Генератор постоянного тока независимого возбуждения

Недостатки применения постоянных магнитов

1. Небольшая величина индукции.
2. Отсутствие регулирования параметров магнитного потока.

Магнитоэлектрические генераторы относятся к машинам малой мощности. Для изготовления постоянных магнитов используется высококачественный магнитный сплав, это может быть: альни (АН), альниси (АНК) или магнико, альнико (АНКО). Благодаря использованию этих металлов для изготовления постоянных магнитов, происходит сохранение первоначальных характеристик в течение длительного временного периода. Для магнитоэлектрических генераторов характерен небольшой расход меди, невысокие потери, малый вес и размеры, небольшие потери мощности, отсутствие потерь на возбуждение, высокий КПД. Главный недостаток машин магнитоэлектрического типа – сложность регулирования.

Использование электромагнитного способа возбуждения характеризуется прохождением постоянного тока по возбуждающей обмотке, состоящей из полюсов, соединенных последовательно. Рабочие параметры МПТ характеризуются методом возбуждения относительно к цепи якоря оборудования.

Главная квалификация МПТ различных типов, подразделяемых на двигатели и машины генераторного вида, подразделяется по принципу возбуждения:

1. Машина, питаемая от стороннего источника будет считаться устройством независимого возбуждения.
2. МПТ шунтовая, использующая для выполнения возбуждения параллельно соединенные обмотки.
3. МПТ сериесная — возбуждение происходит за счет использования обмотки соединенной последовательно.
4. МПТ компаудного или смешанного типа, сочетающая для выполнения возбуждения оба типа соединения машинных обмоток.

Компаундное возбуждение

В конструкции оборудования присутствует две обмотки: одна со свойствами от параллельного генератора, выполняющая базовую функцию, и обмотка со свойствами последовательного генератора, используемая в виде дополнительной обмотки возбуждения. Обе обмотки сообщают машине свойства обоих типов машин. Кроме того, в конструкции, кроме основного комплекта щеток, имеется вспомогательный щеточный механизм, сдвинутый на угол 90о.

Последовательно соединенные обмотки сериесной машины дает ей возможность увеличить значение Ф сообразно величине I, следующему по этой обмотке.

Характеристика х.х. этой машины похожа на характеристику шунтовой обмотки, Ф соответствует Uном во время холостого тока.

Согласное присоединение обмоток, суммирующее магнитодвижущие силы, если используется встречное (дифференциальное) подключение, способствует созданию эффекта резкого падения напряжения, это действие видно из внешней характеристики.

Присоединение согласным способом подразумевает, что базовая функция отводится обмотке, присоединенной в параллель, компенсирующая роль выполняется обмоткой с качествами, характерными для сериесной машины, это способствует размагничиванию реакции якоря и предотвращает процесс падения U. Таким образом, происходит регулировка U в заданных нагрузочных границах, автоматически.

Встречное присоединение используется при достижении крутопадающей характеристики в моделях генераторов, используемых для сварки.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Основная обмотка — возбуждение

Основная обмотка возбуждения 0ВВ, соединенная последовательно с обмоткой возбуждения главного генератора, является обмоткой самовозбуждения.
 

Основной обмоткой возбуждения такого генератора является обмотка параллельного возбуждения ( i. Последовательная обмотка возбуждения ( RB) выполняет при этом роль вспомогательной.
 

Помимо упомянутой основной обмотки возбуждения, регулятор снабжен еще двумя обмотками возбуждения, выполняющими функции обратной связи по скорости изменения тока в главной цепи ( так как напряжение к обмотке подводится с зажимов дросселя в цепи выпрямленного тока) и напряжению на выходе регулятора. Обратные связи способствуют устойчивой работе регулятора, а обратная связь по скорости изменения тока ограничивает возрастание тока при пуске и обеспечивает правильное деление тока между параллельно работающими выпрямителями.
 

Электромашинный усилитель кроме основной обмотки возбуждения 3 имеет дополнительные обмотки как для стабилизации режима работы, так и системы управления приводом.
 

Обычно УК включается на основную обмотку возбуждения, а ЭМК на дополнительную, но при наличии свободной дополнительной обмотки можно включить и УК на дополнительную обмотку.
 

Обычно УК включается на основную обмотку возбуждения, а ЭМК на дополнительную, но при наличии свободной дополнительной обмотки можно включить УК и на дополнительную обмотку.
 

В электромашинном усилителе, кроме основной обмотки возбуждения OS, имеется дополнительная обмотка ОУ, называемая обмоткой управления.
 

Особенностью схемы подключения УК к основной обмотке возбуждения возбудителя является наличие так называемого порога компаундирования.
 

Недостатком схемы подключения устройства компаундирования к основной обмотке возбуждения является наличие так называемого порога компаундирования.
 

Особенностью схемы при подключении УК к основной обмотке возбуждения возбудителя является наличие п о-рога компаундирования.
 

На тепловозах ТЭ1, ТЭ2 и ТЭМ2 основная обмотка возбуждения возбудителя питается от двух источников — вспомогательного генератора и возбудителя, выполняя одновременно функции независимой и параллельной обмоток.
 

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (i_в) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или электродвижущей силы (э. д. с.) якоря E_а от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, P₂ = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рисунка 1, а при отключенном рубильнике.

Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)

Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения U = (1,15 – 1,25) U_н (точка а кривой на рисунке 2). При уменьшении i_в напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При i_в = 0 генератор развивает некоторое напряжение U₀₀ = Об (рисунок 2), обычно равное 2 – 3% от U_н, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить i_в в обратном направлении, начиная с i_в = 0, то при некотором i_в < 0 напряжение упадет до нуля (точка в, рисунок 2), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток i_в и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток i_в уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная с i_в = 0. При этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. Х. х. х. имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток i_в необходимо менять только в направлении, указанном на рисунке 2 стрелками, так как в противном случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю, а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рисунке 2 представляет собой расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора, и по ней можно определить коэффициент насыщения машины k_μ.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет основу для исследования эксплуатационных свойств машины.

Характеристический (реактивный) треугольник

Характеристический (реактивный) треугольник определяет реакцию якоря и падение напряжение в цепи якоря. Он строится для нахождения реакции якоря по экспериментальным данным и используется также для построения некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально. Характеристический треугольник можно построить по экспериментальным данным с помощью х. х. х. и любой другой основной характеристики машины, а также по расчетным данным. Рассмотрим здесь его построение с помощью х. х. х. и х. к. з., для чего обратимся к рисунку 4, где изображены х. к. з. I = f (i_в) (прямая 1) и начальная, прямолинейная часть х. х. х. U = f (i_в) (прямая 2), проходящие через начало координат.

Построим характеристический треугольник для номинального тока машины I_а = I = I_н, которому на х. к. з. соответствует точка а и на оси абсцисс точка б (рисунок 4, а). Построим на прямой аб отрезок бв, равный в масштабе прямой 2 падению напряжения в цепи якоря I_н × R_а, и соединим точку в горизонтальной прямой с точкой г на х. х. х. Тогда треугольник бвг и будет характеристическим треугольником. Горизонтальный катет вг этого треугольника представляет собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения, что можно доказать следующим образом.

Отрезок 0б на рисунке 4, а равен току i_в, необходимому для получения при коротком замыкании тока I = I_н. В якоре при этом должна индуктироваться э. д. с. E_а = I_н × R_а, равная отрезку гд, для чего при холостом ходе требуется ток возбуждения 0д = i_ве. Таким образом, разность 0б – 0д = дб = i_ва между действительным током i_в = 0б при коротком замыкании и током i_ве = 0д при холостом ходе может быть обусловлена только влиянием тока в якоре и должна поэтому выражать собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения i_в.

Рисунок 4, а соответствует случаю размагничивающей реакции якоря (i_ва больше 0), а рисунок 4, б – случаю намагничивающей реакции якоря (i_ва меньше 0). В последнем случае х. к. з., естественно, должна подниматься круче. Для других значений токов якоря (I ≠ I_н) катеты треугольника бвг изменяются практически пропорционально току якоря, так как нелинейность сопротивления щеточного контакта оказывает малое влияние.

Поскольку в условиях снятия х. к. з. магнитная цепь машины не насыщена, то построенный таким образом характеристический треугольник учитывает только продольную реакцию якоря, вызванную случайным или сознательным сдвигом щеток с геометрической нейтрали и отклонением коммутации от прямолинейной. При установке щеток на геометрической нейтрали катет треугольника i_ва = дб равен намагничивающей силе коммутационной реакции якоря (в масштабе i_в) и характеризует качество коммутации (на рисунке 4, а – замедленная коммутация и на рисунке 4, б – ускоренная). Когда щетки стоят на нейтрали и коммутация прямолинейна, i_ва = дб = 0 и треугольник бвг вырождается в вертикальную прямую.

Для построения характеристического треугольника с учетом влияния поперечной реакции якоря можно воспользоваться х. х. х. и внешней, регулировочной или нагрузочной характеристикой. Обычно пользуются нагрузочной характеристикой.

Трехфазный генератор: общее устройство, принцип действия, симметричная система фазных ЭДС

Структура трехфазной цепи

Трехфазными генераторами называются генераторы переменного тока, одновременно вырабатывающие несколько ЭДС одинаковой частоты, но с различными начальными фазами. Совокупность таких ЭДС называется трехфазной системой ЭДС.

Многофазными цепями называются цепи переменного тока, в которых действуют многофазные системы ЭДС. Любая из цепей многофазной системы, где действует одна ЭДС, называется фазой.

Трехфазные системы имеют ряд преимуществ перед другими системами (однофазными и многофазными):

— они позволяют легко получить вращающееся магнитное поле (на этом основан принцип работы разных двигателей переменного тока).

— трехфазные системы наиболее экономичны, имеют высокий КПД.

— конструкция трехфазных двигателей, генераторов и трансформаторов наиболее проста, что обеспечивает их высокую надежность.

— один трехфазный генератор позволяет получать два различных (по величине) напряжения.

Современные электрические системы, состоящие из генераторов, электростанций, трансформаторов, линий передачи электроэнергии и распределительных сетей, представляют собой трехфазные системы переменного тока.

Трехфазная система электрических цепей —  совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазе и создаваемые общим источником энергии. Каждая из цепей, входящих в трехфазную цепь, принято называть фазой. 

Трехфазная цепь включает в себя источник (генератор) трехфазной ЭДС, проводники, потребители (приемники) трехфазной электрической энергии.

Рассмотрим устройство трехфазного генератора переменного тока

В пазах статора расположены три фазных обмотки (они условно представлены единственными витками). Начала и концы обмоток трехфазного генератора принято обозначать буквами и . Первыми буквами латинского алфавита обозначают начала обмоток, последними — концы. Началом обмотки называют зажим, через который ток поступает во внешнюю цепь при положительных его значениях.

Ротор генератора выполняется в виде вращающегося постоянного магнита или электромагнита, питаемого через скользящие контакты постоянным током.

При вращении ротора с помощью двигателя в обмотках статора возникают периодически изменяющиеся ЭДС, частота которых одинакова, но фазы в любой момент времени различны, так как различны положения обмоток в магнитном поле. ЭДС в неподвижных витках обмоток статора индуктируются в результате пересечения этих витков магнитным полем вращающегося ротора. Обмотки фаз генератора совершенно одинаковы и расположены симметрично по поверхности статора, поэтому ЭДС имеют одинаковые амплитудные значения, но сдвинутые друг относительно друга по фазе на угол 120 .

Если ЭДС фазы принять за исходную и считать ее начальную фазу равной нулю, то при вращении ротора с угловой скоростью против часовой стрелки выражения для мгновенных значений ЭДС можно записать следующим образом:

,

,

.

Переходя к комплексам действующих значений, получим:

, 

Подобные системы ЭДС принято называть симметричными. Векторная диаграмма трехфазной симметричной системы ЭДС представляет собой симметричную трехлучевую звезду. Из векторной диаграммы следует, что

Если ЭДС фазы отстает от фазы , а ЭДС фазы отстает от ЭДС фазы , то такую последовательность фаз называют прямой. Обратную последовательность фаз можно получить, если изменить направление вращения ротора.

Если отдельные фазные обмотки генератора не соединены между собой электрически, то такую цепь называют несвязанной. По сути дела несвязанная трехфазная цепь состоит из трех независимых однофазных цепей. В противном случае трехфазная цепь называется связанной. Наибольшее распространение получили связанные трехфазные цепи, как наиболее экономичные, имеющие минимальное число проводов. При нормальном режиме работы трехфазных установок последовательность фаз принимается прямая.

Что такое СВ и АРВ

Система возбуждения гена – это комплекс различных устройств, включающих: возбудитель, АРВ, СГП, УБФВ, устройство развозбуждения, а также дополнительные тесто-измерители.

АРВ – это не что иное, как регулятор, функционирующий полностью на автомате. СГП – средство, которое гасит магнитное поле. УБФВ – устройство, благодаря которому осуществляется быстрая форсировка возбуждения.

Сам возбудитель является источником питания (ИП) обмотки постоянным напряжением. В данном случае ИП может быть сам ген совместно с полупроводниками и выпрямительным блоком (диодным мостом).

АРВ применяются в синхронном гене. Здесь они выполняют функцию повышения физической стабильности генерирующего устройства. Принято классифицировать АРВ на устройства с пропорциональным шагом и сильным шагом. Одни способны изменять токоэнергию по несоответствию статорного напряжения, а вторые – реагируют в более широком смысле этого слова.

Когда ток снижается, к примеру, при замыкании, предусмотрена форсировка. Она подразумевает скорое увеличение возбуждения, что влияет на остановку спадов напряжения и сохраняет устойчивость.

Когда происходит отключение генератора, что тоже может вызываться внутренними замыканиями, агрегат следует развозбудить. Для этого достаточно погасить магнитполе, что даст возможность уменьшить размеры повреждения статорной обмотки.

Погасить магнитполе – это, значит, быстрое уменьшить магнитпоток возбуждения гена до величины, близкой к 0. Одновременно с этим уменьшается ЭДС агрегата.

Гашение магнитполя осуществляется с помощью АГП – особых устройств-автоматов, действующих от реле. Именно они помогают активировать сопротивление.

В генерирующих устройствах, функционирующих по принципу тиристорвозбуждения, снижение магнитполя осуществляется методом переключения основных вентилей в инверторный порядок. Тем самым, сэкономленная в обмотке энергия, передастся возбудителю или диодному мосту.

Характеризуется СВ номинальным напряжением (НТ), но оно может быть разным.

• 100 или 600 В, если речь идет о возбуждении на выводах обмотки.
• 100 или 8000 А, если речь идет о НТ, находящимся непосредственно в обмотке, и соответствует нормальной, стандартной работе генератора.

Следует знать, что НТ возбудителя должен составлять доли процентов от НТ генератора. Как правило, считают значения в 0,2-0,6 процентов от номинальной мощности гена.

Что касается быстродействия возбудителя, то оно зависит от скорости нарастания силы тока на обмотке индуктора (ротора).

СВ (система возбуждения) обязана рассчитываться в зависимости от работы АРВ. Другими словами, без АРВ работа допускается, но только на время, нужное для ремонта или замены. В остальных случаях использование АРВ обязательно.

СВ обязана обеспечивать ток в продолжительном режиме, превышая НТ генератора не менее чем на 10 процентов.

СВ также бывает полупроводниковой. В этом случае она должна иметь РВС (режим внутреннего сохранения).

Важно, чтобы защитные устройства, обеспечивающие стабильность во время перенапряжений, были многократного действия

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные  показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика U = f (i_в) при I = const и n = const (кривая 2 на рисунке 9) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рисунке 9) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. Х. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда I = 0. Обычно нагрузочную характеристику снимают при I = I_н.

Поясним, как с помощью характеристик 1 и 2 рисунка 9 можно построить характеристический треугольник. Пусть 0а соответствует значению U, для которого желательно построить треугольник (например, U = U_н). Тогда проведем горизонтальную линию аб и от точки б на нагрузочной характеристике отложим вверх отрезок бв = I × R_а, где I – ток, при котором снята нагрузочная характеристика. Проведя из точки в горизонтальный отрезок прямой до пересечения в точке г с х. х. х., получим горизонтальный катет гв искомого треугольника гвб. Доказательство справедливости такого построения можно развивать по аналогии с доказательством построения внешней характеристики (смотрите рисунок 6).

Если построенный таким или другим способом характеристический треугольник передвигать на рисунке 9 параллельно самому себе так, чтобы его вершина г скользила по х. х. х., то его вершина б очертит нагрузочную характеристику (штриховая кривая на рисунке 9). Эта характеристика несколько разойдется с опытной характеристикой 2, так как размер катета гв будет меняться вследствие изменений условий насыщения.

Точка д на рисунке 9 соответствует короткому замыканию генератора.

Все характеристики генераторов можно изобразить как в абсолютных величинах, так и в относительных единицах. В последнем случае характеристики однотипных машин, хотя бы и разной мощности, построенные в относительных единицах, мало отличаются друг от друга.

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

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

При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения уста­навливают ток I_во, при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восхо­дящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепен­но уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответст­вующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б).Нисходящая ветвь регу­лировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характери­стикой генератора.

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

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