Уравнение моментов генератора постоянного тока - NEVINKA-INFO.RU

Уравнение моментов генератора постоянного тока

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Ea. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на

Уравнение моментов генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока ГПТ: основные понятия.

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:

сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря ra , обмотки добавочных полюсов rД , компенсационной обмотки rк., 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 M. 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. M и электромагнитным моментом М, т. е.

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:

, (28.4)

где P1 = M1ω — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая); P = Mω 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)

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:

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем P1, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность P2, передаваемую нагрузке, и мощ­ность, затрачиваемую на покрытие потерь

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. U 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.

Уравнение моментов генератора постоянного тока

УРАВНЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Основные соотношения, характеризующие работу машины в качестве генератора, можно представить в виде приведенных ниже уравнений. Эти уравнения справедливы для всех генераторов независимо от способа их возбуждения.

Уравнение равновесия напряжения. Напряжение на выводах генератора U всегда меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения, т. е.

U = E IaΣra ΔUщ.

Падение напряжения в цепи якоря состоит из двух составляющих: IaΣra падение напряжения в обмотках и ΔUщ. — падение напряжения в щеточном контакте. Сопротивление Σra включает в себя сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае

Σra = ra + rд.+ rс + rк,

где ra, rд, rс, rк сопротивления обмоток: якоря, дополнительных полюсов, последовательной и компенсационной.

В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в (2) будет отсутствовать.

Для приближенных расчетов уравнение (1) можно упростить:

U = E Ia Ra,

(3)

где Ra=Σra+rщ. Переходное сопротивление щеточного контакта rщ приближенно принимается постоянным и равным

rщ = ΔUщ/ Ia, ном.

Ток якоря генератора Ia обусловлен ЭДС E и всегда имеет с ней одинаковое направление:

Ia = (E U)/Ra.

(4)

Уравнение баланса мощностей. Это уравнение получим, если правую и левую части (1) умножим на ток Ia:

Произведение E Ia=Pэм называется электромагнитной мощностью и представляет собой суммарную электрическую мощность, которая получается в результате преобразования механической мощности. Часть этой мощности расходуется в цепи якоря на электрические потери в обмотках (I 2 aΣra= Pэ,а) и в переходном сопротивлении щеточного контакта (ΔUщIa= Pэ,щ).

Остальная часть мощности, равная произведению UIa, является отдаваемой мощностью генератора. В генераторах независимого возбуждения эта мощность поступает во внешнюю сеть и представляет собой полезную мощность генератора P2:

(5)

В генераторах параллельного и смешанного возбуждения полезная мощность P2, отдаваемая в сеть, меньше на значение мощности, затрачиваемой на возбуждение:

P2 = UIa Pв.

К генератору от двигателя, приводящего во вращение его якорь ,подводится механическая мощность P1. Большая часть этой мощности преобразуется в электромагнитную Pэм, а другая ее часть расходуется в генераторе на покрытие механических потерь Pмх(трение в подшипниках, вентиляцию), магнитных потерь в стали якоря Pм и добавочных потерь Pд:

P1 = Pэм + Pмх.+ Pм + Pд.

Для генераторов независимого возбуждения мощность, затрачиваемая на возбуждение, поступает от постороннего источника, поэтому в левой части (7) следует принимать

P1 = Pэм + Pмх.+ Pм + Pд + Pв.

Отношение P2/P1=η представляет собой КПД генератора.

Рассмотренное преобразование мощности в генераторах постоянного тока для наглядности можно представить в виде энергетической диаграммы (рис. 2). Эта диаграмма построена для генератора параллельного возбуждения.

Уравнение равновесия моментов. Поделив правую и левую части уравнения (7) на угловую скорость якоря Ω=2πn/60, получим уравнение момента:

P1 = Pэм/Ω + (Pмх.+ Pм + Pд)/Ω,

М1 = М + (Pмх.+ Pм + Pд)/Ω.

Электромагнитный момент М в генераторе направлен против вращения и равен М=cMIaФ. При увеличении тока Ia возрастает электромагнитный момент и, следовательно, момент и мощность, поступаемая от приводного двигателя.

2.11.3. Уравнение равновесия моментов генератора

Как указывалось выше (см. рис. 2.2.), в генераторах электро­магнитный момент МЭМ направлен навстречу моменту приводного двигателя МДВ. Кроме тормозящего электромагнитного момен­та МЭМ на валу генератора существует еще момент холостого хода М , соответствующий механическим потерям генератора и потерям в стали.

При постоянной скорости вращения якоря полный тормозящий момент генератора МТ определяется как

Согласно условию равновесия моментов, вращающий и тормозя­щий моменты должны находиться во взаимном равновесии, т.е. должны быть равны по величине, но направлены в противополож­ные стороны:

(2.45.)

2.11.4. Характеристики генераторов а. Характеристика холостого хода

Одной из важнейших характеристик генератора является ха­рактеристика холостого хода (х.х.х.), представляю­щая собой зависимость при токе нагрузкиI=0 и n=const.

Так как э.д.с. генератора, согласно формуле (2.3.), равна

то х.х.х. представляет собой по существу характеристику магнитопровода машины и изображается графически в виде петли ги­стерезиса (рис.2.31.). Ширина петли определяется прежде всего свойствами материала магнитопровода, а также величиной воз­душного зазора. Отрезок ОК характеризует э.д.с., обусловленную наличием в магнитопроводе остаточного магнетизма. При практи­ческих расчетах за характеристику холостого хода принимают среднюю (штриховую) линию.

Положение на характеристике точки А1, соответствующей но­минальной э.д.с. генератора, определяет степень насыщения маг­нитной цепи. Обычно эта точка лежит на изгибе кривой, так как работа на прямолинейной части не обеспечивает устойчивого на­пряжения, а работа на насыщенной части кривой ограничивает возможность его регулирования и требует большой мощности воз­буждения.

Характеристики холостого хода для машин с независимым воз­буждением и самовозбуждением аналогичны.

Рис.2.31. Характеристика холостого хода генератора

Б. Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора постоянного тока на примере генератора с параллельным возбуждением (рис.2.29,б) в режиме холостого хода.

Если привести якорь генератора во вращение с номинальной скоростью, то под действием остаточного магнитного потока в об­мотке якоря возникнет небольшая э.д.с., равная 1…3% номиналь­ной. Под действием этой э.д.с. по цепи возбуждения потечет не­большой ток, создающий некоторый магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора может протекать только в том случае, если возникший магнитный поток совпадает по направлению с остаточным магнитным потоком. В этом случае результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению наводи­мой в обмотке якоря э.д.с., а она в свою очередь увеличивает ток возбуждения, поток машины и т. д. Графически этот переход­ный процесс показан на рис.2.32. С одной стороны он опреде­ляется х.х.х. (кривая 1), с другой – характеристикой цепи возбуждения (прямая 2) (RB – сопротивление цепи возбуждения).

Читайте также  Электролит для водородного генератора

Электродвижущая сила генератора уравновешивается падения­ми напряжения в цепи возбуждения

где LB — индуктивность обмотки возбуждения.

Величины отрезков ординат между кривой 1 и прямой 2, равные , характеризуют интенсивность процесса самовозбуждения.

Рис.2.32. Самовозбуждение генератора.

Пересечение характеристики цепи возбуждения — луча сопротивления — с характеристикой холостого хода определяет точку установившегося режима для генератора (точка А1 ). Положение точки А1 на кривой х.х.х. зависит от угла наклона луча сопро­тивления

В положении 3, когда луч сопротивления становится касатель­ным к х.х.х., генератор не возбуждается. Такое значение RB на­зывается критическим сопротивлением. Таким обра­зом, условиями самовозбуждения генератора являются:

1) наличие остаточного магнетизма;

2) правильное присоединение обмотки возбуждения к обмотке якоря (появляющийся в цепи возбуждения ток должен усиливать поле остаточного магнетизма);

3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше кри­тического.

Самолетные генераторы постоянного тока, приводом которых является авиационный двигатель, обычно работают при перемен­ной скорости вращения якоря. Поэтому при исследовании этих ге­нераторов представляет интерес рассмотреть серию характеристик холостого хода, соответствующих различным скоростям вращения (рис. 2.33.).

Рис.2.33. Скоростные характеристики генераторов

Из их анализа следует, что генератор может самовозбудиться лишь при определенной (более критической) скорости вращения якоря; критической скоростью называется та­кая скорость, при которой характеристика цепи возбуждения лишь касается х.х.х.

В. Рабочие характеристики генераторов с независимым и

К рабочим характеристикам генераторов относятся нагрузоч­ные, внешние и регулировочные характеристики.

Нагрузочные характеристики представляют собой зависимости U=f(iВ) при токе нагрузки I=const и n=const (рис.2.34.). Эти характеристики практически одинаковы для гене­раторов с независимым и параллельным возбуждением. Частным случаем нагрузочной характеристики является х.х.х.

Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше его э.д.с. вследствие падения напряжения в цепи якоря (IRa) и раз­магничивающего действия реакции якоря, обусловливающего уменьшение Еa.

Влияние этих факторов на рис.2.34. учитывается сторонами ВС и АВ характеристического (реактив­ного) треугольника AВС. Его сторона АВ эквивалентна размагничивающему действию реакции якоря в масштабе тока возбуждения, а сторона ВС соответствует падению напряже­ния IRa. При I=const величина катета ВС остается практически постоянной. По мере увеличения насыщения магнитной системы влияние поперечной реакции якоря начинает сказываться все силь­нее и сторона АВ треугольника АВС увеличивается. Полагая ка­теты характеристического треугольника неизменными, можно по­строить нагрузочную характеристику путем перемещения тре­угольника AВС так, чтобы его вершина А скользила по х.х.х. Вершина С при этом опишет на­грузочную характеристику.

Рис.2.34. Нагрузочные характеристики генераторов с независимым и

Внешние характери­стики представляют собой за­висимости (рис. 2.35.) U=f(I) при RB = const и n= const. Согласно формуле (2.44.), в генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения U при уве­личении нагрузки I обусловли­вается тремя причинами:

1 — паде­нием напряжения в якоре от тока ;

2 — размагничиваю­щим действием реакции якоря;

3 — уменьшением тока возбужде­ния iB, вследствие двух первых причин.

Соответствующая внеш­няя характеристика показана на рис.2.35. в виде кривой 1.

То обстоятельство, что ток возбуждения в генераторах с па­раллельным возбуждением снижается при увеличении нагрузки, определяет особый вид внешней характеристики этих генераторов.

Увеличение нагрузки I путем уменьшения сопротивления внешней цепи происходит лишь до известного предела (Iпред), соответст­вующего границе устойчивой части внешней характеристики. По­пытка еще увеличить нагрузку таким же образом приводит к рез­кому снижению напряжения генератора и тока нагрузки вследст­вие резкого уменьшения тока возбуждения. Эта часть характери­стики является неустойчивой.

В генераторах независимого возбуждения снижение напряже­ния при увеличении нагрузки обусловлено лишь двумя указанными выше причинами, поскольку для этих генераторов при U=const условие RВ =const соответствует условию iB = const. По­этому в генераторах с независимым возбуждением напряжение при увеличении нагрузки снижается медленнее, чем в генераторах с параллельным возбуждением (кривая 2).

Из анализа внешних характеристик следует, что генератор с параллельным возбуждением имеет сравнительно небольшую величину установившегося тока короткого замыкания Iк.з1, обусловливаемого остаточным магнетизмом и влиянием м.д.с. коммутируемых секций. Однако опасен бросок тока переходного процесса, который может превышать номинальный ток Iн машины в не­сколько раз. В генераторах независимого возбуждения ток короткого замыкания

Рис.2.35. Внешние характеристики генераторов с независимым

и параллельным возбуждением.

Падение напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки обычно выражают в процентах номинального значения напряжения

Для генераторов с независимым возбуждением эта величина составляет 5…15%, а для генераторов с параллельным возбужде­нием – 10…20%.

Регулировочные характеристики представляют собой зависимости iB=(I) при U=const и n=const. Они практи­чески одинаковы для генераторов с параллельным и независимым возбуждением.

При увеличении нагрузки генератора увеличивается падение напряжения в цепи якоря IaRa , а также усиливается размагничи­вающее действие реакции якоря. Для поддержания напряжения на зажимах генератора неизменным нужно увеличивать ток воз­буждения iB (рис. 2.36.).

Рис.2.36. Регулировочная Рис.2.37. Регулировочная

характеристика генератора характеристика авиационного

Авиационные генераторы часто выполняются с неполным ком­плектом дополнительных полюсов. В таких машинах, как пока­зывают исследования, более сильно выражены размагничивающее действие реакции якоря и влияние м.д.с. коммутируемых секций. При переходе с расчетной на максимальную скорость вращения, поток дополнительных полюсов, вследствие уменьшения магнит­ного сопротивления ярма и полюсов, из-за уменьшения потока главных полюсов, увеличивается примерно на 20…30%. Это об­условливает возрастание подмагничивающего потока от м.д.с. коммутируемых секций, а в связи с этим — и необходимость снижения тока возбуждения для поддержания неизменным напряже­ния генератора.

В регулировочной характеристике появляется «провал» (рис. 2.37.). Он обусловливает неустойчивую параллель­ную работу генераторов, так как одному и тому же току возбуждения соответствует два тока нагрузки. У таких гене­раторов обычно увеличен и ток короткого замыкания (I’к.з1 на рис.2.35. ). Для устранения «провала» в регулировочных характери­стиках уменьшают поток дополнительных полюсов путем установ­ки под них латунных прокладок.

Уравнения генераторов постоянного тока

Основные соотношения, характеризующие работу машины в качестве генератора, можно представить в виде приведенных ниже уравнений. Эти уравнения справедливы для всех генераторов независимо от способа их возбуждения.

Уравнение равновесия напряжения. Напряжение на выводах генератора U всегда меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения:

U = E — IaΣra — ΔUщ. (1)

Падение напряжения в цепи якоря состоит из двух составляющих: IaΣra падение напряжения в обмотках и ΔUщ. — падение напряжения в щеточном контакте. Сопротивление Σra включает в себя сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае

Σra = ra + rд.+ rс + rк , (2)

где ra, rд, rс, rк сопротивления обмоток: якоря, дополнительных полюсов, последовательной и компенсационной.

В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в (2) будет отсутствовать.

Для приближенных расчетов уравнение (1) можно упростить:

U = E — Ia Ra, (3)

где Ra=Σra+rщ. Переходное сопротивление щеточного контакта rщ приближенно принимается постоянным и равным

rщ = ΔUщ/ Ia, ном.

Ток якоря генератора Ia обусловлен ЭДС E и всегда имеет с ней одинаковое направление:

Ia = (E — U)/Ra. (4)

Уравнение баланса мощностей. Это уравнение получим, если правую и левую части (1) умножим на ток Ia:

UIa = EIa. — I 2 aΣra — ΔUщIa.

Произведение E Ia=Pэм называется электромагнитной мощностью и представляет собой суммарную электрическую мощность, которая получается в результате преобразования механической мощности. Часть этой мощности расходуется в цепи якоря на электрические потери в обмотках (I 2 aΣra= Pэ,а) и в переходном сопротивлении щеточного контакта (ΔUщIa= Pэ,щ).

Остальная часть мощности, равная произведению UIa, является отдаваемой мощностью генератора. В генераторах независимого возбуждения эта мощность поступает во внешнюю сеть и представляет собой полезную мощность генератора P2:

P2 = UIa. (5)

В генераторах параллельного и смешанного возбуждения полезная мощность P2, отдаваемая в сеть, меньше на значение мощности, затрачиваемой на возбуждение:

P2 = UIa — Pв. (6)

К генератору от двигателя, приводящего во вращение его якорь ,подводится механическая мощность P1. Большая часть этой мощности преобразуется в электромагнитную Pэм, а другая ее часть расходуется в генераторе на покрытие механических потерь Pмх (трение в подшипниках, вентиляцию), магнитных потерь в стали якоря Pм и добавочных потерь Pд:

P1 = Pэм + Pмх.+ Pм + Pд. (7)

Для генераторов независимого возбуждения мощность, затрачиваемая на возбуждение, поступает от постороннего источника, поэтому в левой части (7) следует принимать

P1 = Pэм + Pмх.+ Pм + Pд + Pв. (8)

Отношение P2/P1 представляет собой КПД генератора.

Рассмотренное преобразование мощности в генераторах постоянного тока для наглядности можно представить в виде энергетической диаграммы (рис. 2). Эта диаграмма построена для генератора параллельного возбуждения.

Уравнение равновесия моментов. Поделив правую и левую части уравнения (7) на угловую скорость якоря Ω=2πn/60, получим уравнение момента:

P1/Ω = Pэм/Ω + (Pмх.+ Pм + Pд)/Ω, (8)
М1 = М + (Pмх.+ Pм + Pд)/Ω.

Электромагнитный момент М в генераторе направлен против вращения и равен М=cMIaФ. При увеличении тока Ia возрастает электромагнитный момент и, следовательно, момент и мощность, поступаемая от приводного двигателя.

Читайте также  Уаз хантер дизель змз 514 ремень генератора

Генераторы переменного тока

Переменный ток – движущая сила многих производств и транспорта, в частности, автомобилей. Существуют как небольшие модели величиной с кулак, так и гигантские устройства несколько метров в высоту.

Как бы не был устроен генератор, в основе его действия лежит процесс электромагнитной индукции – появление в замкнутом контуре электрического тока под воздействием измененного магнитного потока. Принцип устройства генератора переменного тока приведен на рисунке 3.1. Индуцированный ток возникает в тех сторонах витка, которые пересекаются силовыми линиями поля магнита.

В зависимости от количества обмоток на статоре генератора можно получить несколько отдельных фаз синусоидального напряжения. Если количество витков обмоток одинаково, то амплитуды синусоидальных напряжений также будут одинаковыми, но фазы напряжений будут отличаться.

Генератор однофазного тока

Генератор двухфазного тока

Генератор трехфазного тока

Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов: трехфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трехфазной системой ЭДС; линии передачи со всем необходимым оборудованием; приемников (потребителей), которые могут быть как трехфазными (например, трехфазные асинхронные двигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания).

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину нескольких типов: турбогенератор и гидрогенератор, дизельгенераторы и др. . Модель трехфазного генератора схематически изображена на рис. 3.1.

На статоре 1 генератора размещается обмотка 2, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, т.е. на 120°. На рис. 3.1 каждая фаза обмотки статора условно показана состоящей из одного витка. Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z. Ротор 3 представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4, расположенной на роторе.

При вращении ротора турбиной с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуктируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся друг от друга по фазе на 120° вследствие их пространственного смещения.

На рис. 3.1.б. приведен график ЭДС, вырабатываемые трехфазным генератором

На схеме обмотку (или фазу) источника питания изображают как показано на рис. 3.2.

За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца к началу. Обычно индуктированные в обмотках статора ЭДС имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на один и тот же угол 120°. Такая система ЭДС называется симметричной.

Трехфазная симметричная система ЭДС может изображаться графиками, тригонометрическими функциями, векторами и функциями комплексного переменного.

Для получения ЭДС необходим мой частоты f = 50 Гц ротор генератора рис. 3.1 должен вращаться со скоростью 3000 об/мин. Для уменьшения скорости вращения ротора генератора увеличивают число пар полюсов электромагнита ротора. Трехфазная обмотка статора выполнена с таким же числом полюсов, как и ротора.

Ротор служит для создания основного магнитного потока. По конструкции различают роторы с явно и неявно выраженными полюсами.

Ротор с явно выраженными полюсами (рис 3.3,а) состоит из стального вала, роторной звезды и полюсов возбуждения с полюсными катушками, укрепленными на ободе роторной звезды.

При больших частотах вращения (3 тыс. об/мин), исходя из соображений механической прочности, ротор выполняют неявнополюсным (рис 3.3,6) с выфрезерованнымн на его поверхности продольными пазами, в которые закладывают обмотку возбуждения.

На валу ротора устанавливают контактные кольца, к которым присоединяют выводы обмотки возбуждения. Кольца надежно изолируют от вала и друг от друга. К кольцам прилегают щетки, укрепленные в щеткодержателях, образуя скользящий контакт. Через скользящий контакт обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока. При подключении обмотки возбуждения вращающегося ротора к источнику постоянного тока создается вращающийся вместе с ротором магнитный поток Ф, пересекающий трехфазную обмотку статора и по закону электромагнитной индукции в каждой фазной обмотке образуется наводящий э д с.

Э д с статора составляет симметричную трехфазную э д с, и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагружается симметричной системой токов. Машина при этом работает в режиме генератора

Генераторы постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф0.

Рис. 1. Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Рис. 2. Листы, из которых набирают магнитную цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки (на рис. 3 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — ещ (рис. 4).

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Изменение во времени э.д.с. простейшего генератора постоянного тока

Хотя э. д. с. простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. Э. д. с. с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций на примере обмотки кольцевого якоря (рис. 5), состоящей из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь вращается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, расположенных на внешней стороне якоря, индуцируется э. д. с. (направление показано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 5, а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая — из катушки 4 (в катушках 1 и 3 э. д. с. не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рис. 5, б якорь показан в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая — из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Рис. 5. Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем

Каждая катушка при вращении якоря по отношению к щеткам имеет постоянную полярность. Изменение э. д. с. катушек во времени при вращении якоря показано на рис. 6, а. Э. д. с. на щетках равна э. д. с. каждой параллельной ветви обмотки якоря. Из рис. 5 видно, что э. д. с. параллельной ветви равна или э. д. с. одной катушки, или сумме э. д. с. двух соседних катушек:

Читайте также  Трехфазный генератор переменного тока кратко

В результате этого пульсации э. д. с. обмотки якоря заметно уменьшаются (рис. 6, б). При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную э. д. с. обмотки якоря.

Конструкция генераторов постоянного тока

В процессе технического прогресса в электромашиностроении конструктивный вид машин постоянного тока изменяется, хотя основные детали остаются теми же.

Рассмотрим устройство одного из типов машин постоянного тока, выпускаемых промышленностью. Как указывалось, основными частями машины являются статор и якорь. Статор 6 (рис 7), изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи.

К статору крепятся магнитные полюсы 4, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения 5, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток.

При большом числе полюсов их обмотки включают параллельно или последовательно, но так, чтобы северный и южный полюсы чередовались (см. рис. 1). Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты 7 (рис. 7).

Якорь 3 машины постоянного тока набирается из листовой стали (см. рис. 2) для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частью магнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка 9.

Рис. 6. Изменение во времени э.д.с катушек и обмотки кольцевого якоря

В настоящее время выпускаются машины с якорем и обмоткой барабанного типа. Рассмотренная ранее обмотка кольцевого якоря имеет недостаток, заключающийся в том, что э. д. с. индуцируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности якоря. Следовательно, активными являются только половина проводников. В обмотке барабанного якоря все проводники — активные, т. е. для создания той же э. д. с, что и в машине с кольцевым якорем, требуется почти в два раза меньше проводникового материала.

Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы э. д. с. в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление.

На рис. 8 показана простейшая обмотка якоря барабанного типа двухполюсной машины. Сплошными линиями показано соединение секций друг с другом со стороны коллектора, а пунктирными — лобовые соединения проводников с противоположной стороны. От точек соединения секций делаются отпайки к коллекторным пластинам. Направление э. д. с. в проводниках обмотки показано на рисунке: «+» — направление от читателя, «•» — направление на читателя.

Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в пространстве.

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

Выпускаемые заводами машины имеют десятки или сотни пазов по окружности барабанного якоря и число коллекторных пластин, равное числу секций обмотки якоря.

Коллектор 1 (см. рис. 7) состоит из медных изолированных друг от друга пластин, которые соединяют с точками соединения секций обмотки якоря, и служит для преобразования переменной э. д. с. в проводниках обмотки якоря в постоянную э. д. с. на щетках 2 генератора или преобразования постоянного тока, подводимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках обмотки якоря двигателя. Коллектор вращается вместе с якорем.

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 2. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. Они крепятся в щеткодержателях, которые допускают поворот на некоторый угол. С якорем соединена крыльчатка 8 для вентиляции.

Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1. генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами,

2. генераторы с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы), генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы), генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью — мощностью, отдаваемой генератором приемнику, номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря, номинальным током якоря, током возбуждения, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Уравнение моментов генератора постоянного тока

Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.

ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле

Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции.

Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при полюсах общий магнитный поток равен . Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:

где d — диаметр сердечника якоря, I — образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при равна

где l — длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v — линейная (окружная) скорость движения проводника.

Подставим в формулу (6.3) значение средней индукции и линейной скорости после преобразования получим:

где — скорость вращения якоря.

Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каждой параллельной ветви будет — активных проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать:

где — ЭДС генератора,

Подставим выражение (6.4) в уравнение (6.3), после сокращения получим:

В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения.

Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую на преодоление

тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью (без потерь). Тогда эту формулу можно записать так:

где F — сила, действующая на якорь.

При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила , а на N проводников обмотки

Учитывая соотношение (6.2), последнее уравнение можно записать следующим образом:

Подставив уравнение (6.10) в уравнение (6.8), получим выражение для мощности:

Так как то окончательно имеем:

Для общего момента машины М можно записать:

где — постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции.

Таким образом, электромагнитный момент машины выражается формулой

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: