Električni krugovi istosmjerne struje i njihove karakteristike

Svojstva DC generator uglavnom se određuju načinom na koji je uzbudni svitak uključen. Postoje nezavisni, paralelni, serijski i mješoviti generatori uzbude:

• neovisno pobuđen: zavojnica polja se napaja iz vanjskog istosmjernog izvora (baterija, mali pomoćni generator koji se naziva pobudnik ili ispravljač),

• paralelna pobuda: namot polja povezan je paralelno s namotom armature i opterećenjem,

• serijska pobuda: namot polja spojen je u seriju s namotom armature i opterećenjem,

• s mješovitom uzbudom: postoje dva namota polja - paralelni i serijski, prvi je spojen paralelno s namotom armature, a drugi je spojen serijski s njim i opterećenjem.

Generatori s paralelnom, serijskom i mješovitom uzbudom su samouzbudni strojevi jer njihove namotaje polja napaja sam generator.

Uzbuda istosmjernih generatora: a — neovisna, b — paralelna, c — serijska, d — mješovita.

Svi navedeni generatori imaju isti uređaj i razlikuju se samo u konstrukciji uzbudnih svitaka. Zavojnice neovisne i paralelne pobude izrađene su od žice malog presjeka, imaju veliki broj zavoja, zavojnice serijske pobude izrađene su od žice velikog poprečnog presjeka, malog broja zavoja.

Svojstva istosmjernih generatora ocjenjuju se njihovim karakteristikama: praznim hodom, vanjskim i upravljačkim. U nastavku ćemo pogledati ove karakteristike za različite vrste generatora.

Neovisno pobuđeni generator

Karakteristična značajka generatora s neovisnom uzbudom (slika 1) je da njegova struja uzbude Iv ne ovisi o struji armature Ii, već je određena samo naponom Uv koji se dovodi na uzbudni svitak i otporom Rv uzbudnog kruga .

Riža. 1. Principska shema nezavisno pobuđenog generatora

Obično je struja polja mala i iznosi 2-5% nazivne struje armature. Za regulaciju napona generatora često se u krug uzbudnog namota uključuje reostat za regulaciju Rpv. Na lokomotivama se struja Iv regulira promjenom napona Uv.

Karakteristika praznog hoda generatora (slika 2, a) - ovisnost napona Uo u praznom hodu o struji uzbude Ib u odsutnosti opterećenja Rn, to jest pri In = Iya = 0 i pri konstantnoj brzini vrtnje n. U praznom hodu, kada je krug opterećenja otvoren, napon generatora Uo jednak je e. itd. v. Eo = cEFn.

Budući da pri uklanjanju karakteristike praznog hoda brzina n ostaje nepromijenjena, tada napon Uo ovisi samo o magnetskom toku F.Stoga će karakteristika praznog hoda biti slična ovisnosti toka F o struji uzbude Ia (magnetska karakteristika magnetskog kruga generatora).

Karakteristika praznog hoda može se jednostavno eksperimentalno eliminirati postupnim povećanjem struje uzbude od nule do vrijednosti gdje je U0 = 1,25Unom i zatim smanjenjem struje uzbude na nulu. U ovom slučaju dobivaju se uzlazne 1 i silazne 2 grane karakteristike. Divergencija ovih grana je zbog prisutnosti histereze u magnetskom krugu stroja. Kada je Iw = 0 u namotu armature, tok zaostalog magnetizma inducira zaostali d, itd. s Eost, koji je obično 2-4% nazivnog napona Unom.

Pri malim strujama uzbude magnetski tok stroja je malen, pa se u tom području tok i napon Uo mijenjaju proporcionalno struji uzbude, a početni dio ove karakteristike je pravac. Povećanjem uzbudne struje dolazi do zasićenja magnetskog kruga generatora i usporava porast napona Uo. Što je veća struja uzbude, to je jače zasićenje magnetskog kruga stroja i sporije raste napon U0. Pri vrlo velikim strujama uzbude napon Uo praktički prestaje rasti.

Karakteristika praznog hoda omogućuje procjenu vrijednosti mogućeg napona i magnetskih svojstava stroja. Nazivni napon (naveden u putovnici) za strojeve opće namjene odgovara zasićenom dijelu karakteristike ("koljeno" ove krivulje).U generatorima lokomotiva koji zahtijevaju regulaciju napona širokog raspona, koriste se i krivocrtni i pravocrtni nezasićeni dijelovi karakteristike.

D. d. C. stroj se mijenja proporcionalno brzini n, dakle, za n2 < n1, karakteristika praznog hoda leži ispod krivulje za n1. Pri promjeni smjera vrtnje generatora mijenja se i smjer e. itd. c. Inducira se u namotu armature, a time i polaritet četkica.

Vanjska karakteristika generatora (slika 2, b) je ovisnost napona U o struji opterećenja In = Ia pri konstantnoj brzini n i struji uzbude Iv. Napon generatora U uvijek je manji od njegovog e. itd. c. E vrijednošću pada napona u svim serijski spojenim namotima u armaturnom krugu.

Kako se opterećenje generatora povećava (struja namota armature IAZ SAM — azZ), napon generatora se smanjuje iz dva razloga:

1) zbog povećanja pada napona u krugu namota armature,

2) zbog smanjenja e. itd. kao rezultat demagnetizirajućeg djelovanja armaturnog toka. Magnetski tok armature donekle slabi glavni magnetski tok F generatora, što dovodi do blagog smanjenja njegovog e. itd. v. E kod opterećenja protiv e. itd. s Eom u praznom hodu.

Promjena napona tijekom prijelaza iz stanja mirovanja u nazivno opterećenje u razmatranom generatoru je 3 - 8℅ nazivnog.

Ako zatvorite vanjski krug na vrlo niskom otporu, odnosno kratko spojite generator, tada njegov napon pada na nulu.Struja u namotu armature Ik tijekom kratkog spoja dosegnut će neprihvatljivu vrijednost pri kojoj bi namot armature mogao izgorjeti. U strojevima male snage struja kratkog spoja može biti 10-15 puta veća od nazivne struje, u strojevima velike snage taj omjer može doseći 20-25.

Riža. 2. Karakteristike generatora s neovisnom pobudom: a — prazan hod, b — vanjski, c — regulacijski

Regulacijska karakteristika generatora (slika 2, c) je ovisnost struje uzbude Iv o struji opterećenja In pri konstantnom naponu U i frekvenciji rotacije n. Pokazuje kako podesiti struju pobude da napon generatora ostane konstantan kako se opterećenje mijenja. Očito, u ovom slučaju, kako se opterećenje povećava, potrebno je povećati struju pobude.

Prednosti neovisno pobuđenog generatora su mogućnost podešavanja napona u širokom rasponu od 0 do Umax promjenom uzbudne struje i mala promjena napona generatora pod opterećenjem. Međutim, potreban je vanjski izvor istosmjerne struje za napajanje zavojnice polja.

Generator s paralelnom uzbudom.

U ovom generatoru (slika 3, a) struja namota armature Iya grana se u vanjski krug opterećenja RH (struja In) i u uzbudni namot (struja Iv), struja Iv za strojeve srednje i velike snage je 2- 5 % nazivne vrijednosti struje u armaturnom namotu Stroj koristi princip samouzbude, kod kojeg se uzbudni namot napaja izravno iz armaturnog namota generatora. Međutim, samouzbuda generatora moguća je samo ako je ispunjen niz uvjeta.

1.Za pokretanje procesa samouzbude generatora potrebno je imati zaostali tok magnetizma u magnetskom krugu stroja koji inducira e u kotvnom namotu. itd. selo Eost. Ovo e. itd. v. osigurava protok kroz strujni krug "armaturni namot - uzbudni namot" neke startne struje.

2. Magnetski tok koji stvara zavojnica polja mora biti usmjeren u skladu s magnetskim tokom zaostalog magnetizma. U tom slučaju će se u procesu samouzbude povećati uzbudna struja Iv, a time i magnetski tok F stroja e. itd. v. E. To će se nastaviti sve dok, zbog zasićenja magnetskog kruga stroja, ne prestane daljnji porast F, a time i E i Ib. Podudarnost u smjeru naznačenih tokova osigurava se pravilnim spajanjem uzbudnog namota na namot armature. Ako je neispravno spojen, stroj se demagnetizira (preostali magnetizam nestaje) i e. itd. c. E se smanjuje na nulu.

3. Otpor uzbudnog kruga RB mora biti manji od određene granične vrijednosti koja se naziva kritični otpor. Stoga, za najbržu pobudu generatora, preporuča se, kada je generator uključen, potpuno ispustiti regulacijski reostat Rpv spojen u seriju s uzbudnim svitkom (vidi sliku 3, a). Ovaj uvjet također ograničava mogući raspon regulacije struje polja, a time i napona paralelno pobuđenog generatora. Obično je moguće smanjiti napon generatora povećanjem otpora strujnog kruga namota polja samo na (0,64-0,7) Unom.

Riža. 3.Shema generatora s paralelnom uzbudom (a) i vanjske karakteristike generatora s neovisnom i paralelnom uzbudom (b)

Treba napomenuti da samouzbuda generatora zahtijeva proces povećanja njegovog e. itd. s E i uzbudnom strujom Ib dogodio se kada je stroj radio u praznom hodu. Inače, zbog niske vrijednosti Eost i velikog unutarnjeg pada napona u krugu armaturnog namota, napon primijenjen na uzbudni namot može se smanjiti gotovo do nule i uzbudna struja se ne može povećati. Stoga se opterećenje treba priključiti na generator tek nakon što je napon na njegovim stezaljkama blizu nominalnog.

Kada se promijeni smjer vrtnje armature, mijenja se polaritet četkica, a time i smjer struje u namotaju polja, u ovom slučaju generator se demagnetizira.

Da bi se to izbjeglo, potrebno je pri promjeni smjera vrtnje zamijeniti žice koje povezuju zavojnicu polja s zavojnicom armature.

Vanjska karakteristika generatora (krivulja 1 na slici 3, b) predstavlja ovisnost napona U o struji opterećenja In pri konstantnim vrijednostima brzine n i otporu pogonskog kruga RB. Nalazi se ispod vanjske karakteristike neovisno pobuđenog generatora (krivulja 2).

To se objašnjava činjenicom da uz ista dva razloga zbog kojih napon pada s povećanjem opterećenja u neovisno pobuđenom generatoru (pad napona u armaturnom krugu i demagnetizirajući učinak armaturne reakcije), postoji i treći razlog u razmatrani generator — smanjenje uzbudne struje.

Budući da uzbudna struja IB = U / Rv, odnosno ovisi o naponu U stroja, onda s padom napona, iz ova dva razloga, magnetski tok F i e opada. itd. v. generator E, što dovodi do daljnjeg pada napona. Maksimalna struja Icr koja odgovara točki a naziva se kritičnom.

Kod kratkog spoja armaturnog namota struja Ic paralelno pobuđenog generatora je mala (točka b), jer su u tom režimu napon i uzbudna struja jednaki nuli. Stoga struju kratkog spoja stvara samo e. itd. od zaostalog magnetizma i iznosi (0,4 ... 0,8) Inom .. Vanjska karakteristika podijeljena je od točke a na dva dijela: gornji - radni i donji - neradni.

Obično se ne koristi cijeli radni dio, već samo njegov određeni segment. Rad odjeljka ab vanjske karakteristike je nestabilan, u ovom slučaju stroj prelazi u način rada koji odgovara točki b, tj. u režimu kratkog spoja.

Karakteristika praznog hoda generatora s paralelnom pobudom uzima se s neovisnom pobudom (kada je struja u armaturi Iya = 0), stoga se ni na koji način ne razlikuje od odgovarajuće karakteristike za generator s neovisnom pobudom (vidi sl. 2, a). Regulacijska karakteristika generatora s paralelnom uzbudom ima isti oblik kao i karakteristika generatora s neovisnom uzbudom (vidi sl. 2, c).

Paralelno pobuđeni generatori koriste se za napajanje električnih potrošača u osobnim automobilima, automobilima i zrakoplovima, kao što su generatori za pogon električnih lokomotiva, dizel lokomotiva i željezničkih vagona te za punjenje akumulatora.

Generator serijske uzbude

U ovom generatoru (sl.4, a) uzbudna struja Iw jednaka je struji opterećenja In = Ia, a napon se značajno mijenja pri promjeni struje opterećenja. U praznom hodu, u generatoru se inducira mala emisija. itd. v. Eri, stvoren protokom zaostalog magnetizma (slika 4, b).

Kako struja opterećenja raste Ii = Iv = Iya, povećava se magnetski tok, npr. itd. p. i napona generatora, to povećanje, kao i kod drugih samouzbudnih strojeva (paralelno uzbudjeni generator), nastavlja se do određene granice zbog magnetskog zasićenja stroja.

Kako se struja opterećenja povećava iznad Icr, napon generatora počinje padati, budući da magnetski tok pobude zbog zasićenja gotovo prestaje rasti, a demagnetizirajući učinak reakcije armature i pad napona u krugu namota armature IâΣRâ nastavljaju rasti. Obično je struja Icr puno veća od nazivne struje. Generator može raditi stabilno samo na dijelu ab vanjske karakteristike, tj. pri strujama opterećenja većim od nazivnih.

Budući da u serijski uzbuđenim generatorima napon jako varira s promjenama opterećenja i blizu je nule tijekom rada bez opterećenja, oni su neprikladni za napajanje većine električnih potrošača. Koriste se samo kod električnog (reostatskog) kočenja motora serijske uzbude, koji se zatim prebacuju u generatorski način rada.

Riža. 4. Shematski dijagram generatora serijske uzbude (a) i njegova vanjska karakteristika (b)

Generator mješovite uzbude.

U ovom generatoru (slika 5, a), najčešće je paralelni uzbudni svitak glavni, a serijski je pomoćni.Obje zavojnice su istog polariteta i spojene su tako da se magnetski tokovi koje oni proizvode zbrajaju (konkordantno prebacivanje) ili oduzimaju (suprotno preklapanje).

Generator mješovite pobude, kada su njegovi namoti polja usklađeni, omogućuje postizanje približno konstantnog napona kako se mijenja opterećenje. Vanjska karakteristika generatora (slika 5, b) može se u prvoj aproksimaciji prikazati kao zbroj karakteristika koje stvara svaki uzbudni svitak.

Riža. 5. Shematski prikaz generatora s mješovitom uzbudom (a) i njegove vanjske karakteristike (b)

Pri uključenju samo jednog paralelnog namota, kroz koji prolazi uzbudna struja Iv1, napon generatora U postupno opada s povećanjem struje opterećenja In (krivulja 1.) Pri uključivanju jednog serijskog namota, kroz koji uzbudna struja Iw2 = In , napon U raste s porastom struje In (krivulja 2).

Odaberemo li broj zavoja serijskog namota tako da pri nazivnom opterećenju napon koji stvara ΔUPOSOL kompenzira ukupni pad napona ΔU, kada stroj radi samo s jednim paralelnim namotom, tada je moguće postići da napon U ostaje gotovo nepromijenjen, kada se struja opterećenja promijeni od nule do nazivne vrijednosti (krivulja 3). U praksi varira unutar 2-3%.

Povećanjem broja zavoja serijskog namota moguće je dobiti karakteristiku gdje će napon UHOM imati veći napon Uo u praznom hodu (krivulja 4), ova karakteristika osigurava kompenzaciju pada napona ne samo u unutarnjem otporu armaturni krug generatora, ali i u vodu koji ga povezuje s opterećenjem. Ako je serijski namot uključen tako da je magnetski tok koji stvara on usmjeren protiv toka paralelnog namota (protukomutacija), tada će vanjska karakteristika generatora s velikim brojem zavoja serijskog namota strmo padati. (krivulja 5).

Obrnuto spajanje serijskih i paralelnih namota polja koristi se u generatorima za zavarivanje koji rade u uvjetima čestih kratkih spojeva. U takvim generatorima, u slučaju kratkog spoja, serijski namot gotovo potpuno demagnetizira stroj i smanjuje struju kratkog spoja. na vrijednost koja je sigurna za generator.

Generatori s namotima polja sa suprotnim spojevima koriste se na nekim dizel lokomotivama kao pobudnici vučnih generatora, oni osiguravaju konstantnost snage koju isporučuje generator.

Takvi se uzročnici također koriste na električnim lokomotivama istosmjerne struje. Oni napajaju namotaje polja vučnih motora koji rade u regenerativnom načinu rada tijekom regenerativnog kočenja i pružaju strmo padajuće vanjske karakteristike.

Mješovita pobuda generatora je tipičan primjer regulacije poremećaja.

Istosmjerni generatori često se spajaju paralelno kako bi radili u zajedničkoj mreži.Preduvjet za paralelni rad generatora s raspodjelom opterećenja proporcionalnom nazivnoj snazi ​​je identičnost njihovih vanjskih karakteristika. Pri uporabi generatora s mješovitom uzbudom, njihovi serijski namoti za izjednačavanje struja moraju biti spojeni u zajednički blok žicom za izjednačenje.