Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ)

Институт Авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра Материаловедения, сварки и производственной безопасности

РЕФЕРАТ

на тему «Коллекторные генераторы»

Выполнил: студент Капри Е.Н.

Проверил: Новосельский В.Г.

Содержание

Основные понятия

Генератор независимого возбуждения

Генератор параллельного возбуждения

Генератор смешанного возбуждения

Основные понятия

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Е_а [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением ЭДС для цепи якоря генератора,

(28.1)

Здесь

(28.2)

-- сумма сопротивлений всех участков цепи якоря (обмотки якоря r_а, обмотки добавочных полюсов r_д, компенсационной обмотки r_{к. о}, последовательной обмотки возбуждения r_с и переходного щеточного контакта r_щ.

При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М₁. Если генератор работает в режиме х.х. (I_а = 0), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода М_о.

Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока

При неизменной частоте вращения (n = const) вращающий момент приводного двигателя М₁ уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х.х. М_о и электромагнитным моментом M, т. е.

М₁ = М₀ + М. (28.3)

Выражение (28.3) -- уравнение моментов для генератора при n = const. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря щ, получим уравнение мощностей:

Р₁ = Р₀ + Р_эм , (28.4)

генератор якорь ток двигатель коллекторный

где Р₁ = М₁щ-- подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (механическая);

Р₀ = М₀щ-- мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); Р_эм -- Мщ -- электромагнитная мощность генератора. Согласно (25.27), получим Р_эм = E_aI_a , или с учетом (28.1)

Р_эм = UI_а + I²_а Уr=Р₂ + Р_эа, (28.5)

где Р₂ -- полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; Р_эа -- мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря (см. § 29.9). Учитывая потери на возбуждение генератора Р_э.в, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:

P₁ = P₂+P₀ + P_эа+P_э.в. (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем Р₁ преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность Р₂, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь (Р_о + Р_эа + Р_в).

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии п= const. Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.

Характеристика холостого хода -- зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U_o от тока возбуждения I_в: U₀ = f(I_в) при I = 0 и п = const.

Нагрузочная характеристика -- зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения I_в:

U=f(I_в) при I?0 и n=const.

Внешняя характеристика -- зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:

U = f(I) при r_pг=const и n = const.

Регулировочная характеристика -- зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора:

+I_в=f(I) при U = const и n = const.

Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 28.2, а. Реостат r_рг, включенный в цепь возбуждения, дает возможность регулировать ток I_в в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем.

Рис. 28.2. Принципиальная схема (а) и характеристика холостого хода (б) генератора независимого возбуждения

Характеристика холостого хода. При снятии характеристики U₀=f(I_в) генератор работает в режиме х.х. (I_а = 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения I_в от нулевого значения до + I_в = Оа, при котором напряжение х.х. U₀=1,15U_ном. Получают данные для построения кривой 1 (рис. 28.2, б).

Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до --I_В = Оb. Полученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики.

В первом квадранте кривая 2 располагается выше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагничивания.

Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от --I_В = Оb до I_в = 0, а затем увеличивают его до значения +I_в = Оа. В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х.

Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагничивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, получим расчетную характеристику х.х.

Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость U₀=f(I_в) повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины (см. § 26.1) и дает возможность судить о магнитных свойствах машины.

Нагрузочная характеристика генератора. Эта характеристика выражает зависимость напряжения U на выходах генератора от тока возбуждения I_в при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС [см. (28.1)], поэтому нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характеристики 2 (рис. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению U_ном, отложить вверх отрезок ab, равный IаУr, и провести горизонтально отрезок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим abc -- треугольник реактивный (характеристический).

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбуждения I_в1 = I_{в. ном} напряжение на выводах U₀=de; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генератора снизится до значения U_ном = ae. Таким образом, отрезок da выражает значение напряжения ДU=U₀--U_ном при I_в1=I_{в. ном.}

Напряжение на выводах генератора в этом случае уменьшалось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря [см. (28.1)] и размагничивающего влияния реакции якоря. Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения I_аr, можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: E_а=U+I_аr.

На рис. 28.3 эта ЭДС представлена отрезком be. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (be<de), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря.

Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме х.х. для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения I_в2<I_в1. Следовательно, отрезок fe, равный разности токов возбуждения I_в1--I_в2, представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря.

Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке: падение напряжения в цепи якоря определяет катет

аb = I_аУr; (28.7)

ток возбуждения I_в1--I_в2, компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря, определяет катет

bc=I_в1-I_в2=(2F_qd+F_ad)/(2щ_в.к) , (28.8)

где F_qd и F_ad -- величины, определяющие размагничивающее действие реакции якоря по поперечной и продольной осям (см. § 26.3); w_{в. к} -- число витков в полюсной катушке обмотки возбуждения.

Реактивный треугольник а'b'с' построен для другого значения тока возбуждения (I_в3). Сторона а'b' треугольника осталась неизменной (a'b'=ab), что объясняется неизменностью тока нагрузки, но сторона уменьшилась (b'c'<bc), так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнитной цепи генератора, а следовательно, и размагничивающее действие реакции якоря.

Внешняя характеристика генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I. При снятии данных для построения внешней характеристики генератор приводят во вращение с номинальной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. (I=0), снимают показания прибора. Сопротивление цепи возбуждения r_в и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными.

На рис. 28.4, а представлена внешняя характеристика генератора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора понижается; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

(28.9)

Рис. 28.4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора независимого возбуждения

Обычно для генератора независимого возбуждения ДU_ном=5ч10%.

Регулировочная характеристика генератора. Характеристика I_в = f(I) показывает, как следует менять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной (n=const).

При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения устанавливают ток I_{в. о}, при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному.

Так получают восходящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепенно уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответствующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б).

Нисходящая ветвь регулировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви.

Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характеристикой генератора.

Основной недостаток генераторов независимого возбуждения -- это необходимость в постороннем источнике энергии постоянного тока -- возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.

Генератор параллельного возбуждения

Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Ф_ост (порядка 2ч3% от полного потока).

При вращении якоря поток Ф_ост индуцирует в якорной обмотке ЭДС E_ост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток I_{в. ост}. Если МДС обмотки возбуждения I_{в. ост}щ_в имеет такое же направление, как и поток, то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е. I_вr_в=U₀.

Рис. 28.5. Принципиальная схема (а) и характеристика х. х. (б) генератора параллельного возбуждения

На рис. 28.5, а показана схема включения генератора параллельного возбуждения, на рис. 28.5, б -- характеристика х.х. генератора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока возбуждения I_вr_в=f(I_в) (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней U₀=I_вr_в.

Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс определяется из треугольника ОАВ:

(28.10)

где m_i -- масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм; т_и -- масштаб напряжения (по оси ординат), В/мм.

Из (28.10) следует, что угол наклона прямой I_вr_в=f(I_в) к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбуждения.

Рис. 28.6. Характеристика самовозбуждения

Рис. 28.7. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения

Однако при некотором значении сопротивления реостата r_рг сопротивление r_в достигает значения, при котором зависимость I_вr_в = = f(I_в) становится касательной к прямолинейной части характеристики х.х. (прямая 3). В этих условиях генератор не самовозбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при которой прекращается самовозбуждение генератора, называют критическим сопротивлением (r_в.крит).

Следует отметить, что самовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей критическую n_кр. Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора (рис. 28.6), представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме х.х. от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т. е. U₀=f(n) при r_в = const.

Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий: a) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом; б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы МДС этой обмотки совпадала по направлению с потоком остаточного магнетизма Ф_ост; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического; г) частота вращения якоря должна быть больше критической.

Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то и характеристика х.х. этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 28.7) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причина -- уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки r_н ток увеличивается лишь до критического значения I_кр, а затем при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток начинает уменьшаться. Наконец, ток нагрузки при коротком замыкании I_к<I_кр. Дело в том, что с увеличением тока усиливается размагничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуждения) и машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 28.5, б).

Так как ток определяется напряжением на выводах генератора U и сопротивлением нагрузки r_н, т. е. I=U/r_н, то при токах нагрузки I<I_кр, когда напряжение генератора уменьшается медленнее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост тока нагрузки. После того как I=I_кр, дальнейшее уменьшение r_н сопровождается уменьшением тока нагрузки, так как в этом случае напряжение U убывает быстрее, чем уменьшается сопротивление нагрузки r_н.

Таким образом, ч. з., вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном к. з. магнитная система генератора не успевает размагнититься и ток I_к достигает опасных для машины значений I_к= (8-12)I_ном (кривая 2).

При таком резком возрастании тока нагрузки на валу генератора возникает значительный тормозящий момент [см. (25.26)], а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Поэтому необходимо защищать генератор от перегрузки и к. з. посредством плавких предохранителей или же применением релейной защиты

Генераторы параллельного возбуждения широко применяют в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя выгодно отличает эти генераторы от генераторов независимого возбуждения. Номинальное изменение напряжения генератора параллельного возбуждения [см. (28.9)] составляет 10--30%.

Генератор смешанного возбуждения

Генератор смешанного возбуждения (рис. 28.8, а) имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается согласно с параллельной (чтобы МДС обмоток складывались), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора

Генератор смешанного возбуждения (рис. 28.8, а) имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой.

В режиме х.х. генератор имеет только параллельное возбуждение, так как 1 = 0. С появлением нагрузки возникает МДС последовательной обмотки возбуждения, которая подмагничивает машину и при этом полностью компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря.

Внешняя характеристика в этом случае становится наиболее жесткой (рис. 28.8, б, кривая 2), т. е. напряжение на зажимах генератора при увеличении тока остается почти неизменным. Если же требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя (в конце линии) во всем диапазоне нагрузок оставалось практически неизменным, то число витков последовательной обмотки увеличивают так, чтобы МДС этой обмотки компенсировала еще и падение напряжения в приводах линии. Внешняя характеристика при этом получает вид кривой 1.

При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 3), что объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена против МДС параллельной обмотки. Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Генераторы смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения применяют для питания силовой нагрузки во всех случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии, даже при резких изменениях тока нагрузки.

Размещено на Allbest.ru