6.1. Расчет генератора постоянного тока с параллельным возбуждением
Для
расчета генератора постоянного тока
с параллельным
возбуждением необходимо:
усвоить
устройство и принцип действия
электрических машин постоянного
тока; знать формулы,
выражающие взаимосвязь между
электрическими величинами, характеризующими
данный тип электрической машины.
—
отчетливо представлять связь между
напряжением U
на зажимах машины, ЭДС Е
и падением напряжения IR
в
обмотке якоря генератора и двигателя.
Для
генератора Е
=U+
IЯ·
∑R,
для
двигателя U
= Е + IЯ·
∑R
В этих
формулах ∑R=
RЯ+
RДП
+
RКО
+
RС
+
RЩ
— сумма сопротивлений всех участков
цепи якоря: RЯ
— обмотки якоря;
RДП
— обмотки добавочных полюсов; RКО
— компенсационной обмотки;
RЩ
— переходного щеточного контакта;
RС
— последовательной
обмотки возбуждения.
При
отсутствии в машине (это зависит от её
типа и предложенной задачи) каких-либо
из указанных обмоток в формулу,
определяющую ∑R,
не входят соответствующие слагаемые.
Полезный
вращающий момент М
на валу двигателя определяется по
формуле
M
=
Н·м,
где
Р2
—
полезная механическая мощность,
Вт.
n
— об/мин.
– частота вращения вала двигателя.
Пример
Генератор
постоянного тока с параллельным
возбуждением работает в номинальном
режиме.
Его технические
данные:
РНОМ
=16000Вт — номинальная мощность;
Uном
=230 В — номинальное напряжение;
RЯ=0,13
Ом — сопротивление обмотки якоря;
RВ=164
Ом — сопротивление обмотки возбуждения;
ηНОМ
= 90,1
%
номинальный коэффициент полезного
действия.
Определить:
Iном
— ток нагрузки, I
B
— ток возбуждения,
I
Я
—
ток якоря,
РЯ
—
потери мощности в якоре,
РВ
—
потери мощности в обмотке возбуждения,
РЩ
— потери мощности в щеточном контакте,
РХ
=
РСТ
+РМЕХ
— потери холостого хода, состоящие из
потерь в стали и механических потерь.
РДОБ
—
добавочные потери,
∑P
—
суммарные потери мощности,
Е
— ЭДС генератора.
Решение
I.
Ток нагрузки
Iном
= Рном
/
Uном
=16000 Вт / 230 В = 69,6 А
2.
Ток возбуждения IB
=
U
H
0M
/
R
B
= 230 В / I64
Ом = 1,4 А.
3.
Ток якоря
Iя
=
Iном
+ Iв
=69,6
А + 1,4 А = 71 А
4.
Потери мощности в обмотке якоря
Ря
=
I2я
·
Rя
=712
А2
·0,13 Ом = 655
Вт.
5.
Потери мощности в обмотке возбуждения
РВ
= I2В
·
RВ
=1,42
А2
·
164 Ом
= 321 Вт.
6.
Потери мощности в щеточном контакте
Рщ
=
∆ UЩ
·
Iя=2
В • 71 А= 1428 Вт.
Здесь
∆ UЩ
= 2 В —
падение
напряжения на электрографитированных
щетках.
7.
Добавочные потери мощности РДОБ
=
0,01·РНОМ
= 0,01 • 16000 Вт = 160 Вт.
8.
Мощность,
потребляемая генератором от первичного
двигателя
Р1
=
Рном
/ ηНОМ
=
16000 Вт / 0,901 = 17758 Вт
9.
Суммарные потери мощности в генераторе
∑Р
= Р1
–
Рном
= 17758 Вт –16000 Вт = 1758 Вт
10.
Потери холостого хода, состоящие из
потерь в стали и механических потерь
Рх
= ∑Р –
(РЯ+
РВ
+
РЩ+
РДОБ)
=
1758 Вт – (655+321+142+160) Вт = 480 Вт
11.
ЭДС генератора, без учета потерь в
щеточном контакте
Е =
U+
IЯ
·
Rя
= 230 В + 71 А · 0,13 Ом = 239,23 В
С
учетом потерь в щеточном контакте
Е =U+
IЯ
· (Rя
+ Rщ)=
U
+(Iя
· Rя
+∆ UЩ)
=230 В+(71 0,13
Ом +2 В) = 241,23 В
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.
Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.
Устройство и принцип работы
В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.
По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.
Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinwt; e2 = -Blvsinwt; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, wt – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.
При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.
Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.
Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.
Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.
С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.
И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.
Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.
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.
Технические характеристики генератора постоянного тока
Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:
- зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
- характеристики внешних параметров;
- регулировочные величины.
Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).
В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.
Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.
Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.
В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.
В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).
Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.
Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.
В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.
Реакция якоря
Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.
Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.
ЭДС
Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.
Мощность
Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.
КПД
Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.
На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.
Применение
До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.
На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.
Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.
Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.
Видео по теме
Список использованной литературы
- Вольдек А. И., Попов В. В. «Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы» 2008
- О.А.Косарева «Шпаргалка по общей электротехники и электроники»
- Китаев В. Е., Корхов Ю. М., Свирин В. К. «Электрические машины» Часть 1. Машины постоянного тока. 1978
- Данилов И.А., Лотоцкий К.В. «Электрические машины» 1972
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №11
«Расчет параметров генераторов постоянного тока»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: рассчитать ток генератора в
номинальном режиме, ЭДС генератора, номинальное изменение напряжения, ток в
обмотке возбуждения, ток в цепи якоря при номинальной нагрузке.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС 
. При
подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:
. (11.1)
Здесь
(11.2)
—
сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки
якоря 
, обмотки добавочных полюсов 
, компенсационной
обмотки 
, последовательной обмотки
возбуждения 
и переходного щеточного контакта 
.
При отсутствии в машине
каких-либо из указанных обмоток в (11.2) не входят
соответствующие слагаемые.
Якорь генератора приводится во вращение
приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент 
. Если генератор работает в режиме х.х. 
, то
для вращения его якоря нужен
сравнительно небольшой момент холостого
хода 
. Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.
При неизменной частоте
вращения 
вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом
х.х. и электромагнитным моментом М, т.
е.
. (11.3)
Выражение (11.3) — уравнение
моментов для генератора при 
. Умножив члены уравнения (11.3) на угловую
скорость вращения якоря 
, получим уравнение мощностей:
, (11.4)
где 
— подводимая от
приводного двигателя к генератору мощность (механическая); 
— мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к
генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); 
— электромагнитная мощность генератора.
Механическая мощность,
развиваемая приводным
двигателем 
, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность 
, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь
.
Так как генераторы обычно
работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.
Характеристика холостого
хода — зависимость
напряжения на выходе
генератора в режиме х.х. 
от тока возбуждения 
:
при 
и .
Нагрузочная характеристика
— зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения :
при 
и .
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U
от тока нагрузки 
:
при 
и ,
где 
—
регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.
Регулировочная
характеристика —
зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выходе генератора:
при 
и .
Вид
перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов
постоянного тока.
При
оценке свойств генераторов постоянного тока используется понятие номинального
изменения напряжения на выходе генератора при сбросе нагрузки: 
(11.5)
Обычно для генератора независимого возбуждения 
.
Характеристика 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 .
При работе
генератора без нагрузки в цепи возбуждения устанавливают ток 
, при котором напряжение на
выводах генератора становится равным номинальному.
В генераторе
постоянного тока независимого возбуждения ток в обмотке возбуждения
определяется по формуле: Iв= Uном /rв. (11.6)
Ток в цепи якоря при номинальной нагрузке: Iаном= Iном+ Iв. (11.7)
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:
1.
Решить
задачу №1. Генератор постоянного тока независимого возбуждения мощностью Рном
и напряжением Uном имеет
сопротивление обмоток в цепи якоря, приведенное к рабочей температуре, Σr ; в
генераторе применены электрографитированные щетки марки ЭГ (∆Uщ
=
2,5 В). Определить номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки.
Значения параметров приведены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
|
Параметр |
Варианты |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Рном |
20 |
45 |
15 |
90 |
80 |
30 |
18 |
|
Uном, |
230 |
460 |
230 |
460 |
460 |
230 |
230 |
|
Σr, |
0,12 |
0,22 |
0,15 |
0,12 |
0,11 |
0,08 |
0,13 |
Решение:
— определить ток в номинальном режиме Iаном;
— определить ЭДС генератора Ea,
выразив его из уравнения
напряжений (10.18) ;
—определить
номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки ∆Uном.
2.
Решить
задачу №2. Генератор постоянного тока параллельного возбуждения имеет
номинальные данные: мощность Рном, напряжение Uном, частота
вращения nном,
сопротивление обмоток в цепи якоря, приведенное к рабочей температуре, Σr, падение
напряжения в щеточном контакте пары щеток ∆Uщ
= 2 В, сопротивление цепи обмотки возбуждения
rв, КПД в
номинальном режиме ηном, ток генератора Iном, ток в
цепи возбуждения Iв, ток в
цепи якоря Iаном, ЭДС
якоря Еаном, электромагнитная
мощность Рзм, электромагнитный момент при номинальной нагрузке Мном,
мощность приводного двигателя Р1ном.
Значения перечисленных параметров
приведены в табл. 11.2. Требуется определить значения параметров, не указанных
в таблице.
Таблица 11.2
|
Параметр |
Варианты |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Рном , кВт |
10 |
— |
— |
18 |
45 |
|
Uном, В |
230 |
230 |
460 |
230 |
— |
|
nном , об/мин |
1450 |
— |
— |
1500 |
1000 |
|
Σr , Ом |
0,3 |
0,15 |
— |
— |
— |
|
rв , Ом |
150 |
100 |
— |
— |
92 |
|
ηном , % |
86,5 |
— |
88 |
— |
88 |
|
Iном , А |
— |
87 |
— |
— |
97,8 |
|
Iв ,А |
— |
— |
4 |
— |
— |
|
Iаном ,А |
— |
— |
— |
75 |
— |
|
Еа, В |
— |
— |
480 |
240 |
477 |
|
Рзм.ном, |
— |
— |
55 |
— |
— |
|
Мном, Н•м |
— |
280 |
525 |
— |
— |
|
Р1ном , кВт |
— |
23 |
— |
21 |
— |
3.
Оформить отчет по практической работе.
4.
Ответить на контрольные вопросы.
5.
Сделать вывод о проделанной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Что происходит в цепи якоря при подключении
к генератору нагрузки?
2. Чем якорь генератора приводится во вращение и что происходи на валу в
этот момент?
3. Во что в генераторе преобразуется механическая мощность, развиваемая приводным двигателем?
4. Что такое регулировочная характеристика?
5. Что такое нагрузочная характеристика?
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Ea. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:
. (28.1)
Здесь
![clip_image002[4]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2015/03/clip_image0024_thumb1.gif "clip_image002[4]")
(28.2)
сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря ra , обмотки добавочных полюсов rД , компенсационной обмотки rк.о., последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта rщ.
При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.
Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М1 Если к генератору не подключена нагрузка (работает в режиме х.х. Ia=0 ), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода M0. Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.
При работе генератора с подключенной нагрузкой в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).
Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока
При неизменной частоте вращения n = const вращающий момент приводного двигателя M1 уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом х.х. M0 и электромагнитным моментом М, т. е.
![clip_image002[9]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2015/03/clip_image0029_thumb.gif "clip_image002[9]")
. (28.3)
Выражение (28.3) —называется уравнением моментов для генератора при постоянной частоте нагрузки. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря ω, получим уравнение мощностей:
![clip_image002[11]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2015/03/clip_image00211_thumb.gif "clip_image002[11]")
, (28.4)
где P1 = M1ω — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (механическая); P0 = M0ω мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); PЭМ = Mω— электромагнитная мощность генератора.
Согласно (25.27), получим
,
или с учетом (28.1)
![clip_image002[28]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2015/03/clip_image00228_thumb1.gif "clip_image002[28]")
, (28.5)
где P2 — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощность, отдаваемая генератором нагрузке; PЭa — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря .
Учитывая потери на возбуждение генератора PЭВ, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:
![clip_image002[30]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2015/03/clip_image00230_thumb1.gif "clip_image002[30]")
. (28.6)
Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем P1, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность P2, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь
![clip_image008[6]](https://electrikam.com/wp-content/uploads/2015/03/clip_image0086_thumb.gif "clip_image008[6]")
.
Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии n = const.
Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока.
Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U0 от тока возбуждения IВ:
Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения IВ:
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:
Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения IВ от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора
Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока которые во многом зависят от способа включения генератора в схему, поэтому мы рассмотрим каждый способ включения по отдельности.
Классификация генераторов постоянного тока в зависимости от схемы включения:
- Независимого возбуждения
- Параллельного возбуждения
- Смешанного возбуждения
Примеры решения задач
Пример 1. Генератор постоянного тока параллельного возбуждении имеет номинальную
мощность P
2
=10 кВт; номинальное напряжение U = 230 В; частоту вращения n =1450 об/мин;
сопротивление обмоток цепи обмотки возбуждения R
В
=150 Ом; сопротивление обмоток
якоря R
Я
= 0,3 Ом; КПД в номинальном режиме η = 86,5 %. Падением напряжения в
щеточном контакте пренебречь.
Определить: ток генератора, ток в цепи возбуждения, ток в цепи якоря, ЭДС якоря, электро—
магнитный момент, электромагнитная мощность, мощность приводного двигателя.
Генератор работает при номинальной нагрузке.
Решение:
Ток генератора:
Ток в обмотке возбуждения: I
В
=
Ток в цепи якоря: I
Я
= I + I
В
= 43,5 +1,5 = 45А.
ЭДС якоря: E =U + I
Я
R
Я
= 230 + 45 0,3 = 243,5 В.
Электромагнитная мощность: P
эм
= E I
Я
= 243,5 45 =10957 Вт .
Электромагнитный момент: M
эм
= 9,55
Мощность приводного двигателя: P
1
=
Пример 2. В генераторе постоянного тока независимого возбуждения с номинальным
напряжением U = 440 В установился ток I = 64 А при частоте якоря n = 2800 об/мин. В новом
режиме работы нагрузка и магнитный поток не изменились, но частота якоря стала
n* = 740 об/мин.
Определить напряжение и ток в генераторе в новом режиме.
Решение:
В генераторе независимого возбуждения ток генератора равен току якоря, т.е. I = I
Я
.
В номинальном режиме:
Напряжение на нагрузке U = I R
Н
.
ЭДС якоря E =U + I R
Я
= I R
Н
+ I R
Я
, с другой стороны E = С
Е
п Ф.
Получили: I R
Н
+ I R
Я
= С
Е
п Ф.
В новом режиме, соответственно:
E* =U* + I* R
Я
= I* Rн + I* R
Я
= С
Е
п* Ф.
Возьмем отношение, полученных уравнений и получим:
I*=
A и
U* =
B
Пример 3. В электродвигателе постоянного тока с параллельным возбуждением, имеющим
номинальные данные: мощность на валу P
2
=130 кВт ; напряжение U = 220 В; ток,
потребляемый из сети I = 640 А; частоту вращения n = 600 об/мин; сопротивление цепи
обмотки возбуждения R
В
= 43 Ом; сопротивление обмотки якоря R
Я
= 0,007 Ом.
Определить номинальные суммарные и электрические потери в обмотках.
Решение:
Ток в обмотке возбуждения: I
В
=
Ток в цепи якоря: I
Я
= I − I
В
= 640-5,116 = 634,884 A.
Электрические потери мощности
в цепи якоря: ΔP
эл
Я
= I
Я
2
R
Я
= 634,884
2
0,007 = 2821,544 Вт;
в обмотке возбуждения:
ΔP
эл B
= I
B
2
R
B
=U I
B
= 220 5,116=1125,52 Вт .
Суммарные потери мощности:
ΣΔP = ΔP
эл B
+ ΔP
эл Я
=1125,52 + 2821,544 = 3947,064 Вт .