Генераторы постоянного тока

Генераторами постоянного тока называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

4.1. Классификация генераторов постоянного тока
по способу возбуждения

В зависимости от способа создания магнитного поля различают генераторы с независимым возбуждением (рис. 4.1, а) и генераторы с самовозбуждением (рис. 4.1, б, в, г).

а б в г

Рис. 4.1

 

Для питания обмотки возбуждения генератора с независимым возбуждением используют внешний источник постоянного тока. Напряжение возбуждения может быть отличным от напряжения на зажимах генератора U.

Однако на первый взгляд покажется странным то, что обмотка возбуждения генератора, который сам является источником постоянного тока, получает питание от другого независимого источника постоянного тока. В ряде случаев это необходимо, но чаще всего обмотка возбуждения получает питание от самого генератора. Другими словами чаще всего используют генераторы с самовозбуждением.

Генераторы с самовозбуждением по способу включения обмоток возбуждения делятся на генераторы с параллельным возбуждением (см. рис. 4.1, б), генераторы с последовательным возбуждением
(см. рис. 4.1, г) и генераторы со смешанным возбуждением (см. рис. 4.1, в).

У генератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена на зажимы якоря и питается частью тока якоря. , где - ток якоря генератора, I - ток на выходе генератора, - ток обмотки возбуждения генератора. Для изменения тока возбуждения генератора с параллельным возбуждением необходимо включить дополнительный резистор последовательно с обмоткой. У генератора с последовательным возбуждением ток якоря является током обмотки возбуждения . Таким образом, ток возбуждения генератора с последовательным возбуждением зависит от нагрузки. Регулирование тока возбуждения в этом случае усложняется, и оно возможно лишь путем изменения сопротивления резистора, включенного параллельно обмотке возбуждения.

У генераторов со смешанным возбуждением обмотки могут быть включены согласно или встречно. Согласным называют такое включение обмоток, когда магнитные потоки, создаваемые обмотками, складываются. В противном случае включение называют встречным. Тот или другой способ включения обмоток используют в зависимости от требований, предъявляемых к генератору. Если требуется неизменность напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки в широких пределах, используется согласное включение. В сварочных установках, где значительное изменение сопротивления дуги не должно приводить к значительному изменению тока, используют встречное включение обмоток возбуждения.

4.2. Энергетическая диаграмма генераторов
постоянного тока

Генератор постоянного тока, являясь устройством преобразования механической энергии в электрическую, получает механическую энергию от приводного механизма. Кроме этого, если рассматривается генератор с независимым возбуждением, на нагревание обмоток возбуждения проходящим по ней током затрачивается дополнительная энергия источника питания этой обмотки. Магнитное поле генератора с самовозбуждением создается за счет электрической энергии самого генератора, поэтому потери в омическом сопротивлении обмоток или обмоток возбуждения являются составной частью потребляемой механической энергии.

В генераторах постоянного тока, как и в других машинах постоянного тока, кроме потерь мощности в обмотках возбуждения, различают следующие виды потерь: механические потери мощности, потери на перемагничивание и вихревые токи магнитопровода якоря, потери мощности в обмотках якоря.

Механические потери обусловлены трением в подшипниках, трением щеток о поверхность коллектора, трением якоря о воздух и механические потери вентилятора. Преобладающими являются потери на трение в подшипниках и трение щеток о коллектор. Как правило, можно считать, что механические потери являются постоянными и не зависящими от частоты вращения якоря.

Потери мощности на перемагничивание и на вихревые токи тоже являются постоянными и не зависящими от нагрузки. Физическая основа этих потерь традиционна. Потери мощности на перемагничивание стали связаны с магнитными характеристиками стали якоря. Кривая намагничивания стали неоднозначна или, как говорят, представляет собой гистерезисный цикл. Принято считать, что мощность потерь на перемагничивание магнитопровода ротора пропорциональна площади петли гистерезиса материала.

Потери на вихревые токи связаны с изменением магнитного поля в магнитопроводе якоря. Сталь, являясь проводником, имеет свободные электрические заряды, которые, находясь в переменном магнитном поле вращающегося якоря, начинают перемещаться по вихревому закону. Но, как уже известно, всякое перемещение зарядов в проводнике связано с потерями электрической энергии. Для уменьшения такого вида потерь используют магнитные материалы с повышенным удельным сопротивлением, с одной стороны. С другой стороны, для сокращения такого рода потерь магнитопровод якоря изготавливают из пакетов изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Механические потери и потери в стали называют постоянными потерями, так как они практически не зависят от нагрузки.

Треть из основных видов потерь - потери в цепи якоря, пропорциональные квадрату тока якоря. Эти потери определяются потерями в сопротивлении проводников обмотки якоря, сопротивлении перехода щетки – коллектор и сопротивлении самих щеток. Обычно измеряют электрическое сопротивление цепи якоря, по величине которого и судят о потерях. Этот вид потерь зависит от нагрузки, поэтому их относят к переменным потерям.

В соответствии с приведенными пояснениями в общем случае следует рассматривать три варианта энергетической диаграммы в зависимости от типа генераторов (рис. 4.2).

в

б

а

 

Рис. 4.2

 

На рис. 4.2, а представлена энергетическая диаграмма генератора с магнитным потоком, созданным постоянными магнитами.

Энергия, потребляемая от источника механической энергии (приводного двигателя), распределяется следующим образом. Часть мощности идет на преодоление механических потерь . Часть мощности идет на потери в стали . Часть энергии теряется в цепи якоря . Потери в цепи якоря, обусловленные нагреванием обмотки якоря, называют иногда потерями в меди. Полезная выходная мощность равно произведению напряжения на выходе и тока нагрузки . Коэффициент полезного действия такого генератора определяется по традиционной формуле

.

генератор с независимым возбуждением получает механическую энергию от привода двигателя и от источника питания обмотки возбуждения (см. рис. 4.2, б). Электрическая энергия источника питания обмотки возбуждения превращается в тепловую энергию в обмотке возбуждения. Часть механической энергии приводного механизма теряется на преодоление трения (механические потери ), потери в стали и потери на нагревание элементов электрической цепи якоря . Нагреваются обмотки, коллектор и щетки. Таким образом, КПД генератора с независимым возбуждением определится из соотношения

,

где .

В случае генератора с самовозбуждением на питание обмотки возбуждения используется часть электрической энергии, выработанной генератором, тогда (см. рис. 4.2, в)

.

На энергетических диаграммах выделена электромагнитная мощность . Электромагнитная мощность определяется энергией, которая преобразуется в другой вид энергии. В случае генераторов постоянного тока электромагнитной энергией является энергия обмотки якоря, полученной в результате преобразования механической энергии.

Для вычисления КПД генераторов необходимо знать величины мощностей, входящих в формулы.

Входная механическая мощность приводного двигателя вычисляется умножением механического момента на валу на частоту вращения. , где . Выходная мощность равна произведению тока генератора и выходного напряжения . Мощность обмотки возбуждения вычисляется по реальным значениям напряжения и тока возбуждения . Мощность переменных потерь или потерь в цепи якоря вычисляется по формуле , где - сопротивление цепи якорной обмотки,
- ток якоря, величина которого не всегда равна току нагрузки генератора.

Постоянные потери, которые равны сумме мощностей механических потерь и потерь в стали, определяются экспериментально. Они равны мощности, потребляемой генератором, работающим в режиме холостого хода. В соответствии с энергетическими диаграммами при и в случае генератора с постоянным магнитом, входная мощность будет равна сумме механических потерь и потерь в стали. Мощность постоянных потерь генератора с независимым возбуждением будет равна мощности приводного двигателя. В случае генератора с самовозбуждением для экспериментального определения постоянных потерь испытание генератора необходимо проводить в режиме питания обмотки возбуждения от независимого источника.

Представляют особый интерес соотношения мощностей, при которых КПД достигает своего максимально значения. Из приведенных выше соотношений следует, что выходная мощность генератора и постоянные потери равны сумме механических потерь и потерь в стали . Мощность потерь в цепи якоря пропорциональна квадрату тока . Пренебрегая мощностью цепи возбуждения, можно записать .

Считая выходное напряжение генератора величиной постоянной , производная КПД по току запишется следующим образом:

.

Приравнивая числитель дроби нулю, получаем:

или .

Так как переменные потери определяются мощностью потерь
в меди , можно утверждать, что КПД достигнет своего максимального значения тогда, когда переменные потери будут равны постоянным потерям. Другими словами говоря, КПД будет иметь максимальное значение, если мощность потерь в якорной цепи будет равна сумме мощностей потерь в стали и мощности механических потерь .

4.3. Основные характеристики генераторов
постоянного тока

Характеристики генератора постоянного тока устанавливают связь между следующими величинами:

- напряжением на зажимах генератора ,

- током возбуждения ,

- током якоря ,

- частотой вращения якоря

Необходимо отметить то, что характеристики генератора удобно рассматривать, используя внешний ток или ток внешней сети. В случае генераторов с параллельным и со смешанным возбуждением ток внешней сети равен разности тока якоря и тока возбуждения , но ток возбуждения во многих случаях гораздо меньше тока якоря, , поэтому током возбуждения пренебрегают и принимают внешний ток, равный току якоря.

Основные характеристики генераторов следующие:

1) характеристика холостого хода при и ;

2) нагрузочная характеристика ; при и ;

3) внешняя характеристика при и ;

4) регулировочная характеристика при и , здесь и - номинальные значения тока генератора и напряжения на его зажимах.

4.4. Характеристики генератора с независимым
возбуждением

Для испытания генератора с независимым возбуждением монтируется электрическая цепь, схема которой представлена на рис. 4.3.

 

Рис. 4.3

В качестве источника механической энергии используется электрический двигатель Д, позволяющий поддерживать неизменной частоту вращения якоря генератора Г при изменении нагрузки в широких пределах. Обмотка возбуждения генератора получает питание от источника постоянного тока напряжением, равным U _в. Для изменения тока возбуждения последовательно с обмоткой ОВ включен реостат . Ток обмотки возбуждения контролируется амперметром . На зажимы якоря генератора подключен нагрузочный реостат . Напряжение и ток генератора измеряются
с помощью вольтметра и амперметра .