Генераторы постоянного тока В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС: Ток в проводниках обмотки якоря I а, взаимодействуя с магнитным полем, создает на якоре электромагнитный момент М, который в генераторе направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя, т.е. является тормозящим. При подключении к генератору нагрузки, в цепи якоря возникает ток I а, а на нагрузке устанавливается напряжение: - уравнение напряжений генератора При неизменной частоте вращения ( n=const ) вращающий момент приводного двигателя М 1 уравновешивается суммой противодействующих моментов: - уравнение моментов генератора М 0 – момент х. х., т.е. момент, создаваемый силами трения и действием вихревых токов в якоре.
Генераторы постоянного тока Умножив уравнение моментов на угловую скорость вращения получим уравнение мощностей: где - механическая мощность подводимая к генератору, - мощность х. х. (подводимая к генератору в режиме х. х., т. е. при отключенной нагрузке); - электромагнитная мощность генератора. С другой стороны тогда где - полезная мощность генератора, т.е. мощность отдаваемая генератором нагрузке; - мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря. В результате, учитывая потери на возбуждение, получаем уравнение мощностей генератора: Механическая мощность, развиваемая приводным двигателем, преобра-зуется в генераторе в полезную мощность, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь
Основные характеристики генераторов постоянного тока 1. Характеристика холостого хода – зависимость U 0 = f ( I в ), при I = 0 и n = const. 2. Нагрузочная характеристика – зависимость U а = f ( I в ), при I = const и n = const. 3. Внешняя характеристика – зависимость U а = f ( I а ), при r рг = const и n = const. r рг - регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения. 4. Регулировочная характеристика – зависимость I в = f ( I а ), при U а = const и n = const. Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока.
Генератор постоянного тока независимого возбуждения Я1 Я2 G А V r рг А r н I в I а 1. Характеристика холостого хода U 0 = f ( I в ), при I а = 0 и n = const. Обмотка возбуждения питается от внешнего, независимого от якорной цепи, источника постоянного тока. восходящая ветвь нисходящая ветвь U 0 I в +Е ост -Е ост расчетная характеристика Е ост – остаточная ЭДС, обусловленная явлением остаточного намагничивания. Характеристика U 0 = f ( I в ) повторяет в другом масштабе магнитную характе-ристику машины и дает возможность судить о магнитных свойствах машины
нагрузочная характеристика U I в характеристика холостого хода Генератор постоянного тока независимого возбуждения 2. Нагрузочная характеристика – зависимость U а = f ( I в ), при I = const и n = const. b e c a d I в2 I в1 a’ b’ c’ Нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики холостого хода по следующим причинам: 1 – падение напряжения в обмотке якоря ; 2 – размагничивающее воздействие реакции якоря на магнитный поток Ф и, следовательно, снижение Е а. Треугольник a b c – характеристический. ab – падение напряжения на обмотке якоря ; ae – напряжение на выходе генератора U под нагрузкой; Его катеты выражают: bc – ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее воздействия реакции якоря ; be – ЭДС генератора Е а под нагрузкой; de – напряжение на выходе генератора U 0 в режиме холостого хода при токе возбуждения.
Генератор постоянного тока независимого возбуждения 3. Внешняя характеристика U а = f ( I а ), при I в = const и n = const. 1 – падением напряжения в обмотке якоря ; 2 – размагничивающим воздействием реакции якоря на магнитный поток. Изменение напряжения на якоре Δ U при изменении нагрузки от 0 до I ном обусловлено: I а 0 U а U 0 I ном U ном Δ U 4. Регулировочная характеристика I в = f ( I а ), при U а = const и n = const. I а 0 I в 1 Эта характеристика показывает каким образом необходимо регулировать ток возбуждения I в при изменении нагрузки, чтобы напряжение на выходе генера-тора U а оставалось неизменным.
Генератор постоянного тока параллельного возбуждения. Условие самовозбуждения Я1 Я2 G А V r рг А r н Ш1 Ш2 М Принцип самовозбуждения ГПТ параллельного возбуждения основан на способности магнитной системы длительное время сохранять небольшой магнитный поток остаточного магнетизма. от При вращении якоря поток Ф ост индуцирует в якорной обмотке ЭДС Е ост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток I в ост Если МДС обмотки возбуждения имеет такое же направление, что и Ф ост, то поток главных полюсов увеличивается. Это приводит к увеличению ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличивается. Этот процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е.
Генератор постоянного тока параллельного возбуждения. Условие самовозбуждения 1 – характеристика холостого хода U 0 = f ( I в ), при n = n ном ; 2 – характеристика I в r в = f ( I в ), при r в > r в кр ; 3 – характеристика I в r в = f ( I в ), при r в < r в кр ; U 0 I в 0 Е ост 1 2 3 4 – характеристика холостого хода U 0 = f ( I в ), при n = 0,5 n ном ; 4 Условие самовозбуждения генератора параллельного возбуждения: 1. магнитная система должна обладать остаточным магнетизмом; 2. присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы МДС обмотки возбуждения совпадала с остаточным потоком Ф ост ; 3. сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше критического, т. е. r в < r в кр ; 4. частота вращения якоря должна быть больше критической, т. е. n > n кр.
1 – ГПТ независимого возбуждения Основные характеристики ГПТ параллельного возбуждения 1. Характеристика холостого хода – зависимость U 0 = f ( I в ), при I = 0 и n = const. Так как ГПТ параллельного возбуждения самовозбуждается лишь при одном направ-лении тока I в, то характеристика х. х. может быть снята только для одного квадранта осей координат. U 0 I в 0 Е ост 2. Нагрузочная характеристика U а = f ( I в ), при I = const и n = const. практически не отличается от характеристики ГПТ независимого возбуждения. 3. Внешняя характеристика U а = f ( I а ), при r рг = const и n = const. 2 – ГПТ параллельного возбуждения I а 0 U а 1 2 I ном U ном Δ U I к.з. 3 I кр 3 – «постепенное» короткое замыкание I * к.з. 4 4 – «внезапное» короткое замыкание
Основные характеристики ГПТ параллельного возбуждения 4. Регулировочная характеристика I в = f ( I а ), при U а = const и n = const. I а 0 I в 1 2 1 – ГПТ независимого возбуждения 2 – ГПТ параллельного возбуждения
Генератор постоянного тока смешанного возбуждения Я1 Я2 G А V r рг А r н Ш1 Ш2 С1 С2 М I а 0 U а паралл. возб. смешанн. возб. встречн. вкл. смешанн. возб. согласн. вкл. Основной магнитный поток создается обмоткой параллельного возбуждения. Согласное включение обмоток параллельного и последовательного возбуждения (направления МДС обмоток совпадают) обеспечивает более жесткую внешнюю характеристику. МДС обмотки последовательного возбуждения компенсирует размагничивающее влияния реакции якоря и падение напряжения в якоре. При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика будет более «мягкой» из-за размагничивающего влияния последовательной обмотки возбуждения. Встречное включение применяют тогда, когда надо получить круто падающую внешнюю характеристику, например, у сварочных генераторов.
Генератор постоянного тока смешанного возбуждения Регулировочная характеристика I в = f ( I а ), при U а = const и n = const. I а 0 I в 1 1 – ГПТ параллельного возбуждения; 2 – ГПТ смешанного возбуждения (согласное включение ОВ); 2 3 3 – ГПТ смешанного возбуждения (встречное включение ОВ).
Магнитные потери В процессе работы машины постоянного тока перемагничивается только сердечник якоря. В сердечнике якоря основные магнитные потери где Р м z – магнитные потери в зубцовом слое якоря; Р м c – магнитные потери в спинке якоря. Электрические потери Потери в цепи возбуждения где U в – напряжение на зажимах цепи возбуждения Потери в цепи якоря где ∑ r – сопротивление в цепи якоря Потери в контакте щеток где Δ U щ – переходное падение напряжения на щетках обеих полярностей Потери в МПТ: основные (магнитные, электрические и механические) и добавочные.
Механические потери где Р к – потери от трения щеток о коллектор; Р п – потери от трения в подшипниках; Р вен – вентиляционные потери. - потерь от вихревых токов в меди обмоток, - потерь в уравнительных соединениях, - потерь в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, - потерь в полюсных наконечниках при пульсации основного магнитного потока вследствие зубчатого якоря и т.д. В МПТ без компенсационной обмотки от полезной мощности В МПТ с компенсационной обмоткой от полезной мощности Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины и называются переменными. Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными. Добавочные потери складываются из:
Подводимая мощность Р 1 Для генератора – механическая мощность Для двигателя – электрическая мощность Полезная мощность Р 2 Для генератора – электрическая мощность Для двигателя – механическая мощность Коэффициент полезного действия: Суммарная мощность потерь
Для генератора Для двигателя Для машин с мощностью от 1 до 100 кВт КПД - от 75% до 90%. Для машин с мощностью более 100 кВт КПД - от 90% до 97%. Коэффициент полезного действия машины постоянного тока Р 2 max 0,6 ÷ 0,8 Р н КПД можно определить: 1) методом непосредственной нагрузки – по результа-там измерений подведенной и отдаваемой мощностей (Применяется для машин малой мощности). 2) косвенным методом – по результатам измерения потерь. Из опыта х.х. определяются магнитные и механические потери, а электрические потери рассчитываются после измерения электрических сопротивлений.
