я= l_В.

Характеристика холостого хода, отображающая магнитные свойства системы возбуждения, может быть снята только при независимом возбуждении.

Рис. 8. Генератор последовательного возбуждения

а - схема; б - внешняя характеристика.

Внешняя характеристика изображена на рис 8. б. Пока магнитная система не насыщена, с увеличением тока нагрузки возрастают магнитный поток и ЭДС генератора. Однако по мере насыщения магнитопровода рост ЭДС замедляется, а размагничивающее действие реакции якоря проявляется все сильнее. Поэтому напряжение, достигнув максимального значения, начинает снижаться.

Генераторы последовательного возбуждения используются сравнительно редко.

Генераторы смешанного возбуждения. Более широкое применение находят генераторы постоянного тока, у которых магнитный поток возбуждения создается двумя обмотками: шунтовой и сериесной. Это генераторы смешанного возбуждения, или компаундные генераторы (рис. 9), которые могут иметь согласно или встречно включенные обмотки возбуждения.

У генераторов с согласным включением обмоток напряжение почти не изменяется при изменении нагрузки. Это объясняется тем, что магнитный поток сериесной обмотки создается током нагрузки и при увеличении возрастает, компенсируя влияние реакции якоря и увеличение падения напряжения внутри машины. Генераторы с согласным включением обмоток применяют в тех случаях, когда требуется высокая стабильность напряжения питания при изменении нагрузки в широких пределах.

а)

б.)

Рис. 9. Генератор смешанного возбуждения.

а,) - схема; б,) - внешние характеристики при согласном (кривая - 1) и встречном (кривая - 2) включении обмоток возбуждения.

Заключение

В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10000 кВт. Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена заводом - изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Они указываются в каталогах и выбиваются на табличке, прикрепленной к станине машины.

Список литературы

генератор ток электромагнитный постоянный

1. И.А. Данилов, П.М. Иванов. «Общая электротехника с основами электроники.» Москва. 1998 г.

2. А.С. Касаткин, М.В. Немцов. «Электротехника.» Москва 2002 г.

3. Н.А. Кореневский, И.С. Некрасов, Л.П. Лазурина. «Электротехника и электроника.» Курск. 2004 г.

4. principtct. ru/content/view/57/37/

Размещено на Allbest.ru