От чего зависит эдс генератора

6.2.4. Генераторы постоянного тока

Электрическим генератором называется машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую.

В зависимости от вида источника питания обмотки возбуждения различают генераторы с независимым (рис. 19) возбуждением и самовозбуждением. Генераторы с самовозбуждением — это такие генераторы, у которых обмотка возбуждения питается от самого генератора. К ним относятся генераторы с параллельным возбуждением (шунтовые), обмотка которых включается параллельно обмотке якоря; генераторы последовательного возбуждения (сериесные), у которых обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря; генераторы смешанного возбуждения (компаундные), имеющие обмотки возбуждения, включаемые параллельно и последовательно.

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью, номинальным напряжением, номинальным током якоря, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указывают в паспорте машины.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением. На рис. 19 приведена схема генератора с независимым возбуждением. В генераторах с независимым возбуждением обмотка статора питается от постороннего источника постоянного тока: аккумуляторной батареи или генератора постоянного тока. Основными характеристиками генераторов являются: характеристики холостого хода и внешние характеристики.

Характеристика холостого хода (рис.20) представляет графическое выражение зависимости ЭДС генератора от силы тока возбуждения Е = f (I_В) при выключенной внешней цепи I_n = 0 и п = const. При отсутствии тока в обмотках возбуждения I_В=0 ЭДС генератора обусловлена магнитным полем остаточного магнетизма статора, что указано отрезком 0а. Увеличение силы тока в обмотках возбуждения вызывает увеличение магнитного потока статора, что влечет за собой рост ЭДС генератора (участок ab), так как Е= С_ЕпФ

(где C_E₌ − постоянная для каждой машины),а магнитный поток зависит от тока возбуждения Ф = f (I_В).

Дальнейшее увеличение силы тока в обмотках статора приводит к магнитному насыщению сердечников (отрезок bс) и не дает заметного увеличения магнитного потока генератора. Генераторы всегда должны работать в области магнитного насыщения, тогда небольшое колебание силы тока в цепи возбуждения не приводит к резкому изменению ЭДС генератора.

Внешняя характеристика генератора (рис. 21) представляет графическое выражение зависимости напряжения на полюсах генератора от силы тока нагрузки U=f(I_Н) при постоянном токе цепи возбуждения I_В = const и частоте вращения п = const. При увеличении нагрузки, а значит, уменьшении R , сила тока в нагрузке увеличивается, а напряжение на полюсах генератора снижается. Это происходит из-за увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении цепи якоря: U_Н =E − r_Я I_Я

Рис. 19. Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Рис. 20. Характеристика

холостого хода генератора

с независимым возбуждением

Рис. 21. Внешняя характеристика

генератора с независимым

При нагрузках, близких к номинальным, внешняя характеристика имеет вид прямой. При номинальной нагрузке напряжение генератора на 5-10 % меньше напряжения холостого хода.

Генератор с независимым возбуждением применяется тогда, когда необходимо регулирование напряжения от нуля до номинальной величины, а также изменение знака напряжения (в приводах экскаваторов, прокатных станов, системах автоматического регулирования и т. д.).

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. В генераторе с параллельным возбуждением питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора (рис. 22). Ток якоря I_Я равен сумме токов во внешней цепи и в цепи возбуждения:

I_Я = I_Н + I_В

В обмотку возбуждения ответвляется 2-З% тока якоря, поэтому для создания необходимого магнитного потока она имеет большое число витков.

Рис. 22. Схема генератора постоянного тока с параллельным возбуждением

Самовозбуждение генератора возможно при обязательном выполнении трех условий.

1. Наличие хотя бы очень малого магнитного поля. Поток остаточного намагничивания, составляющий 2-5 % магнитного потока машины, сохраняется в магнитной цепи машины. При вращении якоря с номинальной частотой в остаточном магнитном поле в обмотке якоря наводится остаточная небольшая ЭДС.

Под действием этой ЭДС в цепи обмотки возбуждения потечет ток, который увеличивает магнитный поток. Наводимая ЭДС ведет к дальнейшему увеличению тока в обмотке возбуждения, магнитного потока и ЭДС и так далее до полного магнитного насыщения машины. U_Н =E − r_Я I_Я

2. Совпадение направлений возбуждаемого и остаточного магнитных потоков.

3. Сопротивление цепи возбуждения генератора должно быть меньше критического. Угол наклона прямой U = r_В I_Вк оси абсцисс определяется сопротивлением r_В (рис. 23). С увеличением сопротивления точка А перемещается к началу характеристики. При этом напряжение на зажимах генератора неустойчиво и практически не превышает величины Е_ОСТ . Сопротивление цепи возбуждения в этом случае называют критическим. Таким образом, условием должно быть r_В r_КР.

Рис.23. Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением

Рис. 24. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением генератора

Характеристика холостого хода Е=f(I_В) аналогична характеристике холостого хода генератора с независимым возбуждением. Ток возбуждения генератора составляет от 1 до 5 % от номинального тока якоря.

Внешняя характеристика генератора (рис. 24) представляет графическое выражение зависимости напряжения на полюсах генератора от силы тока нагрузки U=f(I_Н) при постоянном сопротивлении цепи возбуждения r_В = const и частоте вращения п = const. В генераторах с параллельным возбуждением сопротивление нагрузки R_Н и обмотки возбуждения r_В соединены параллельно и представляют сопротивление внешней цепи генератора

R =(11)

При увеличении нагрузки (уменьшении сопротивления R_Н ) R уменьшается, а сила тока в якоре I_Я увеличивается: I_Я =(12) так как E u r_Я можно считать постоянными (генератор работает в области магнитного насыщения). Увеличение силы тока в якоре приводит к увеличению падения напряжения на якоре (r_Я I_Я). Из равенства E = RI_Я + r_Я I_Я = U + r_Я I_Я

видно, что первое слагаемое (напряжение на зажимах генератора) уменьшается, что соответствует участку аb (рис. 24).

Дальнейшее увеличение нагрузки ведет к значительному уменьшению напряжения на зажимах генератора, а значит, и к значительному уменьшению тока в обмотке возбуждения I_Я (уменьшению магнитного потока) генератора. Генератор выходит из области магнитного насыщения статора и ЭДС генератора уменьшается (Е= С_E пФ). Если падение напряжения генератора U и уменьшение сопротивления нагрузки происходит в одинаковой степени, то ток в цепи не будет изменяться I_Н=,что соответствует участку bс характеристики. При этом токе, называемом критическим (I_КР), генератор размагничивается и «сбрасывает нагрузку», переходит в режим короткого замыкания. Последующее уменьшение сопротивления нагрузки R_Н ведет к резкому уменьшению напряжения на зажимах генератора, следовательно, и к уменьшению тока в цепи. Это объясняется тем, что генератор выходит из области магнитного насыщения, и изменение ЭДС оказывается на прямолинейном участке характеристики холостого хода. При коротком замыкании, когда R_Н = 0, напряжение на полюсах генератора окажется равным нулю. Магнитный поток в этом случае будет обусловлен только остаточным магнетизмом и в якоре будет ЭДС остаточного магнетизма, которая и создает ток короткого замыкания в нагрузке I_К.З =(13)

Поэтому генераторы с параллельным возбуждением не боятся.короткого замыкания. При коротком замыкании они как бы сами выключаются из аварийного режима.

Генератор постоянного тока со смешанным возбуждением. Такой генератор имеет две обмотки возбуждения: параллельную, которая считается основной, и вспомогательную, включаемую последовательно с нагрузкой (рис. 25). Последовательная обмотка выполняется из толстого провода с малым числом витков, так как по ней протекает ток нагрузки. В режиме холостого хода ток в этой обмотке и магнитный поток равны нулю.

Характеристика холостого хода Е = f(I_В) аналогична характеристике генератора параллельного возбуждения, так как последовательная обмотка в режиме холостого хода не участвует в создании магнитного потока.

Внешняя характеристика. С ростом силы тока нагрузки растет магнитный поток последовательной обмотки возбуждения. Результирующий магнитный поток складывается из суммы магнитных потоков обмоток возбуждения. Обычно обмотки включают таким образом, чтобы магнитные потоки были направлены согласованно.

Число витков последовательной обмотки можно выбрать таким, чтобы падение напряжения, обусловленное обмоткой параллельного возбуждения при работе генератора, было скомпенсировано приращением ЭДС от потока последовательной обмотки. В этом случае напряжение генератора почти не будет изменяться с изменением нагрузки (кривая 1 на рис. 26). При встречном включении обмоток с ростом силы тока нагрузки результирующий магнитный поток резко уменьшается, и машина размагничивается очень быстро. Такое включение обмоток возбуждения применяется только для специальных генераторов (для питания устройства электродуговой сварки, включения дуговых прожекторов). Здесь необходимо постоянство силы тока при колебаниях сопротивления нагрузки.

На щитке генераторов постоянного токаклеммы обмотки последовательного возбуждения обозначаются буквами: С₁ — начало обмотки и С₂ — ее конец; клеммы обмотки параллельного возбуждения обозначаются буквами: Ш₁ — начало обмотки и Ш₂ — ее конец; буквой Я₁ — начало якорной обмотки и Д₂ — конец обмотки дополнительных полюсов (Я₂ и Д₁ соединены вместе внутри машины). Стрелкой указано направление вращения со стороны коллектора и дается схема соединения выводов обмоток при этом вращении.

Рис. 25. Схема генератора постоянного тока со смешанным возбуждением

Рис. 26. Внешние характеристики генератора со смешанным возбуждением:

1 — при согласованном числе витков последовательной и параллельной обмоток;

2-при встречном включении обмоток

7.4. Эдс и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Как уже отмечалось, ЭДС, наведенная в обмотке вращающегося якоря генератора, пропорциональна магнитному потоку полюсов и частоте его вращения:

Магнитный поток в генераторе, как известно, создается током возбуждения I_в. Если вращать якорь c постоянной частотой n и непрерывно измерять выходную ЭДС Е, то можно построить график Е = f (I_в) (рис. 7.4.1).

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Она строится для режима, когда генератор не имеет внешней нагрузки, т.е. работает вхолостую. Если подключить к генератору нагрузку, то напряжение на его зажимах будет меньше E на величину падения напряжения в цепи якоря:

Здесь: U — напряжение на зажимах; Е — ЭДС в режиме х.х.; I_Я — ток якоря; R_Я — сопротивление в цепи якоря. Падение напряжения в цепи якоря обычно не превышает 2-8 % ЭДС генератора. Уменьшение напряжения на выходе генератора связано с размагничиванием машины магнитным полем якоря, а также падением напряжения в его обмотках. В каждой машине постоянного тока имеет место взаимодействие между током якоря I_Я и магнитным потоком Ф. В результате на каждый проводник обмотки якоря действует электромагнитная сила:

где В — магнитная индукция, I_Я — ток в обмотке якоря, L — длина якоря. Направление действия этой силы определяется правилом левой руки. Подставим сюда среднее значение магнитной индукции ВСР и величину тока в каждом проводнике обмотки якоря I = I_Я / 2 а. Получим

Электромагнитный момент, действующий на якорь машины, при числе проводников обмотки N:

где — величина, постоянная для данной машины; d — диаметр якоря; р — число пар полюсов; N — число проводников обмотки якоря; а — число пар параллельных ветвей. При работе машины в режиме генератора электромагнитный момент действует против вращения якоря, т.е. является тормозным. Для привода генератора требуется электродвигатель мощность, которого должна покрыть все потери в генераторе:

где Р — полезная электрическая мощность генератора; ∆Р_Я — потери в обмотке якоря; ∆Р_В — потери в обмотке возбуждения; ∆Р_М — потери на намагничивание машины; ∆Р_МЕХ — механические потери, связанные с трением вращающихся частей.

Коэффициент полезного действия генератора определяется отношением:

У современных генераторов постоянного тока коэффициент полезного действия составляет 90-92 %.

7.5. Двигатель постоянного тока

В соответствии с принципом обратимости машина постоянного тока может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Уравнение ЭДС для двигателя составлено на основании 2-го закона Кирхгофа с учетом направления ЭДС:

Ток в цепи якоря:

В соответствии о формулой Е_а = С_е Ф _n частота вращения определяется выражением:

Подставим значение Е из уравнения U = Е — I_Я R_Я, получим:

т.е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна подведенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Из этой формулы видно, что возможны пути регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока: 1. Изменением напряжения сети U. Регулируя подаваемое напряжение Uсети можно менять частоту вращения. 2. Включением в цепь якоря добавочного сопротивлению (R’_Я = R_Я + R_ДОБ). Изменяя сопротивление R_ДОБ, меняют частоту вращения. 3. Изменением магнитного потока Ф. Машины с постоянными магнитами не регулируются. Машины с электромагнитами позволяют регулировать поток Ф путем изменения тока возбуждения I_B. На рис. 7.5.1. показана схема включения в сеть двигателя постоянного тока.

По закону электромагнитной индукции при прохождении тока по обмотке якоря происходит взаимодействие ее проводников с магнитным полем полюсов. На каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила Р_эм = В_СРLI, пропорциональная магнитной индукции полюсов В, длине проводника L и току I, протекающему по проводнику. Направление действия этой силы определяется правилом правой руки. Не повторяя рассуждений, проведенных для генератора постоянного тока, запишем выражение для вращающего момента:

где C_M — коэффициент пропорциональности. Вращающий момент у двигателей с независимым и параллельным возбуждением с увеличением нагрузки может как расти, так и уменьшаться, поскольку с ростом потребляемого тока I и размагничивания полюсов, уменьшается магнитный поток Ф.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют отличные от вышеприведенных двигателей характеристики. Из схемы, приведенной на рис. 7.2.1 в, видно, что магнитный поток в машине создается обмоткой возбуждения, включенной последовательно с обмоткой якоря. Следовательно, I_B = I_Я и выражение для вращающего момента будет иметь вид:

Последняя формула показывает, что чем больше нагрузка на двигатель, тем большим будет вращающий момент. Это обстоятельство делает двигатель с последовательным возбуждением незаменимым на электротранспорте (трамвае, троллейбусе и т.д.). Реверсирование или изменение направления вращения двигателей постоянного тока может осуществляться изменением полярности тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.

Эдс и вращающий момент генератора постоянного тока

Выясним, как зависит ЭДС генератора постоянного тока от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока. При равномерном перемещении проводника длиной I со скоростью и в магнитном поле с индукцией В (скорость перпендикулярна вектору индукции), в нем по закону электромагнитной индукции возникнет ЭДС е: Рассмотрим движение проводника обмотки якоря в магнитном поле под полюсом. Чтобы определить среднее значение ЭДС в этом проводнике, введем понятие средней индукции. Пусть Ф магнитный поток, создаваемый главным полюсом, тогда при 2р полюсах общий магнитный поток равен 2рФ. Допустим, что индукция равномерно распределена по всему воздушному зазору. Тогда ее среднее значение

где s — площадь поверхности якоря, d — диаметр якоря, I — длина образующей цилиндра якоря. Предполагая, что вектор средней магнитной индукции везде направлен по радиусу якоря, т.е. перпендикулярно скорости, мы получим для средней ЭДС в одном проводнике обмотки якоря (10.3) где U — линейная скорость вращения проводника обмотки якоря.

Учитывая, что скорость вращения проводника обмотки якоря или в об/мин

и nугловая скорость и частота вращения якоря, соответственно) и подставляя в (10.3) значение средней индукции (10.2), получим (104) Обмотка якоря состоит из N активных проводников. Щетки делят эту обмотку на 2а параллельных ветвей. Таким образом, в пределах каждой параллельной ветви последовательно соединяются N/20. активных проводников. Поскольку ЭДС генератора е равна ЭДС параллельной ветви, то для нее можно записать следующее выражение: (10.5)

Подставляя в (10.5) выражение для средней ЭДС (10.4), получим

где с = рМ/6Оа — постоянная, зависящая только от параметров машины.

Таким образом, мы видим, что ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока машины ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС, либо изменяя магнитный поток, либо скорость вращения якоря (либо и то и другое). Обычно якорь генератора приводят во вращение двигателем, работающим при определенной скорости вращения, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения. Вычислим мощность генератора постоянного тока: Р= (10.7) причем работой А следует считать механическую работу, затрачиваемую на преодоление тормозного момента, развиваемого якорем. В формуле (10.7) мощность можно выразить через линейную скорость вращения якоря: , (10.8) где Р — сила, действующая на якорь, а и — линейная скорость точки на поверхности якоря. Как мы уже видели, линейная скорость проводника на поверхности якоря , где п — чистота вращения якоря, и — диаметр якоря. Подставляя выражение для скорости в (10.8) и переходя к оборотам в минуту, получим P= (10.9)

На каждый проводник обмотки якоря с током I действует по закону Ампера сила F = IВcp l а на N проводников обмотки с учетом формулы (10.2) будет действовать сила

(10.10)

Подставляя соотношение (10.10) в (10.9) и учитывая формулу (10.6), получим: P= ( 10.11)

Вращающий момент машины можно записать в виде (10.12)

где — постоянный коэффициент, учитывающий особенности конструкции машины.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Похожие публикации:

Как зарегистрироваться в palpay

Как подключить rgb кулер если нет разъема на материнской плате

Как подключить выключатель шнайдер

Почему не качает помпа