Elektrické obvody jednosmerného prúdu a ich charakteristiky

Vlastnosti DC generátor sú určené hlavne spôsobom zapnutia budiacej cievky. Existujú nezávislé, paralelné, sériové a zmiešané generátory budenia:

• nezávisle budené: budiaca cievka je napájaná z externého zdroja jednosmerného prúdu (batéria, malý pomocný generátor nazývaný budič alebo usmerňovač),

• paralelné budenie: vinutie poľa je zapojené paralelne s vinutím kotvy a záťažou,

• sériové budenie: vinutie poľa je zapojené do série s vinutím kotvy a záťažou,

• so zmiešaným budením: existujú dve poľné vinutia - paralelné a sériové, prvé je zapojené paralelne s vinutím kotvy a druhé je zapojené do série s ním a záťažou.

Generátory s paralelným, sériovým a zmiešaným budením sú stroje s vlastným budením, pretože ich vinutia poľa sú napájané samotným generátorom.

Budenie jednosmerných generátorov: a — nezávislé, b — paralelné, c — sériové, d — zmiešané.

Všetky uvedené generátory majú rovnaké zariadenie a líšia sa len konštrukciou budiacich cievok. Cievky nezávislého a paralelného budenia sú z drôtu s malým prierezom, majú veľký počet závitov, cievka sériového budenia je z drôtu s veľkým prierezom, je malý počet závitov.

Vlastnosti jednosmerných generátorov sa hodnotia podľa ich charakteristík: voľnobeh, externé a riadiace. Nižšie sa pozrieme na tieto charakteristiky pre rôzne typy generátorov.

Nezávisle budený generátor

Charakteristickým znakom generátora s nezávislým budením (obr. 1) je, že jeho budiaci prúd Iv nezávisí od prúdu kotvy Ii, ale je určený len napätím Uv privádzaným do budiacej cievky a odporom Rv budiaceho obvodu. .

Ryža. 1. Schematický diagram nezávisle budeného generátora

Zvyčajne je prúd poľa nízky a predstavuje 2-5% menovitého prúdu kotvy. Na reguláciu napätia generátora je v obvode budiaceho vinutia často zahrnutý reostat na reguláciu Rpv. Na rušňoch sa prúd Iv reguluje zmenou napätia Uv.

Klidová charakteristika generátora (obr. 2, a) — závislosť napätia Uo pri voľnobehu od budiaceho prúdu Ib pri absencii zaťaženia Rn, to znamená pri In = Iya = 0 a pri konštantnej rýchlosti n. Naprázdno, keď je zaťažovací obvod otvorený, napätie generátora Uo sa rovná e. atď. v. Eo = cEFn.

Pretože pri odstraňovaní charakteristiky voľnobežných otáčok sa rýchlosť n nezmení, potom napätie Uo závisí len od magnetického toku F.Preto bude voľnobežná charakteristika podobná závislosti toku F na budiacom prúde Ia (magnetická charakteristika magnetického obvodu generátora).

Charakteristiku naprázdno je možné jednoducho experimentálne eliminovať postupným zvyšovaním budiaceho prúdu z nuly na hodnotu kde U0 = 1,25Unom a následným znižovaním budiaceho prúdu na nulu. V tomto prípade sa získajú vzostupné 1 a zostupné 2 vetvy charakteristiky. Divergencia týchto vetiev je spôsobená prítomnosťou hysterézie v magnetickom obvode stroja. Keď Iw = 0 vo vinutí kotvy, tok remanentného magnetizmu indukuje remanentné d atď. s Eost, čo je zvyčajne 2-4% menovitého napätia Unom.

Pri nízkych budiacich prúdoch je magnetický tok stroja malý, preto sa v tejto oblasti tok a napätie Uo mení priamo úmerne k budiacemu prúdu a počiatočná časť tejto charakteristiky je priamka. Pri zvyšovaní budiaceho prúdu sa magnetický obvod generátora saturuje a stúpanie napätia Uo sa spomaľuje. Čím väčší je budiaci prúd, tým silnejšia je saturácia magnetického obvodu stroja a tým pomalšie rastie napätie U0. Pri veľmi vysokých budiacich prúdoch sa napätie Uo prakticky prestane zvyšovať.

Charakteristika bez zaťaženia umožňuje odhadnúť hodnotu možných napäťových a magnetických vlastností stroja. Menovité napätie (uvedené v pase) pre stroje na všeobecné použitie zodpovedá nasýtenej časti charakteristiky ("koleno" tejto krivky).V generátoroch lokomotív vyžadujúcich širokorozsahovú reguláciu napätia sa používajú krivkové aj priamočiare nenasýtené časti charakteristiky.

D. d. C. stroj sa mení úmerne s otáčkami n, preto pre n2 < n1 leží voľnobežná charakteristika pod krivkou pre n1. Keď sa zmení smer otáčania generátora, zmení sa smer e. atď. c) je indukovaný vo vinutí kotvy a tým aj polarita kief.

Vonkajšou charakteristikou generátora (obr. 2, b) je závislosť napätia U od záťažového prúdu In = Ia pri konštantných otáčkach n a budiaceho prúdu Iv. Napätie generátora U je vždy menšie ako jeho e. atď. c) E o hodnotu úbytku napätia vo všetkých vinutiach zapojených do série v obvode kotvy.

Keď sa zaťaženie generátora zvyšuje (prúd vinutia kotvy IАЗ САМ — азЗ), napätie generátora klesá z dvoch dôvodov:

1) v dôsledku zvýšenia poklesu napätia v obvode vinutia kotvy,

2) v dôsledku poklesu e. atď. v dôsledku demagnetizačného pôsobenia toku kotvy. Magnetický tok kotvy trochu oslabuje hlavný magnetický tok Ф generátora, čo vedie k miernemu zníženiu jeho e. atď. v. E pri zaťažení proti e. atď. s Eo na voľnobeh.

Zmena napätia počas prechodu z režimu nečinnosti na menovité zaťaženie v uvažovanom generátore je 3 — 8℅ menovitého.

Ak zatvoríte vonkajší obvod pri veľmi nízkom odpore, to znamená skratujete generátor, jeho napätie klesne na nulu.Prúd vo vinutí kotvy Ik počas skratu dosiahne neprijateľnú hodnotu, pri ktorej môže vinutie kotvy vyhorieť. V strojoch s nízkym výkonom môže byť skratový prúd 10-15 násobok menovitého prúdu, vo vysokovýkonných strojoch môže tento pomer dosiahnuť 20-25.

Ryža. 2. Charakteristika generátora s nezávislým budením: a — voľnobeh, b — vonkajší, c — regul.

Regulačná charakteristika generátora (obr. 2, c) je závislosť budiaceho prúdu Iv od zaťažovacieho prúdu In pri konštantnom napätí U a frekvencii otáčania n. Ukazuje, ako upraviť budiaci prúd, aby sa napätie generátora udržalo konštantné pri zmene zaťaženia. Je zrejmé, že v tomto prípade, keď sa zaťaženie zvyšuje, je potrebné zvýšiť budiaci prúd.

Výhodou nezávisle budeného generátora je možnosť nastavenia napätia v širokom rozsahu od 0 do Umax zmenou budiaceho prúdu a malou zmenou napätia generátora pri zaťažení. Vyžaduje si to však externý jednosmerný zdroj na napájanie budiacej cievky.

Generátor s paralelným budením.

V tomto generátore (obr. 3, a) sa prúd vinutia kotvy Iya rozvetvuje do vonkajšieho zaťažovacieho obvodu RH (prúd In) a do budiaceho vinutia (prúd Iv), prúd Iv pre stroje stredného a vysokého výkonu je 2-5 % menovitej hodnoty prúdu vo vinutí kotvy Stroj využíva princíp samobudenia, pri ktorom je budiace vinutie napájané priamo z vinutia kotvy generátora. Samobudenie generátora je však možné len vtedy, ak je splnených niekoľko podmienok.

1.Na spustenie procesu samobudenia generátora je potrebné mať v magnetickom obvode stroja zvyškový tok magnetizmu, ktorý indukuje e vo vinutí kotvy. atď. dedina Eost. Toto napr. v. zabezpečuje tok cez obvod "vinutie kotvy - budiace vinutie" nejakého rozbehového prúdu.

2. Magnetický tok vytvorený budiacou cievkou musí byť nasmerovaný v súlade s magnetickým tokom zvyškového magnetizmu. V tomto prípade sa v procese samobudenia zvýši budiaci prúd Iv a tým aj magnetický tok Ф stroja e. atď. v. E. Toto bude pokračovať, kým sa v dôsledku nasýtenia magnetického obvodu stroja nezastaví ďalšie zvyšovanie F a teda E a Ib. Koincidencia v smere udávaných tokov je zabezpečená správnym pripojením budiaceho vinutia k vinutiu kotvy. Pri nesprávnom zapojení sa stroj odmagnetizuje (zvyškový magnetizmus zmizne) a napr. atď. c) E klesá na nulu.

3. Odpor budiaceho obvodu RB musí byť menší ako určitá hraničná hodnota nazývaná kritický odpor. Preto sa pre čo najrýchlejšie budenie generátora odporúča pri zapnutom generátore dať plný výstup z regulačného reostatu Rpv zapojeného do série s budiacou cievkou (pozri obr. 3, a). Táto podmienka tiež obmedzuje možný rozsah regulácie prúdu poľa, a tým aj napätia paralelne budeného generátora. Zvyčajne je možné znížiť napätie generátora zvýšením odporu obvodu budiaceho vinutia iba na (0,64-0,7) Unom.

Ryža. 3.Schematický diagram generátora s paralelným budením (a) a vonkajšie charakteristiky generátorov s nezávislým a paralelným budením (b)

Treba poznamenať, že samobudenie generátora vyžaduje proces zvyšovania jeho e. atď. s E a budiacim prúdom Ib došlo pri voľnobehu stroja. V opačnom prípade v dôsledku nízkej hodnoty Eost a veľkého vnútorného poklesu napätia v obvode vinutia kotvy môže napätie privedené na budiace vinutie klesnúť takmer na nulu a budiaci prúd sa nemôže zvýšiť. Preto by mala byť záťaž pripojená ku generátoru až potom, čo sa napätie na jeho svorkách priblíži k nominálnej hodnote.

Pri zmene smeru otáčania kotvy sa mení polarita kief a tým aj smer prúdu v budiacom vinutí, v tomto prípade je generátor demagnetizovaný.

Aby sa tomu zabránilo, pri zmene smeru otáčania je potrebné prepnúť vodiče spájajúce budiacu cievku s cievkou kotvy.

Vonkajšia charakteristika generátora (krivka 1 na obr. 3, b) predstavuje závislosť napätia U od záťažového prúdu In pri konštantných hodnotách rýchlosti n a odporu hnacieho obvodu RB. Leží pod vonkajšou charakteristikou nezávisle budeného generátora (krivka 2).

Vysvetľuje to skutočnosť, že okrem rovnakých dvoch dôvodov, ktoré spôsobujú pokles napätia so zvyšujúcim sa zaťažením v nezávisle budenom generátore (pokles napätia v obvode kotvy a demagnetizačný účinok reakcie kotvy), existuje ešte tretí dôvod v uvažovaný generátor — zníženie budiaceho prúdu.

Pretože budiaci prúd IB = U / Rv, to znamená, že závisí od napätia U stroja, potom s poklesom napätia z týchto dvoch dôvodov magnetický tok F a e klesá. atď. v. generátor E, čo vedie k ďalšiemu poklesu napätia. Maximálny prúd Icr zodpovedajúci bodu a sa nazýva kritický.

Pri skratovaní vinutia kotvy je prúd Ic paralelne budeného generátora malý (bod b), pretože v tomto režime je napätie a budiaci prúd nulové. Skratový prúd teda vzniká len napr. atď. od zvyškového magnetizmu a je (0,4 ... 0,8) Inom .. Vonkajšia charakteristika sa delí od bodu a na dve časti: horná — pracovná a spodná — nepracovná.

Zvyčajne sa nepoužíva celá pracovná časť, ale iba jej určitý segment. Prevádzka úseku ab vonkajšej charakteristiky je nestabilná, stroj v tomto prípade prejde do režimu zodpovedajúceho bodu b, t.j. v režime skratu.

Bezzáťažová charakteristika generátora s paralelným budením je braná s nezávislým budením (keď prúd v kotve Iya = 0), preto sa nijako nelíši od zodpovedajúcej charakteristiky pre generátor s nezávislým budením (pozri obr. 2, a). Riadiaca charakteristika generátora s paralelným budením má rovnaký tvar ako charakteristika generátora s nezávislým budením (pozri obr. 2, c).

Generátory s paralelným budením sa používajú na napájanie elektrických spotrebičov v osobných automobiloch, automobiloch a lietadlách, ako sú generátory na pohon elektrických lokomotív, dieselových lokomotív a železničných vozňov a na nabíjanie akumulátorov.

Sériový generátor budenia

V tomto generátore (obr.4, a) budiaci prúd Iw sa rovná záťažovému prúdu In = Ia a pri zmene záťažového prúdu sa napätie výrazne mení. Pri voľnobehu sa v generátore indukuje malá emisia. atď. v. Eri, vytvorený tokom zvyškového magnetizmu (obr. 4, b).

Keď sa záťažový prúd zvyšuje Ii = Iv = Iya, magnetický tok sa zvyšuje, napr. atď. p a napätia generátora, toto zvýšenie, podobne ako u iných samobudených strojov (paralelne budený generátor), pokračuje až do určitej hranice v dôsledku magnetickej saturácie stroja.

Keď sa záťažový prúd zvýši nad Icr, napätie generátora začne klesať, pretože budiaci magnetický tok v dôsledku nasýtenia sa takmer prestane zvyšovať a demagnetizačný účinok reakcie kotvy a pokles napätia v obvode vinutia kotvy IяΣRя sa naďalej zvyšujú. Zvyčajne je prúd Icr oveľa vyšší ako menovitý prúd. Generátor môže stabilne pracovať len na časti ab vonkajšej charakteristiky, t.j. pri zaťažovacích prúdoch vyšších ako nominálne.

Pretože v sériovo budených generátoroch sa napätie veľmi mení so zmenami zaťaženia a pri prevádzke naprázdno je blízko nule, nie sú vhodné na napájanie väčšiny elektrických spotrebičov. Používajú sa iba pri elektrickom (reostatickom) brzdení motorov so sériovým budením, ktoré sa následne prevedú do generátorového režimu.

Ryža. 4. Schematický diagram generátora sériového budenia (a) a jeho vonkajšia charakteristika (b)

Generátor zmiešaného budenia.

V tomto generátore (obr. 5, a) je najčastejšie paralelná budiaca cievka hlavná a sériová je pomocná.Obe cievky majú rovnakú polaritu a sú zapojené tak, že nimi vytvárané magnetické toky sa sčítavajú (súladné spínanie) alebo uberajú (opačné spínanie).

Generátor so zmiešaným budením, keď sú jeho budiace vinutia zapojené v zhode, umožňuje získať približne konštantné napätie pri zmene zaťaženia. Vonkajšia charakteristika generátora (obr. 5, b) môže byť v prvej aproximácii reprezentovaná ako súčet charakteristík vytvorených každou budiacou cievkou.

Ryža. 5. Schéma generátora so zmiešaným budením (a) a jeho vonkajšie charakteristiky (b)

Keď je zapnuté len jedno paralelné vinutie, ktorým prechádza budiaci prúd Iв1, napätie generátora U so zvyšujúcim sa zaťažovacím prúdom In (krivka 1) postupne klesá.Pri zapnutí jedného sériového vinutia, ktorým preteká budiaci prúd Iw2 = In . napätie U rastie so zvyšujúcim sa prúdom In (krivka 2).

Ak zvolíme počet závitov sériového vinutia tak, aby pri menovitej záťaži ním vytvorené napätie ΔUPOSOL kompenzovalo celkový úbytok napätia ΔU, keď stroj pracuje len s jedným paralelným vinutím, potom je možné dosiahnuť, že napätie U zostáva takmer nezmenené, keď sa záťažový prúd zmení z nuly na menovitú hodnotu (krivka 3). V praxi sa pohybuje v rozmedzí 2-3%.

Zvýšením počtu závitov sériového vinutia je možné získať charakteristiku, kde napätie UHOM bude mať väčšie napätie Uo na voľnobeh (krivka 4), táto charakteristika poskytuje kompenzáciu úbytku napätia nielen vnútorného odporu vinutia. obvode kotvy generátora, ale aj vo vedení, ktoré ho spája so záťažou. Ak je sériové vinutie zapnuté tak, že ním vytvorený magnetický tok smeruje proti toku paralelného vinutia (proti komutácia), potom vonkajšia charakteristika generátora s veľkým počtom závitov sériového vinutia bude prudko klesať (krivka 5).

Reverzné zapojenie sériových a paralelných budiacich vinutí sa používa vo zváracích generátoroch pracujúcich v podmienkach častých skratov. V takýchto generátoroch v prípade skratu sériové vinutie takmer úplne demagnetizuje stroj a znižuje skratový prúd. na hodnotu, ktorá je pre generátor bezpečná.

Generátory s budiacimi vinutiami s opačným zapojením sa na niektorých dieselových lokomotívach používajú ako budiče trakčných generátorov, zabezpečujú stálosť výkonu dodávaného generátorom.

Takéto patogény sa používajú aj na elektrických jednosmerných lokomotívach. Napájajú budiace vinutia trakčných motorov, ktoré pracujú v regeneratívnom režime počas regeneratívneho brzdenia a poskytujú strmo klesajúce vonkajšie charakteristiky.

Zmiešané budenie generátora je typickým príkladom regulácie porúch.

Generátory jednosmerného prúdu sú často zapojené paralelne, aby fungovali v spoločnej sieti.Predpokladom pre paralelnú prevádzku generátorov s rozložením zaťaženia úmerným menovitému výkonu je identita ich vonkajších charakteristík. Pri použití generátorov so zmiešaným budením musia byť ich sériové vinutia pre vyrovnávacie prúdy spojené v spoločnom bloku vyrovnávacím vodičom.