Obwody elektryczne prądu stałego i ich charakterystyki

Nieruchomości Generator prądu stałego zależą głównie od sposobu włączenia cewki wzbudzenia. Istnieją niezależne, równoległe, szeregowe i mieszane generatory wzbudzenia:

• niezależnie wzbudzane: cewka wzbudzenia jest zasilana z zewnętrznego źródła prądu stałego (akumulatora, małego generatora pomocniczego zwanego wzbudnicą lub prostownikiem),

• wzbudzenie równoległe: uzwojenie wzbudzenia jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika i obciążeniem,

• wzbudzenie szeregowe: uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika i obciążeniem,

• z mieszanym wzbudzeniem: istnieją dwa uzwojenia pola - równoległe i szeregowe, pierwsze jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika, a drugie jest połączone szeregowo z nim i obciążeniem.

Generatory równoległe, szeregowe i generatory o mieszanym wzbudzeniu są samowzbudnymi maszynami, ponieważ ich uzwojenia pola są zasilane przez sam generator.

Wzbudzenie generatorów prądu stałego: a — niezależne, b — równoległe, c — szeregowe, d — mieszane.

Wszystkie wymienione generatory mają to samo urządzenie i różnią się jedynie budową cewek wzbudzenia. Cewki wzbudzenia niezależnego i równoległego są wykonane z drutu o małym przekroju, mają dużą liczbę zwojów, cewka wzbudzenia szeregowego jest wykonana z drutu o dużym przekroju, jest mała liczba zwojów.

Właściwości generatorów prądu stałego są oceniane na podstawie ich charakterystyk: biegu jałowego, zewnętrznego i kontrolnego. Poniżej przyjrzymy się tym cechom dla różnych typów generatorów.

Niezależnie wzbudzony generator

Cechą charakterystyczną generatora z niezależnym wzbudzeniem (rys. 1) jest to, że jego prąd wzbudzenia Iv nie zależy od prądu twornika Ii, ale jest określony jedynie przez napięcie Uv dostarczone do cewki wzbudzenia i rezystancję Rv obwodu wzbudzenia .

Ryż. 1. Schemat ideowy niezależnie wzbudzonego generatora

Zwykle prąd wzbudzenia jest mały i wynosi 2-5% prądu znamionowego twornika. Aby regulować napięcie generatora, reostat do regulacji Rpv jest często zawarty w obwodzie uzwojenia wzbudzenia. W lokomotywach prąd Iv jest regulowany poprzez zmianę napięcia Uv.

Charakterystyka biegu jałowego generatora (ryc. 2, a) — zależność napięcia Uo na biegu jałowym od prądu wzbudzenia Ib przy braku obciążenia Rn, to znaczy przy In = Iya = 0 i przy stałej prędkości obrotowej n. W stanie bez obciążenia, gdy obwód obciążenia jest otwarty, napięcie generatora Uo jest równe e. itp. v. Eo = cEFn.

Ponieważ po usunięciu charakterystyki biegu jałowego prędkość n pozostaje niezmieniona, to napięcie Uo zależy tylko od strumienia magnetycznego F.Dlatego charakterystyka biegu jałowego będzie podobna do zależności strumienia F od prądu wzbudzenia Ia (charakterystyka magnetyczna obwodu magnetycznego generatora).

Charakterystykę jałową można łatwo wyeliminować eksperymentalnie poprzez stopniowe zwiększanie prądu wzbudzenia od zera do wartości, przy której U0 = 1,25Unom, a następnie zmniejszanie prądu wzbudzenia do zera. W tym przypadku uzyskuje się rosnącą 1 i malejącą 2 gałęzie charakterystyki. Rozbieżność tych gałęzi wynika z obecności histerezy w obwodzie magnetycznym maszyny. Gdy Iw = 0 w uzwojeniu twornika, strumień remanentnego magnetyzmu indukuje remanentny d itd. z Eost, który zwykle wynosi 2-4% napięcia znamionowego Unom.

Przy niskich prądach wzbudzenia strumień magnetyczny maszyny jest mały, dlatego w tym obszarze strumień i napięcie Uo zmieniają się wprost proporcjonalnie do prądu wzbudzenia, a początkowa część tej charakterystyki jest linią prostą. Wraz ze wzrostem prądu wzbudzenia obwód magnetyczny generatora nasyca się, a wzrost napięcia Uo maleje. Im większy prąd wzbudzenia, tym silniejsze nasycenie obwodu magnetycznego maszyny i wolniejszy wzrost napięcia U0. Przy bardzo dużych prądach wzbudzenia napięcie Uo praktycznie przestaje rosnąć.

Charakterystyka bez obciążenia pozwala oszacować wartość możliwych napięć oraz właściwości magnetycznych maszyny. Napięcie nominalne (podane w paszporcie) dla maszyn ogólnego przeznaczenia odpowiada nasyconej części charakterystyki („kolano” tej krzywej).W generatorach lokomotyw wymagających szerokozakresowej regulacji napięcia stosuje się zarówno krzywoliniowe, jak i prostoliniowe nienasycone części charakterystyki.

D. d. C. maszyna zmienia się proporcjonalnie do prędkości n, więc dla n2 < n1 charakterystyka biegu jałowego leży poniżej krzywej dla n1. Kiedy zmienia się kierunek obrotów generatora, zmienia się kierunek e. itp. c. Jest indukowany w uzwojeniu twornika, a tym samym w polaryzacji szczotek.

Cechą zewnętrzną generatora (ryc. 2, b) jest zależność napięcia U od prądu obciążenia In = Ia przy stałej prędkości n i prądzie wzbudzenia Iv. Napięcie generatora U jest zawsze mniejsze niż jego e. itp. c. E o wartość spadku napięcia we wszystkich uzwojeniach połączonych szeregowo w obwodzie twornika.

Wraz ze wzrostem obciążenia generatora (prąd uzwojenia twornika IАЗ САМ — азЗ) napięcie generatora spada z dwóch powodów:

1) na skutek wzrostu spadku napięcia w obwodzie uzwojenia twornika,

2) ze względu na spadek e. itp. w wyniku działania rozmagnesowującego strumienia twornika. Strumień magnetyczny twornika nieco osłabia główny strumień magnetyczny Ф generatora, co prowadzi do nieznacznego zmniejszenia jego e. itp. v. E podczas ładowania przeciwko e. itp. z Eo na biegu jałowym.

Zmiana napięcia podczas przejścia z trybu jałowego do obciążenia znamionowego w rozpatrywanym generatorze wynosi 3 — 8℅ znamionowego.

Jeśli zamkniesz obwód zewnętrzny przy bardzo małej rezystancji, czyli zwarcie generatora, to jego napięcie spadnie do zera.Prąd w uzwojeniu twornika Ik podczas zwarcia osiągnie niedopuszczalną wartość, przy której uzwojenie twornika może się przepalić. W maszynach małej mocy prąd zwarciowy może być 10-15 razy większy od prądu znamionowego, w maszynach dużej mocy ten stosunek może sięgać 20-25.

Ryż. 2. Charakterystyka generatora o wzbudzeniu niezależnym: a — jałowy, b — zewnętrzny, c — regulacyjny

Charakterystyka regulacyjna generatora (ryc. 2, c) to zależność prądu wzbudzenia Iv od prądu obciążenia In przy stałym napięciu U i częstotliwości obrotowej n. Pokazuje, jak dostosować prąd wzbudzenia, aby utrzymać napięcie generatora na stałym poziomie, gdy zmienia się obciążenie. Oczywiście w tym przypadku wraz ze wzrostem obciążenia konieczne jest zwiększenie prądu wzbudzenia.

Zaletą niezależnie wzbudzonego generatora jest możliwość regulacji napięcia w szerokim zakresie od 0 do Umax poprzez zmianę prądu wzbudzenia oraz niewielką zmianę napięcia generatora pod obciążeniem. Wymaga to jednak zewnętrznego źródła prądu stałego do zasilania cewki polowej.

Generator z równoległym wzbudzeniem.

W tym generatorze (ryc. 3, a) prąd uzwojenia twornika Iya rozgałęzia się do zewnętrznego obwodu obciążenia RH (prąd In) i do uzwojenia wzbudzenia (prąd Iv), prąd Iv dla maszyn średniej i dużej mocy wynosi 2- 5 % wartości znamionowej prądu w uzwojeniu twornika W maszynie zastosowano zasadę samowzbudzenia, w której uzwojenie wzbudzenia jest zasilane bezpośrednio z uzwojenia twornika generatora. Jednak samowzbudzenie generatora jest możliwe tylko po spełnieniu szeregu warunków.

1.Aby rozpocząć proces samowzbudzenia generatora, konieczne jest posiadanie resztkowego strumienia magnetyzmu w obwodzie magnetycznym maszyny, który indukuje e w uzwojeniu twornika. itp. wieś Est. to itp. v. zapewnia przepływ przez obwód „uzwojenie twornika - uzwojenie wzbudzenia” pewnego prądu rozruchowego.

2. Strumień magnetyczny wytwarzany przez cewkę polową musi być skierowany zgodnie ze strumieniem magnetycznym magnetyzmu szczątkowego. W tym przypadku w procesie samowzbudzenia prąd wzbudzenia Iv, a zatem strumień magnetyczny Ф maszyny e wzrośnie. itp. v. E. Będzie to trwało, dopóki z powodu nasycenia obwodu magnetycznego maszyny nie ustanie dalszy wzrost F, a zatem E i Ib. Zbieżność w kierunku wskazanych strumieni jest zapewniona przez prawidłowe połączenie uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem twornika. W przypadku nieprawidłowego podłączenia urządzenie rozmagnesowuje się (zanika magnetyzm szczątkowy) i e. itp. c. E spada do zera.

3. Rezystancja obwodu wzbudzenia RB musi być mniejsza niż pewna wartość graniczna zwana rezystancją krytyczną. Dlatego w celu jak najszybszego wzbudzenia generatora zaleca się, aby po włączeniu generatora w pełni wyprowadzić reostat regulacyjny Rpv połączony szeregowo z cewką wzbudzenia (patrz ryc. 3, a). Warunek ten ogranicza również możliwy zakres regulacji prądu wzbudzenia, a co za tym idzie napięcia generatora o wzbudzeniu równoległym. Zwykle możliwe jest zmniejszenie napięcia generatora poprzez zwiększenie rezystancji obwodu uzwojenia wzbudzenia tylko do (0,64-0,7) Unom.

Ryż. 3.Schemat ideowy generatora o wzbudzeniu równoległym (a) oraz charakterystyki zewnętrzne generatorów o wzbudzeniu niezależnym i równoległym (b)

Należy zauważyć, że samowzbudzenie generatora wymaga procesu zwiększania jego e. itp. gdzie E i prąd wzbudzenia Ib wystąpiły, gdy maszyna pracowała na biegu jałowym. W przeciwnym razie, ze względu na małą wartość Eost i duży wewnętrzny spadek napięcia w obwodzie uzwojenia twornika, napięcie przyłożone do uzwojenia wzbudzenia może spaść prawie do zera, a prąd wzbudzenia nie może wzrosnąć. Dlatego obciążenie należy podłączyć do generatora dopiero wtedy, gdy napięcie na jego zaciskach będzie zbliżone do nominalnego.

Gdy zmienia się kierunek obrotu twornika, zmienia się biegunowość szczotek, a tym samym kierunek prądu w uzwojeniu wzbudzenia, w tym przypadku generator jest rozmagnesowywany.

Aby tego uniknąć, przy zmianie kierunku obrotów należy zamienić miejscami przewody łączące cewkę wzbudzenia z cewką twornika.

Charakterystyka zewnętrzna generatora (krzywa 1 na ryc. 3, b) przedstawia zależność napięcia U od prądu obciążenia In przy stałych wartościach prędkości n i rezystancji obwodu napędowego RB. Leży poniżej charakterystyki zewnętrznej niezależnie wzbudzonego generatora (krzywa 2).

Wyjaśnia to fakt, że oprócz tych samych dwóch powodów powodujących spadek napięcia wraz ze wzrostem obciążenia w niezależnie wzbudzonym generatorze (spadek napięcia w obwodzie twornika i efekt rozmagnesowania reakcji twornika), istnieje trzeci powód w rozważany generator — redukcja prądu wzbudzenia.

Ponieważ prąd wzbudzenia IB = U / Rv, to znaczy zależy od napięcia U maszyny, to wraz ze spadkiem napięcia, z tych dwóch powodów, strumień magnetyczny F i e maleje. itp. v. generator E, co prowadzi do dalszego spadku napięcia. Maksymalny prąd Icr odpowiadający punktowi a nazywany jest krytycznym.

Gdy uzwojenie twornika jest zwarte, prąd Ic prądnicy o wzbudzeniu równoległym jest mały (punkt b), ponieważ w tym trybie napięcie i prąd wzbudzenia są zerowe. Stąd prąd zwarciowy jest tworzony tylko przez e. itp. z magnetyzmu szczątkowego i wynosi (0,4 ... 0,8) Inom .. Charakterystyka zewnętrzna jest podzielona od punktu a na dwie części: górną — pracującą i dolną — niedziałającą.

Zwykle nie wykorzystuje się całej części roboczej, ale tylko jej część. Praca odcinka ab charakterystyki zewnętrznej jest niestabilna, w tym przypadku maszyna przechodzi w tryb odpowiadający punktowi b, tj. w trybie zwarcia.

Charakterystykę biegu jałowego generatora o wzbudzeniu równoległym przyjmuje się przy wzbudzeniu niezależnym (gdy prąd w tworniku Iya = 0), dlatego nie różni się niczym od odpowiedniej charakterystyki dla generatora o wzbudzeniu niezależnym (patrz rys. 2, a). Charakterystyka sterowania generatora z równoległym wzbudzeniem ma taki sam kształt jak charakterystyka generatora z niezależnym wzbudzeniem (patrz ryc. 2, c).

Generatory z wzbudzeniem równoległym są używane do zasilania odbiorników elektrycznych w samochodach osobowych, samochodach i samolotach, takich jak generatory do napędzania lokomotyw elektrycznych, lokomotyw spalinowych i wagonów oraz do ładowania akumulatorów.

Szeregowy generator wzbudzenia

W tym generatorze (ryc.4, a) prąd wzbudzenia Iw jest równy prądowi obciążenia In = Ia, a napięcie znacznie się zmienia, gdy zmienia się prąd obciążenia. Na biegu jałowym w generatorze indukowana jest niewielka emisja. itp. v. Eri, utworzone przez przepływ magnetyzmu szczątkowego (ryc. 4, b).

Wraz ze wzrostem prądu obciążenia Ii = Iv = Iya wzrasta strumień magnetyczny, np. itp. p. i napięcie generatora, wzrost ten, podobnie jak w innych maszynach samowzbudnych (generator wzbudzony równolegle), trwa do pewnej granicy z powodu nasycenia magnetycznego maszyny.

Gdy prąd obciążenia wzrasta powyżej Icr, napięcie generatora zaczyna spadać, ponieważ strumień magnetyczny wzbudzenia z powodu nasycenia prawie przestaje rosnąć, a efekt rozmagnesowania reakcji twornika i spadek napięcia w obwodzie uzwojenia twornika IяΣRя nadal rosną . Zwykle prąd Icr jest znacznie wyższy niż prąd znamionowy. Generator może pracować stabilnie tylko na części ab charakterystyki zewnętrznej, tj. przy prądach obciążenia wyższych niż nominalne.

Ponieważ w generatorach z wzbudzeniem szeregowym napięcie zmienia się znacznie wraz ze zmianami obciążenia i jest bliskie zeru podczas pracy bez obciążenia, nie nadają się one do zasilania większości odbiorników energii elektrycznej. Stosowane są tylko przy hamowaniu elektrycznym (reostatycznym) silników o wzbudzeniu szeregowym, które następnie przechodzą do trybu generatora.

Ryż. 4. Schemat ideowy szeregowego generatora wzbudzenia (a) i jego charakterystyka zewnętrzna (b)

Generator wzbudzenia mieszanego.

W tym generatorze (ryc. 5, a) najczęściej równoległa cewka wzbudzająca jest główną, a szeregowa jest cewką pomocniczą.Obie cewki mają tę samą biegunowość i są połączone w taki sposób, że wytwarzane przez nie strumienie magnetyczne sumują się (przełączanie zgodne) lub odejmują (przełączanie przeciwne).

Generator o mieszanym wzbudzeniu, gdy jego uzwojenia pola są połączone zgodnie, umożliwia uzyskanie w przybliżeniu stałego napięcia przy zmianach obciążenia. Charakterystykę zewnętrzną generatora (ryc. 5, b) można w pierwszym przybliżeniu przedstawić jako sumę charakterystyk tworzonych przez każdą cewkę wzbudzenia.

Ryż. 5. Schemat ideowy generatora o wzbudzeniu mieszanym (a) i jego charakterystyka zewnętrzna (b)

Gdy włączone jest tylko jedno uzwojenie równoległe, przez które przepływa prąd wzbudzenia Iв1, napięcie generatora U stopniowo maleje wraz ze wzrostem prądu obciążenia In (krzywa 1). Gdy włączone jest jedno uzwojenie szeregowe, przez które płynie prąd wzbudzenia Iw2 = In , napięcie U rośnie wraz ze wzrostem prądu In (krzywa 2).

Jeżeli tak dobierzemy liczbę zwojów uzwojenia szeregowego, aby przy obciążeniu znamionowym wytworzone przez nie napięcie ΔUPOSOL skompensowało całkowity spadek napięcia ΔU, gdy maszyna pracuje tylko z jednym uzwojeniem równoległym, to można osiągnąć, że napięcie U pozostaje prawie niezmienione, gdy prąd obciążenia zmienia się od zera do wartości znamionowej (krzywa 3). W praktyce waha się w granicach 2-3%.

Zwiększając liczbę zwojów uzwojenia szeregowego można uzyskać charakterystykę, w której napięcie UHOM będzie miało większe napięcie Uo na biegu jałowym (krzywa 4), charakterystyka ta zapewnia kompensację spadku napięcia nie tylko w rezystancji wewnętrznej w obwodzie twornika generatora, ale także w linii łączącej go z obciążeniem. Jeżeli uzwojenie szeregowe zostanie włączone tak, że wytworzony przez nie strumień magnetyczny jest skierowany przeciwko strumieniowi uzwojenia równoległego (komutacja przeciwna), wówczas charakterystyka zewnętrzna generatora z dużą liczbą zwojów uzwojenia szeregowego będzie gwałtownie spadać (krzywa 5).

Odwrotne podłączenie szeregowych i równoległych uzwojeń wzbudzenia stosuje się w generatorach spawalniczych pracujących w warunkach częstych zwarć. W takich generatorach w przypadku zwarcia uzwojenie szeregowe prawie całkowicie rozmagnesowuje maszynę i zmniejsza prąd zwarciowy. do wartości bezpiecznej dla generatora.

Generatory z uzwojeniami polowymi o przeciwnych połączeniach stosowane są w niektórych lokomotywach spalinowych jako wzbudniki prądnic trakcyjnych, zapewniają one stałość mocy dostarczanej przez prądnicę.

Takie patogeny są również stosowane w lokomotywach prądu stałego. Zasilają one uzwojenia polowe silników trakcyjnych, które podczas hamowania rekuperacyjnego pracują w trybie regeneracyjnym i zapewniają stromo opadającą charakterystykę zewnętrzną.

Mieszane wzbudzenie generatora jest typowym przykładem regulacji zakłócającej.

Generatory prądu stałego są często łączone równolegle, aby działać we wspólnej sieci.Warunkiem pracy równoległej generatorów z rozkładem obciążenia proporcjonalnym do mocy znamionowej jest identyczność ich charakterystyk zewnętrznych. W przypadku stosowania generatorów z mieszanym wzbudzeniem ich szeregowe uzwojenia do prądów wyrównawczych muszą być połączone we wspólny blok przewodem wyrównawczym.