Генератор параллельного возбуждения и его характеристики

Генератор параллельного возбуждения и его характеристики

В генераторе параллельного возбуждения, иногда называемом шунтирующим генератором, обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря.

При вращении якоря генератора магнитный поток остаточного магнетизма индуцирует малую ei обмотку ds, а так как обмотка возбуждения полюсов соединена с якорем, то в ней возникает ничтожный ток, за счет этого, например, ds Возбуждение ток вызывает увеличение магнитного потока к полюсам, что, в свою очередь, приводит к увеличению, например, ds и т.д.

Величина установившегося напряжения холостого хода зависит от величины сопротивления цепи возбуждения, а также степени насыщения магнитной системы машины.

Основные условия самовозбуждения генератора постоянного тока параллельного возбуждения следующие:

а) Наличие полюсов остаточного магнетизма в стали Отсутствие остаточного магнетизма редко наблюдается в машинах постоянного тока. Для восстановления остаточного магнетизма обмотку возбуждения необходимо на короткое время подключить к источнику постоянного тока.

б) Правильная (согласная) связь обмотки возбуждения и обмотки якоря так, чтобы магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, совпадал по направлению с магнитным потоком остаточного магнетизма. Если обмотки возбуждения и якоря включить так, чтобы магнитные потоки полюса и остаточный магнетизм направлены в противоположные стороны, тогда происходит размагничивание полюсов и предотвращается возбуждение машины. Чтобы возбудить машину, нужно изменить направление вращения якоря или поменять местами концы обмотки возбуждения.

в) Снятие регулировочного реостата с цепи намагничивания. Когда реостат в цепи обмотки намагничивания не снят, через обмотку возбуждения протекает очень малый ток, недостаточный для самовозбуждения.

г) Отключите нагрузку от генераторов для параллельного намагничивания. Если нагрузка не отключена, то тока в обмотке возбуждения недостаточно для самовозбуждения.

Когда достигается критический ток, напряжение на машине немедленно падает до нуля, и в обмотке якоря протекает небольшой ток короткого замыкания, например, из-за остаточного магнетизма d.

Напряжение генератора параллельного возбуждения вначале изменяется незначительно, так как пока сталь полюсов еще насыщена, влияние размагничивания машины мало сказывается. По мере увеличения тока нагрузки происходит падение напряжения и дальнейшее размагничивание машины, что приводит к более резкому падению напряжения и при достижении критического тока к быстрому исчезновению («сбросу») напряжения и нагрузки.

Ток короткого замыкания не опасен для шунтового генератора, но критический ток может вызвать круговой пожар на коллекторе.

Генераторы параллельного намагничивания широко применяются в сельскохозяйственной технике (машиногенераторы синхронных генераторов, на автомобилях, тракторах и зарядных устройствах).

ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Если одну линию трехфазного питания работающего асинхронного двигателя отключить так, чтобы питание было однофазным, он будет продолжать работать, хотя его мощность будет снижена примерно до 60% от его номинальной мощности в трехфазном режиме режим. Если к неработающему двигателю подведено однофазное питание, то он не будет работать сам по себе. Приводя ротор во вращение в любом направлении, можно получить вращающий момент, действующий в том же направлении, и если момент нагрузки мал, ротор будет набирать скорость.

Работу двигателя можно объяснить на основе теории двух вращающихся полей, предложенной Г. Феррарисом. Любое однофазное синусоидальное пульсирующее магнитное поле можно представить как сумму двух равных полей, вращающихся в противоположных направлениях.  Т1 и Т2 обозначают кривые проскальзывания момента для двух таких полей; один из моментов положительный, другой отрицательный. Когда скольжение равно нулю (синхронная скорость) для одного поля, оно равно 2,0 для другого.

Поэтому при частоте, синхронной одному из полей, другое поле индуцирует в роторе токи с удвоенной частотой. Однако реактивное сопротивление ротора для двухчастотных токов вдвое больше, чем при отсутствии вращения, поэтому двухчастотные токи малы. Кривая Т дает нулевой результирующий крутящий момент при отсутствии вращения. Однако, если двигатель ускоряется в направлении любого крутящего момента, этот момент быстро становится доминирующим, и двигатель может разогнаться до рабочей скорости.

Применение в качестве генератора.

Если асинхронный двигатель работает на частоте, превышающей синхронную, скольжение становится отрицательным, направление токов, индуцируемых в роторе, меняется на противоположное по сравнению с направлением в двигателе, и машина действует как генератор. Возбуждение обеспечивается исключительно линией переменного тока, при этом ток возбуждения отстает по фазе от тока в двигательном режиме и опережает по фазе от тока в режиме генератора.

Выходное напряжение генератора примерно пропорционально шлифовке ротора. Частота напряжения не зависит от частоты вращения ротора и полностью определяется частотой линии, обеспечивающей возбуждение, так что генератор оправдывает свое название как асинхронный. Генератор не может работать в режиме самовозбуждения и поэтому во время работы ему необходим параллельный синхронный генератор для возбуждения цепи возбуждения.

Как силовая установка асинхронный генератор имеет много недостатков и применяется редко. Он может обеспечивать только опережающий ток, и поэтому синхронный генератор, работающий параллельно с ним, должен не только обеспечивать необходимые для системы отстающие (реактивные) киловольт-амперы, но и обеспечивать возбуждение асинхронного генератора. Воздушный зазор асинхронного генератора мал, и при его конструировании необходимо позаботиться о снижении потерь в зубцах статора и ротора.

Однако асинхронные двигатели, используемые в железнодорожных локомотивах, имеют очень важное преимущество, заключающееся в том, что при движении под уклон они становятся генераторами и возвращают электроэнергию в линию за счет так называемого рекуперативного торможения. В элеваторах и шахтных элеваторах путем перевода двигателей в генераторный режим обеспечивается динамическое торможение, за счет чего плавное торможение оборудования и экономия на механическом износе тормозов.

Многофазные асинхронные двигатели.

Принцип действия многофазных асинхронных двигателей заключается в том, что при определенном сдвиге фаз между многофазными токами в многофазных обмотках они создают вращающееся магнитное поле. Такие многофазные обмотки обычно располагаются в пазах на внутренней поверхности статора, собранного из тонких кольцевых пластин, вытянутых по оси.

В случае трехфазного переменного тока синхронная скорость равна N вращающегося поля

N = (120f) / P (об/мин),

где f — частота переменного тока, а P — количество полюсов.

Устройство генератора переменного тока

Итак, что касается устройства динамо-машины и принципа ее работы.

Чаще всего используются динамо-машины с фиксированным проводником. Это связано с тем, что ток возбуждения по отношению к току, полученному от генератора, мал. Если вы посмотрите на картинку, то увидите два кольца, по которым течет ток на обмотку возбуждения, а это слабое звено любого генератора с обмоткой возбуждения.

То есть мы либо подаем через кольца через щетки небольшой ток возбуждения, либо через кольца снимаем большой рабочий ток. В электричестве неподвижная часть генераторов или двигателей, на которой размещена обмотка, называется статором. Подвижную часть можно назвать ротором или якорем.

Основные виды генераторов переменного тока

Существует множество типов генераторов. Попробуем классифицировать их по основным направлениям.

• По типу используемой энергии:
• Сила ветра

Газовая энергетика

Энергия жидкого топлива Тепловая энергия Энергия воды По типу генератора:

• Простая фаза

Три фазы

Синхронные Асинхронные С числом полюсов обмотки статора

Есть и другие виды, но они менее распространены.

• Тип возбуждения:
• Независимое возбуждение. В этом случае на одном валу с генератором находится также генератор постоянного тока, питающий только обмотку возбуждения. При этом возбуждение может осуществляться и любым другим источником питания, например аккумулятором.

Самовозбуждение. В этом случае напряжение для обмотки возбуждения получают непосредственно от работающего генератора.

Возбуждение с помощью магнитов, которые располагаются на статоре или на якоре, что значительно упрощает конструкцию генератора, но таким способом не получится получить мощные генераторы.

Синхронный генератор : схема, устройство, принцип работы

Что означает синхронный по отношению к двигателю или генератору? Если совсем просто, то частота переменного тока находится в строгой зависимости от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, частотой переменного тока можно управлять относительно легко. Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым он стал самым распространенным. Открою вам большой секрет, есть синхронные генераторы, которые используются на всех станциях, где производится электроэнергия.

Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может быть любое вращающееся устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяное колесо. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле. При вращении ротора в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n1 и числа пар полюсов p.Частота ЭДС может быть рассчитывается по формуле.

Асинхронный генератор: схема, устройство, принцип работы

Блок асинхронного генератора

Асинхронный генератор на самом деле является асинхронным двигателем. То есть любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации тока и наоборот. Конструктивно агрегат, который называют генератором, устроен таким образом, что имеет хорошее охлаждение. Мы не будем глубоко останавливаться на принципе работы асинхронных машин, но кратко расскажу, почему они называются асинхронными, на примере двигателя.

При подаче напряжения на обмотки статора образуется магнитное поле, у трехфазных двигателей оно круглое, у однофазных эллиптическое, стремится к круглому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а так как обмотка короткозамкнута, то по ней начинает протекать ток, который также создает магнитное поле.

Взаимодействие между этими магнитными полями приводит в движение ротор. Что произойдет, если скорость ротора станет равной скорости магнитного поля, создаваемого статором? Правильно, магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с двумя автомобилями, движущимися с одинаковой скоростью. Машины как бы движутся, но в то же время по отношению друг к другу они кажутся неподвижными, только земля на большой скорости проносится под машинами.

Как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет генерироваться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начать останавливаться. Поэтому частота вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора, и эта величина называется скольжением.

Итак, чтобы асинхронный двигатель стал генератором, необходимо определить помол и увеличить на эту величину частоту вращения ротора. Допустим, у нас есть однополюсный трехфазный асинхронный двигатель с частотой вращения вала 2800 оборотов. Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения была бы 3000 оборотов. То есть помол составляет 200 об/мин. Это означает, что если мы начнем вращать ротор со скоростью 3200 об/мин, то двигатель перейдет в генераторный режим и будет уже не потреблять, а генерировать ЭДС.

Сложность использования таких генераторов заключается в том, что они склонны к выходу из строя. Например, если включить резистивную нагрузку (лампочку или обогреватель), пусковой ток будет мал. Не будет значительных перегрузок и генератор будет работать стабильно.

Если включить реактивную нагрузку, например двигатель, будет большой пусковой ток, превышающий номинальный ток в 5-20 раз, что «выведет из строя» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого отказа асинхронный генератор необходимо повторно возбудить. Так что простота асинхронного генератора компенсируется серьезным недостатком.

Ну и еще нужен блок конденсаторов для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неправильную емкость конденсаторов, то при «недоборе» от генератора мы получим меньше мощности, а при «переборе» наш генератор сильно перегреется.

Схемы подключения

Даже не схемы обмена, а альтернативы. Обычно их три:

• Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только сетевое напряжение отключается, устройство дает команду на запуск генератора и подключает сеть от внешнего источника питания к генераторной установке.
• Ручная активация. В этом случае пользователь сам выполняет операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и запускает генератор вручную.
• Синхронная работа. Этот режим в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы в этой сети работают синхронно, с одинаковой частотой, с одинаковым чередованием фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

Однофазный генератор

Я не буду вдаваться в подробности здесь. Такие устройства сейчас можно найти в любом хозяйственном магазине. Если в качестве резервного источника электроэнергии используется однофазный генератор, его обычно подключают к домовой сети через выключатель. Это означает, что к одной сети нельзя одновременно подключить внешний источник питания и генератор — ни тот, ни другой. Во-первых, это не нужно, а во-вторых, усложнит и удорожит бытовые генераторы. Единственное, на чем здесь могу остановиться, так это на включении однофазного генератора в трехфазную сеть.

Включение однофазного генератора в трехфазную сеть

Однако у этого метода есть свой недостаток. Трехфазные двигатели в такой сети работать не будут, но если их включить, то они очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трехфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трехфазного тока в бытовом исполнении практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственным условием подключения бытового генератора к сети, если в такой сети есть трехфазные двигатели, является соблюдение чередования фаз. Если нагрузка в доме однофазная, такой предосторожностью можно пренебречь.

Трехфазный электрогенератор в промышленном исполнении представляет собой агрегат с автоматическим пуском и иногда может быть оснащен синхронизирующим узлом. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор так же, как и однофазный, подключается к сети через рубильник. Поэтому в зависимости от положения переключателя работает либо внешний источник питания, либо генератор.

Конструкция.

В синхронных генераторах обмотку якоря (т.е обмотку, в которой индуцируется ЭДС) обычно делают неподвижной (и называют обмоткой статора), а обмотку возбуждения — вращающейся (и называют обмоткой индуктора), а машины с иное расположение обмоток называют реверсивным. Дело в том, что напряжение на обмотке якоря часто высокое (до 25 кВ); то же самое относится к рабочим токам.

Если якорь неподвижен, проще изолировать выводы обмотки, которые подключаются к внешним токоведущим колодкам. Обмотка возбуждения, напротив, обычно потребляет гораздо меньше 1% генерируемой мощности и питается постоянным током при напряжении 125 или 250 В. Передача такой небольшой мощности при низком напряжении на обмотку вращающегося индуктора Устройство через щеточный коллектор не сопряжено с большими трудностями.

Текущая частота f связана со скоростью вращения S и числом P полюсов статора или ротора как f = SP/120 Гц. Если Р = 4, а скорость вращения S = 1800 об/мин, то f = (1800´4)/120 = 60 Гц. Эта частота (60 Гц) чаще всего используется в электротехнике; он достаточно велик, чтобы не было заметно мерцание ламп подсветки, но в то же время достаточно мал, чтобы большинство машин работали удовлетворительно.

По конструкции обмотки возбуждения синхронные генераторы бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с выступающими полюсами ротора полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы этого типа рассчитаны на относительно низкие скорости; они пригодны для работы с поршневыми паровыми двигателями, дизелями, гидротурбинами. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами.

Ротор такого генератора представляет собой стальную поковку с фрезерованными продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно выполнены в виде медных пластин. Катушки фиксируются в пазах клиньями, а поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения шума и потерь мощности из-за сопротивления воздуха.

Обмотки генераторов чаще всего делают трехфазными, так что на выходных зажимах генератора формируются три синусоидальных напряжения переменного тока, которые поочередно достигают своего максимального (амплитудного) значения. Почти все мощные синхронные генераторы (и двигатели) охлаждаются водородом.

Применение.

В свое время генераторы постоянного тока были основными источниками электроэнергии в крупных городах, но затем их вытеснили генераторы переменного тока. В настоящее время они в основном используются в сочетании с двигателями постоянного тока в промышленности и на транспорте.

Читайте также: Электростатический генератор Тестатика: определение, устройство и принцип работы

Фото генераторов постоянного тока

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения U = f(I) принимается при Rv = const и n = const, т е без регулирования в цепи возбуждения, в естественных условиях работы. В результате к двум причинам падения напряжения, указанным для генератора независимого возбуждения (см статью «Генераторы независимого возбуждения»), добавляется третья — уменьшение iw при уменьшении U.

В результате внешние характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 4, кривая 1) падает круче, чем характеристика генератора независимого возбуждения (кривая 2). Поэтому изменение номинального напряжения (см определение в статье «Генераторы независимого возбуждения») для генератора с параллельным намагничиванием больше и составляет дельта Un% = 10 — 20 %.

Рис. 4. Внешние характеристики генераторов с параллельным (1) и независимым (2) возбуждением

Характерной особенностью внешних характеристик генератора параллельного возбуждения является то, что при некотором максимальном значении тока I = Imax. (точка ai рис. 4) он образует петлю и приходит в точку b на оси абсцисс, что соответствует установившемуся току короткого замыкания. Ток Iуст сравнительно невелик и определяется током нулевой последовательности, так как в этом случае U = 0, а значит, iв = 0. Такое поведение характеристики объясняется следующим.

При увеличении тока I напряжение U сначала падает медленно, а затем быстрее, так как при уменьшении U и iv уменьшается поток Фδ, магнитопровод становится менее насыщенным и малые уменьшения iv будут приводить ко все большему уменьшению в Фδ и U (см рис. 3). Точка ai на рис. 4 соответствует переходу кривой хх.х от низа колена к прямолинейному ненасыщенному участку. В этом случае из точки а (рис. 4) дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки Rнг., подключенной к зажимам машины, вызывает не только увеличение I, а, наоборот, происходит уменьшение I , так как U падает быстрее, чем Rng..

Работа машины на ab ветви характеристики несколько неустойчива и имеется тенденция к самопроизвольным изменениям I. Фактический Iк.уст в ряде случаев может быть больше, чем In.

Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения по x. X. X и характеристический треугольник показаны на рис. 5, где 1 — кривая x. ХХ; 2 — характеристика цепи возбуждения Uv = Rv × iv при заданном Rv = const, 3 — построенная кривая внешней характеристики.

При I = 0 значение U определяется пересечением кривой 1 и прямой 2. Для получения значения U при I = In разместим характеристический треугольник номинального тока так, чтобы его вершины а и б расположены на кривой 1 и прямой 2. Затем определяют точку в искомом значении U, что можно доказать, используя те же рассуждения, что изложены в статье «Генераторы независимого возбуждения», в случае построения внешней характеристики независимый генератор возбуждения.

Для других значений тока, между 1 и 2, можно провести наклонные прямые отрезки, параллельные ab, которые являются гипотенузами новых характеристических треугольников. Нижние точки этих отрезков i’, i» и т д определяют U токами

Перенеся все эти точки в левый квадрант диаграммы на рис. 5 и соединив их плавной кривой, получим искомую характеристику 3. С учетом нелинейной зависимости катетов треугольника ab от I экспериментальная зависимость U = f (I) имеет знак, показанный на рис. 5 слева штриховой линией.

Рис. 5. Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения с использованием характеристики холостого хода и характеристического треугольника

Хотя установившийся ток короткого замыкания генератора с параллельным возбуждением невелик, внезапное короткое замыкание на выводах этого генератора почти так же опасно, как и у генератора с независимым возбуждением. Это объясняется тем, что из-за большой индуктивности обмотки возбуждения и наведения вихревых токов в массивных частях магнитопровода уменьшение магнитного потока к полюсам происходит медленно. Поэтому быстро нарастающий ток якоря достигает значений Iк = (5 — 15)In.

Теория.

На рис. 1а показана катушка провода abcd, вращающаяся по часовой стрелке вокруг оси 00° в магнитном поле между северным (N) и южным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной ЭДС индукции показано стрелками ab и cd; величина и знак ЭДС для положений 1, 2, 3 и 4 показаны на графике рис. 1б.

Когда плоскость катушки перпендикулярна полю (позиции 1 и 3), ЭДС равна нулю; когда плоскость катушки параллельна полю (позиции 2 и 4), ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС на сторонах катушки (si, ab) при прохождении ими северного полюса противоположно направлению при прохождении ими южного полюса. Следовательно, ЭДС меняет знак каждые пол-оборота в точках 1 и 3, так что в катушке возникает переменная ЭДС и, следовательно, протекает переменный ток. Если в конструкции предусмотрены токосъемные (контактные) кольца, переменный ток пойдет во внешнюю цепь.

А) Классификация генераторов по способу возбуждения

В зависимости от способа возбуждения основного магнитного поля машины различают генераторы с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Генератор, обмотка возбуждения которого питается от внешнего источника питания (например, от аккумуляторной батареи или от другого генератора постоянного тока), называется генератором с независимым возбуждением.

Генератор с параллельным намагничиванием имеет обмотку намагничивания, включенную параллельно якорю. В генераторе последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с якорем.

В генераторе со смешанным возбуждением на главных полюсах расположены две обмотки: одна из них включена параллельно, другая — последовательно с якорем.

Через параллельную обмотку возбуждения протекает небольшой ток, составляющий 1-5% от номинального тока якоря. Обычно его проводят с большим количеством витков из проводника относительно небольшого сечения. Весь ток якоря проходит через последовательную обмотку возбуждения, поэтому она осуществляется с малым числом витков от проводника относительно большого сечения.

Ротор.

Ротор многофазного асинхронного двигателя выполнен в виде пластинчатого цилиндрического якоря из тонких кольцевых пластин с осевыми пазами. Различают два типа обмоток ротора: короткозамкнутые (типа «беличья клетка») и фазные.

Короткозамкнутая обмотка выполняется либо из медных стержней, отлитых в пазы и припаянных на концах к массивным концевым кольцам, замыкающим их, либо из алюминиевых проводников в пазах и концевых колец, отлитых целиком непосредственно в сердечник, помещенный в форму.

Фазная обмотка состоит из отдельных обмоток для всех фаз, вложенных в пазы ротора, с проводами к контактным кольцам. Щетки позволяют вводить сопротивление в цепь ротора для увеличения пускового момента, а иногда и для регулировки скорости. Как правило, статор является первичным элементом, в который подается ток, а ротор является вторичным элементом, в который индуцируются токи.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазными токами статора, индуцирует токи в проводниках ротора. Направление индуцированных токов таково, что при взаимодействии с индуцирующим их полем они создают момент, действующий в направлении вращающегося магнитного поля. Таким образом, ротор вращается в соответствии с полем. Но он не может вращаться с той же частотой, так как тогда индуцированные токи были бы равны нулю, а значит, не было бы крутящего момента. Поэтому «проскальзывание» ротора неизбежно и необходимо. Скольжение s определяется равенством

с = (Н – Н2)/Н,

где N2 — частота вращения ротора. Например, если синхронная скорость N четырехполюсного асинхронного двигателя частотой 60 Гц составляет 1800 об/мин, а частота вращения ротора 1728 об/мин, скольжение s = (1800 — 1728)/1800 = 0,04, т е четыре процента. Частота токов ротора равна sf, где f — частота токов в статоре. Например, в упомянутом двигателе частота токов в роторе 0,04ґ60 = 2,4 Гц.

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Пуск.

При отсутствии вращения момент на валу синхронного двигателя равен нулю. Чтобы он заработал, его нужно довести до скорости, близкой к синхронной. Это можно сделать с помощью вспомогательного двигателя. Если синхронный двигатель действует как приводной двигатель для генератора постоянного тока, последний может использоваться как двигатель для разгона синхронного двигателя до синхронной частоты. Синхронный двигатель также можно запустить с помощью асинхронного двигателя.

В момент пуска ток обмотки якоря может превышать нормальное рабочее значение в 3-8 раз. Чрезмерное снижение напряжения источника питания предотвращается понижением входного напряжения в этот период с помощью последовательно включенного токоограничивающего дросселя.

Коммутация.

Самая большая проблема с машинами постоянного тока — это коммутация. Это особенно ограничивает максимальную расчетную мощность генераторов постоянного тока; коммутация также не позволяет значительно увеличить рабочие скорости больших машин.

Для того чтобы переключение осуществлялось без искрообразования, ток и, следовательно, ЭДС индукции в коммутируемой катушке в момент переключения должны быть равны нулю. Это не делается по двум причинам. Под нагрузкой ток обмотки якоря создает магнитное поле, поперечное создаваемому магнитными полюсами, а также магнитный поток в зоне коммутации.

Пораженные катушки пересекают этот ток и в них индуцируется ЭДС. Кроме того, ток в витках якоря создает магнитный поток, с которым эти витки связаны. Когда этот ток резко меняет направление за очень короткое время переключения, возникает ЭДС самоиндукции. Обе ЭДС, хотя и малы, создают большой ток в короткозамкнутой катушке с малым сопротивлением.

Поскольку почти все сопротивление короткого замыкания приходится на контакт щетки с коллектором, угольные щетки с высоким контактным сопротивлением с графитовой добавкой используются в качестве смазки для уменьшения трения и износа поверхности коллектора. Для уменьшения искрения щетки следует перемещать при каждом изменении нагрузки в положение, соответствующее минимальной ЭДС наведения. Но поскольку это практически невозможно, выбирается какое-то среднее положение, обеспечивающее удовлетворительное соединение только для одной нагрузки.

В большинстве современных электрических машин предусмотрены узкие дополнительные полюса, размещаемые между основными.Они возбуждаются обмотками, включенными последовательно с якорем, и благодаря достаточно большому воздушному зазору компенсируют поток, создаваемый током якоря в зоне коммутации, а кроме того индуцируют ЭДС в коммутируемых витках якоря , что компенсирует ЭДС самоиндукции.

Таким образом, дополнительные полюса избавляют от необходимости перемещать щетки при изменении нагрузки. В генераторе последовательность основных и дополнительных полюсов (по направлению вращения) следующая: NsSn, а в двигателе — NnSs.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работа генератора характеризуется зависимостями между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам относятся:

• зависимости между значениями на холостом ходу;
• свойства внешних параметров;
• значения регулировки.

В разделе «Классификация» мы частично раскрыли некоторые свойства тюнинга и холостые зависимости. Кратко остановимся на внешних характеристиках, соответствующих работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимость напряжения от нагрузки (см рис. 5). Как видно из графика, наблюдается падение напряжения, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при этом сохраняется скорость вращения двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешние характеристики ТШП

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки более выражена (см рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет падать напряжение на клеммах генератора. В частности, при постепенном снижении сопротивления до уровня короткого замыкания напряжение будет падать до нуля. А вот резкое короткое замыкание в цепи вызывает люфт в генераторе и может быть фатальным для электрической машины такого типа.

Рис. 6. Характеристики ТВД с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении приводит к увеличению ЭДС. (см верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстает от ЭДС, так как часть энергии тратится на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание, что когда оно достигает своего максимума, напряжение при увеличении нагрузки начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает иметь восходящий тренд. Такое поведение является недостатком, который ограничивает использование этого типа генератора переменного тока.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные соединения обеих катушек — последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при обратном — разности этих сил.

В процессе устойчивого увеличения нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается, если число проводников в последовательной обмотке превышает число витков, соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая меньшего числа витков в последовательной обмотке показано кривой 3. Обратное соединение обмоток показано кривой 4.

Рис. 8. Внешние характеристики ГПТ со смешанным возбуждением

Встречно-параллельные генераторы используются, когда необходимо ограничить токи короткого замыкания, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждаемых смешанных устройствах ток возбуждения постоянен и практически не зависит от нагрузки.

Реакция якоря

При подключении к генератору внешней нагрузки токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в точках, где якорь упирается в полюса магнита, и слабее там, где убегает от них. Другими словами, якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения магнитопроводов. Результатом этой реакции являются искры от щеток на пластинах коллектора.

Реакцию якоря можно уменьшить, используя компенсирующие дополнительные магнитные полюса или сместив щетки от центральной линии к геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение ЭДС пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая эти параметры, можно управлять величиной ЭДС, а значит, и напряжением. Самый простой способ добиться желаемого результата — отрегулировать скорость якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Полезная мощность, подаваемая в цепь P1 = UI.

КПД

Важной характеристикой генератора переменного тока является его КПД — отношение полезной мощности к полной. Обозначим эту величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходу ηe = 0. Максимальный КПД при номинальной нагрузке. КПД мощных генераторов приближается к 90%.

Двигатель с параллельным возбуждением.

Противо-ЭДС несколько уменьшается с ростом нагрузки, так как падение напряжения обмотки якоря составляет 2-7 % от выходного напряжения V. Поскольку обмотка возбуждения подключена к клеммам источника постоянного напряжения, поток j практически постоянен. Следовательно, скорость немного снижается с увеличением нагрузки, так как кривая С.

Двигатели с параллельным возбуждением применяют в тех случаях, когда требуется почти постоянная скорость — в силовых передачах постоянной скорости, в металлорежущих станках, печатных машинах. Скорость вращения можно задавать и регулировать изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи намагничивания.