Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока

Характеристики генератора постоянного тока

Основными величинами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются: вырабатываемая мощность Р, напряжение на выводахU, ток возбужденияI_в,ток якоряI_яили ток нагрузкиI, частота вращенияn.

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов, являются:

характеристика холостого хода — зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения:E =f(I_в) приI= 0 иn=n_ном=const;

внешняя характеристика — зависимость напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения:U=f(I) приR_в =constиn=const;

регулировочная характеристика— зависимость тока возбужденияI_вот тока нагрузкиI:I_в =f(I) при условии поддержания постоянного напряжения на выводах генератора (U=const) иn=n_ном=const.

Свойства и характеристики генератора постоянного тока зависят главным образом от схемы включения обмотки главных полюсов. По этому признаку генераторы делятся на генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (рис. 3, а,б,в,гсоответственно). Последние три типа генераторов относятся к генераторам с самовозбуждением.

Рассмотрим процесс самовозбуждения при отключенной нагрузке генератора.

Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф_ост (примерно 2-3 % от номинального). При вращении якоря в поле остаточного магнитного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый токI_вв обмотке возбуждения, а следовательно, возникает некоторая магнитодвижущая сила возбуждения. По отношению к магнитному потокуФ_остона может быть направлена согласно или встречно. При согласном направлении происходит увеличение остаточного магнитного потока, вследствие чего ЭДС в якоре возрастает, и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи. Если магнитодвижущая сила и магнитный поток будут направлены встречно, то самовозбуждения не будет происходить. Тогда для изменения направления токаI_в в обмотке возбуждения следует переключить концы, подсоединяющие ее к якорю.

Однако процесс самовозбуждения генератора может развиваться, что происходит при определенных условиях. Этими условиями являются:

1) наличие остаточного магнитного потока;

2) совпадение направления остаточного магнитного поля и поля, создаваемого обмоткой возбуждения;

3) значение сопротивления цепи возбуждения меньше критического, т.е. когда ток возбуждения способен достигнуть значения, обеспечивающего на характеристике холостого хода заданное значение ЭДС.

Изучение характеристик одного и того же генератора при различных схемах включения его обмоток возбуждения показало, что у генераторов независимого возбуждения можно в широких пределах регулировать напряжение. Поэтому они нашли более широкое практическое применение.

Генераторами независимого возбуждения называют генераторы постоянного тока, обмотка возбуждения которых питается током от постороннего источника электрической энергии.

Далее более подробно рассмотрим основные характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Характеристика холостого хода (рис. 4) снимается при плавном увеличении тока возбуждения, а затем при плавном его уменьшении при n=n_ном=сonst. Вторая ветвь характеристики идет несколько выше первой, и при токеI_в = 0 в машине есть некоторая ЭДСЕ₀, называемая остаточной.

Вид характеристики холостого хода объясняется тем, что приn=const,Е=с₁nФпропорциональна магнитному потокуФ, а последний — индукцииВ, а ток пропорционален напряженности магнитного поля Н, т.е. ее форма такая же, как у кривой гистерезиса. За расчетную принимают характеристику, проходящую между ветвями экспериментальной кривой (штриховая кривая на рис. 4). Остаточная ЭДСЕ₀ создается за счет индукции, остающейся в магнитной цепи статора после отключения тока возбуждения. Машина рассчитывается таким образом, чтобы в номинальном режиме рабочая точка (I_в,ном,Е_ном) находилась на «колене» характеристики холостого хода (рис. 4), этим обеспечивается получение достаточной ЭДС при относительно небольшом токе возбуждения.

Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением

U=f(I) приI_в=constиn=n_ном%=const(рис. 5,а) характеризует влияние тока нагрузки генератора на напряжение на его выводах. НапряжениеU=E‑IR_япри увеличении нагрузки от нуля до номинальной плавно уменьшается на 5-15 % по двум причинам: из-за падения напряжения на сопротивлении якоряIR_я и уменьшении ЭДСЕиз-за размагничивающего влияния реакции якоря. При перегрузке машины ток в якоре становится недопустимо большим и напряжение сильно падает. При коротком замыкании ток в якореI_япримерно в 10 раз больше номинального и, если генератор быстро не отключить, то его коллектор и обмотка выйдут из строя.

Регулировочная характеристика I_в=f(I) приU =constиn =n_ном=constизображена на рис. 5,б. Начинают снимать ее с холостого хода, когдаI = 0 и I_в =I_в,0.

Эта характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянным напряжение между выводами генератора. Для поддержания постоянства напряжения на выводах якоря в цепь возбуждения включен регулировочный реостат.

а)б)

23. Генераторы постоянного тока: основные характеристики, эксплуатационные свойства

По способу возбуждения:. Различают генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

I) Генераторы независимого возбуждения: обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря Я (рис. 2.6, а); К ним так же относятся магнитоэлектрические машины: магнитное поле возбуждения создается постоянными магнитами (рис. 2.6, д)

II) В генераторах с самовозбуждением, обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на:

• Генераторы параллельного возбуждения (шунтовые): обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно (рис. 2.6,
• Генераторы последовательного возбуждения (серийные): обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рис. 2.6, в);
• Генераторы смешанного возбуждения (компаундные). В них две обмотки возбуждения: одна из них ОВ1 (шунтовая), включена параллельно, а другая ОВ2(серийная) – последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.6, г).

Все указанные машины относятся к машинам с электромагнитным возбуждением, так как магнитное поле в них создается посредством электрического тока обмотки возбуждения. Рис. 2.6. Способы возбуждения электрических машин постоянного тока.Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1. Напряжение на зажимахU, 2. Ток возбужденияiв, 3. Ток якоряIа или ток нагрузкиI, 4. Скорость вращенияn.Обычно генераторы работают приn=const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются приn=nн=const.Существуют пять основных характеристик генераторов: 1. ХХ, 2. КЗ, 3. Внешняя, 4. Регулировочная, 5. Нагрузочная.Характеристики ГПТ 1. характеристика холостого хода-это зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения, при отключенной нагрузке. Для генератора последовательного возбуждения ХХХ нет т.к.Iвозб-это ток якоряIяк=Iвозб и при ХХ он равен нулю Условно данная характеристика может быть разбита на 3 участка: 1: Магнитная система не насыщена и напряжение меняется линейно относительно тока возбуждения 2. происходит насыщение элементов магнитной системы характеристика имеет нелинейную зависимость. 3. машина сильно насыщена. Напряжение изменяется линейно, но характеристика расположена под другим углом относительно Iвозб. Это связано с изменением магнитного сопротивления системы. 2. характеристика КЗ. Это зависимость Iа отIвозб., при замкнутых накоротко выводах генератора. 3. Внешняя характеристика генераторам – это зависимостьUна выходе отIнагрузки приIвозб=constи скорости вращения якоря=const.1-для независимого возбуждения; 2-для параллельного возбуждения;3-для последовательного возбуждения; 4-для смешанного возбуждения; 1) Уменьшение Uс увеличениемIа объясняется размагничивающим действием основного магнитного поля под действием реакции якоря. 2) Падение Uобъясняется, кроме 1 и 2, еще тем что уменьшаетсяIвозб за счет уменьшенияU.U=E-Iа*Ra;E=const3) УвеличениеUобъясняется тем, что с ростомIа будет увеличиваться магнитный поток. Затем происходит насыщение магнитной системы и начинают сказываться выше перечисленные факторы 1,2,3. 4) Характеристика у генератора смешанного возбуждения является суммой 2 и 3 характеристик. 4. Регулировочные характеристики ГПТ Рх показывает как нужно изменять ток возбуждения при изменении Iа, чтобыUвых было постоянным по величине. 1-генератор независимого возбуждения 2-генератор параллельного возбуждения 3-генератор смешанного возбуждения

4.13. Характеристики генераторов постоянного тока

Для определения свойств генераторов обычно рассматривают следующие характеристики.

Нагрузочные характеристики – зависимости напряжения на выводах генератора от тока возбуждения при постоянном токе нагрузкии частоте вращения. Нагрузочная характеристика называется характеристика при нулевой нагрузке называется характеристикой холостого хода;

Внешние характеристики – зависимости напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращенияи сопротивлении цепи возбуждения. Основное значение имеют две внешние характеристики: 1) номинальное напряжение при номинальном токе нагрузки; 2) номинальное напряжениепри холостом ходе;

Регулировочные характеристики – зависимости при заданном характере изменения напряжения на зажимах U и . Обычно . При – характеристика короткого замыкания.

Характеристики генератора с независимым возбуждением.

Характеристика холостого хода, рисунок 4.20, – при и .Снятие характеристики начинают со значения , при котором напряжение .После этого уменьшают ток возбуждения до , а затем изменяют его направление на обратное и снова увеличивают его до начального значения. Это дает нисходящую ветвь характеристики холостого хода. Чтобы получить восходящую ветвь характеристики, достаточно повернуть нисходящую ветвь на 180° вокруг начала координат. На практике пользуются кривой, проведенной посредине между восходящей и нисходящей ветвями и проходящей через начало координат (пунктирная линия на рисунке 4.20).

Рис. 4.20. Характеристика холостого хода (слева) и короткого замыкания (справа) генератора независимого возбуждения.

При холостом ходе и постоянной частоте вращения генератора:

, поэтому характеристика холостого хода соответствует в другом масштабе кривой намагничивания машины:

.

По характеристике холостого хода можно судить о свойствах магнитной цепи машины. По ней можно судить о величине потока остаточного магнетизма , который объясняется явлением гистерезиса и свидетельствует о свойствах стали полюсов и ярма.

Характеристика короткого замыкания, рисунок, – , при и . Зажимы якоря замыкают накоротко через амперметр и при токе возбуждения вращают якорь с номинальной частотой вращения. В якоре индуцируется небольшая ЭДС от потока остаточного намагничивания, а в короткозамкнутой цепи якоря появляется ток. Увеличивая ток возбуждения, можно довести значение токадо(или).

Обычно характеристика короткого замыкания прямолинейна, так как при коротком замыкании машина не насыщена, следовательно, .Пренебрегая переменным сопротивлением контакта щеток, можно считать, что , тогда .

При заданных значениях частоты вращения и тока возбуждениярежим короткого замыкания генератора определяется двумя факторами:

1) падением напряжения в цепи якоря ;

2) реакцией якоря.

Треугольник короткого замыкания, см. рисунок 4.21, учитывает в графической форме оба эти фактора.

Рис. 4.21. Треугольник короткого замыкания.

При коротком замыкании , поэтому , где– ЭДС, индуцируемая в генераторе при коротком замыкании и номинальном токе. Для создания ЭДСтребуется ток возбуждения, который определяется по характеристике холостого хода при.На рисунке катет треугольника, равный , учитываетпадение напряжения в машине.

Чтобы определить реакцию якоря, нужно воспользоваться характеристикой короткого замыкания, построенной в той же координатной системе. Для тока якоря определяют ток возбуждения . Если бы в машине не было реакции якоря, то ток возбуждения был равен . Следовательно представляет собой вторую сторону треугольника короткого замыкания, учитывающую реакцию якоря в масштабе тока возбуждения. Соединив точки на характеристиках которкого замыкания и холостого хода, получим треугольник короткого замыкания.

Рабочие характеристики генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика – при и . Для снятия внешней характеристики следует привести генератор во вращение с номинальной частотой вращения и установить такой ток возбуждения , чтобы прииметь номинальное напряжение на зажимах генератора , см. кривую1 на рисунке. Затем постепенно разгружают генератор до холостого хода. Напряжение на зажимах генератора растет и при достигает значения . Внешнюю характеристику также снимают, начиная с точки номинального напряженияв режиме холостого хода, см. кривую2 на рисунке 4.22.

Рис. 4.22. Внешняя (слева) и регулировочная (справа) характеристики генератора независимого возбуждения.

Регулировочная характеристика, рисунок, – прии. Показывает как следует изменять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменении нагрузки генератора его напряжение оставалось постоянным при постоянной частоте вращения.

Нагрузочные характеристики, рисунок, – прии. Напряжение на зажимах генератора всегда меньше ЭДС вследствие падения напряжения в якоре и реакции якоря. Придействие этих двух факторов почти постоянно, поэтому нагрузочная характеристика расположена почти параллельно характеристике холостого хода. Нагрузочные можно построить по характеристике холостого и треугольнику короткого замыкания путем перемещения треугольника короткого замыкания по характеристике холостого хода. Это возможно благодаря постоянному току нагрузки.

Рис. 4.23. Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока.

Характеристики генератора параллельного возбуждения. Генератор параллельного возбуждения работает с самовозбуждением. Для самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе оставался небольшой (2 – 5 % номинального) поток остаточного намагничивания , образованный при его предыдущем возбуждении. Если, замкнув цепь возбуждения, привести генератор во вращение с некоторой (номинальной) частотой вращения, то на его зажимах появится небольшое напряжение и в цепи возбуждения возникнет ток, который вновь образует добавочный поток намагничивания. Генератор может самовозбудиться только при согласном направлении обоих потокови. В этом случае результирующий поток возбуждения увеличивается. Это приводит к увеличению индуцируемой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение тока и потока возбуждения.

Процесс самовозбуждения (при холостом ходе ) происходит до определенного предела, определяемого сопротивлением цепи возбуждения.

Уравнение ЭДС цепи возбуждения:

или, где– переменное напряжение на зажимах генератора и цепи возбуждения;– сопротивление цепи возбуждения;– индуктивность цепи возбуждения.

При падение напряженияпредставляет собой прямую под угломк оси абсцисс:

.

Процесс самовозбуждения завершится, когда ЭДС генератора уравновесит падение напряжения на обмотке возбуждения и якоря:

. На рисунке 4.24 этому положению соответствует точкаА пересечения характеристик холостого хода 1 и прямая падения напряжения на сопротивлении обмотки возбуждения 2. Точке А соответствует некоторое напряжение на зажимах ненератора и ток возбуждения. При увеличении сопротивления в цепи возбуждения равенство ЭДС и падения напряжения будет возникать при меньшем токе возбуждения, чему соответствует точка А’ пересечения характеристики холостого хода 1 и прямой 2′. Существует некоторое критическое значение сопротивления цепи возбуждения, соответствующая касательной к начальному участку характеристики холостого хода (пунктирная прямая), при котором самовозбуждение не возникает, т.к. точка пересечения характеристик близка к началу кооринат. Критичекое сопротивление:

.

Рис. 4.24. Графическое обоснование самовозбуждения генератора: 1 – характеристика холостого хода; 2 и 2′ – прямые падения напряжения в цепи возбуждения.

При изменении частоты вращения генератора характеристика холостого хода изменяется пропорционально, см. рисунок справа. Точка пересечения характеристик, соответствющая установившемуся режиму после завершения самовозбуждения при этом также изменяется. Например, при уменьшении частоты вращения точка пересечения характеристик В переходит в B‘.

Характеристика холостого хода – при и . Характеристика холостого хода, снятая при самовозбуждении, практически совпадает с соответствующей характеристикой при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика, рисунок 4.25, – при и .

Рис. 4.25. Внешние характеристики генератора независимого и параллельного возбуждения.

При работе с самовозбуждением падение напряжения с увеличением нагрузки происходит быстрее, поскольку при увеличении нагрузки генератора параллельного возбуждения, кроме реакции якоря и падения напряжения в якоре, еще имеет место уменьшение тока возбуждения , которое влечет за собой уменьшение потока и соответствующее уменьшение ЭДС и напряжения на зажимах генератора.

Генератор последовательного возбуждения. Поскольку в генераторе последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем, то . Поэтому характеристику холостого хода генератора и его нагрузочные характеристики можно снять только по схеме с независимым возбуждением. При независимом возбуждении снимается также характеристика короткого замыкания. По ней можно построить треугольник короткого. Имея характеристику холостого хода и треугольник короткого замыкания, можно построить внешнюю характеристику (при ).

Генератор смешанного возбуждения. Генератор смешанного возбуждения имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения и совмещает в себе свойства генераторов обоих типов. Обычно обе обмотки включаются согласно: параллельная обмотка создает номинальное напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения при его холостом ходе, а последовательная компенсирует МДС реакции якоря и падение напряжения в якоре при определенной нагрузке. Этим достигается автоматическое регулирование напряжения генератора в определенных пределах нагрузки.

Рис. 4.26. Внешние (слева) и регулировочные (справа) характеристики генератора смешанного возбуждения.

При холостом ходе ток нагрузки, а следовательно, и ток последовательной обмотки равны нулю. Поэтому характеристика холостого хода генератора смешанного возбуждения не отличается от соответствующей характеристики генератора параллельного возбуждения.

Нагрузочные характеристики, рисунок 4.26, генератора смешанного возбуждения имеют тот же вид, что и соответствующие характеристики генератора параллельного возбуждения или генератора независимого возбуждения, но они могут расположиться выше характеристики холостого хода, поскольку в генераторе смешанного возбуждения напряжение U при нагрузке может быть больше (при перекомпенсации), чем при холостом ходе.

Внешнаяя характеристика, рисунок 4.26, представляет собой зависимость напряжения от тока нагрузки при . В нормально компенсированном генераторе последовательная обмотка компенсирует реакцию якоря и падение напряжения в якоре при номинальном токе . Если последовательная обмотка компенсирует реакцию якоря, обеспечивая постоянство напряжения у потребителя, генератор называетсяперекомпенсированным. Генераторы смешанного возбуждения применяют в случаях для поддержания постояного напряжения U при резко переменной нагрузке.

Характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением

В генераторе с независимым возбуждением ток возбуждения не зависит от тока якоря , который равен току нагрузки . Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1…3 % от номинального тока якоря.

Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Характеристика холостого хода при и . Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. составляет 2…4 % от .

Внешней характеристикой называется зависимость при и . Под нагрузкой напряжение генератора

где – сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки). С увеличением нагрузки напряжение уменьшается по двум причинам:

· из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении машины;

· из-за уменьшения ЭДС в результате размагничивающего действия реакции якоря.

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. 11.6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов (рис. 11.7).

Рис. 11.6 Рис. 11.7

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 (n₂ = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 11.8.
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. 11.9.

Рис. 11.8 Рис. 11.9

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