Меню

Как определить электромагнитную мощность генератора постоянного тока



Электромагнитные устройства и электрические машины. Электрические трансформаторы. Информационные электрические машины. Информационные микромашины и синхронные микродвигатели , страница 25

§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока

П1 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока

Нарисуем схему замещения генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения и резистора внутреннего сопротивления (рисунок 27 а).

Рисунок 27 Эквивалентная схема и энергетическая диаграмма генератора постоянного тока

На рисунке стрелками показаны условно положительные направление тока напряжения и ЭДС. При работе машины постоянного тока в генераторном режиме истинные и условно положительные направления этих величин совпадают. Поэтому в формуле мощности ток и напряжение генератора положительны и мощность генератора тоже следует считать положительной. В соответствии с законом Ома для участка цепи с ЭДС имеем:

Умножим левую и правую части равенства на ток

Мощность , стоящая в левой части равенства (1), называется электромагнитной мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она больше электрической мощности , отдаваемой в сеть на величину электрических потерь от протекания тока по внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности на величину механических потерь в генераторе. Это иллюстрирует энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке 27 б. (1)

П2 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Рисунок 27 а является эквивалентной схемой машины постоянного тока, поэтому пригоден не только для генераторного, но и для двигательного режима работы. Однако, в двигательном режиме истинное направление тока противоположно ЭДС, и , значит, противоположно своему условно положительному направлению . Ток и напряжение в формуле мощности имеют разные знаки , и мощность двигателя следует считать отрицательной. В двигателе напряжение сети больше ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря двигателя, на величину падения напряжения в собственном сопротивлении.

Электрическая мощность, получаемая из сети по модулю больше электромагнитной мощности , на величину омических потерь в обмотках двигателя . Механическая мощность, развиваемая двигателем по модулю меньше электромагнитной мощности на величину механических потерь

Это иллюстрирует энергетическая диаграмма, изображенная на рисунке 28.

Рис. 28 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

П3 Электромагнитная мощность машины постоянного тока

Таким образом, электромагнитная мощность машины постоянного тока, независимо от режима работы машины определяется, как произведение ЭДС, индуцируемой в якоре на ток якоря.

В генераторном режиме знаки тока и ЭДС одинаковы и электромагнитная мощность положительна , в двигательном режиме знаки тока и ЭДС различны и электромагнитная мощность отрицательна. (3)

Выразив ЭДС якоря через полезный магнитный поток и угловую частоту вращения ротора , имеем: (4)

П4 Электромагнитный момент машины постоянного тока. Обратимость электрической машины.

В соответствии с соотношением между вращающим моментом, угловой частотой вращения и мощностью , определим электромагнитный момент машины постоянного тока , как величину пропорциональную электромагнитной мощности и обратно пропорциональной частоте вращения ротора

При переходе машины постоянного тока из генераторного в двигательный режим не меняется направление вращения, а меняется только направление тока в якоре. По этому, в соответствии со знаком электромагнитной мощности, электромагнитный момент генератора будем считать положительным, а электромагнитный момент двигателя отрицательным.

Вопросы для самоконтроля.

  1. Нарисуйте энергетическую диаграмму генератора постоянного тока. (1)
  2. Нарисуйте энергетическую диаграмму двигателя постоянного тока. (2)
  3. Как определяют знак электромагнитной мощности для генератора и двигателя постоянного тока? (3)
  4. Запишите формулу электромагнитной мощности машины постоянного тока. (4)
  5. Запишите формулу электромагнитного момента машины постоянного тока.

Источник

Методические указания к решению задач 18-27

Задачи этой группы относятся к теме «Электрические машины по­стоянного тока». Для их решения необходимо изучить материал, приве­денный в указателе литературы к теме, решить рекомендуемые задачи и ознакомиться с типовыми примерами 17-21. Сведения о некоторых типах машин постоянного тока даны в табл. 22.

Необходимо иметь представление о связи между напряжением на выводах U, э. д. с. Е и падением напряжения IаRа в обмотке якоря для генератора и двигателя: для генератора Е= U+IаRа; для двигателя U=Е+IaRa. Для определения элект­ромагнитного или полного момента, развиваемого двигателем, можно поль­зоваться формулой, приведенной в учебнике:

Здесь магнитный поток выражен в веберах (Вб), ток якоря в амперах (А), момент получаем в ньютон-мет­рах (Н·м). Если магнитный поток машины неизвестен, то электромагнит­ный момент можно найти, определив из формулы для противо- э. д. с. маг­нитный поток и подставив его в фор­мулу для Мэм:

Читайте также:  Расчет реактивной мощности здания

Е = откуда Ф = Тогда Mэм =

Здесь Рэм =ЕIа — электромагнитная мощность, Вт; w — угловая скорость вращения, рад/с.

Аналогично можно вывести формулу для определения полезного номинального момента (на валу):

Здесь Рном выражаем в Вт; Мном получаем в Н·м.

Пример 17. Генератор с независимым возбуждением (рис. 88) работает в номинальном режиме при напряжении на выводах Uном = 220 В. Сопротивление обмотки якоря Rа=0,2 Ом; сопротивление нагрузки Rн=2,2 Ом; сопротивление обмотки возбуждения Rв=55 Ом. Напряжение для питания обмотки возбуждения Uв=110 В. Номиналь­ная частота вращения якоря nном=1200 об/мин. Определить: 1) э. д. с. генератора; 2) силу тока, отдаваемого потребителю; 3) силу тока в 1 обмотке возбуждения; 4) полезную мощность, отдаваемую генератором; 5) электромагнитный тормозной момент, преодолеваемый приводным двигателем.

Решение. 1. Ток, отдаваемый в нагрузку:

2. Ток в обмотке возбуждения

3. Ток в обмотке якоря

4. Э. д. с. генератора

5. Полезная мощность, отдаваемая генератором:

P2 = Uном Iн = 220·100 = 22 000 Вт = 22 кВт.

6. Электромагнитная мощность и электромагнитный тормозной момент:

Рэм = ЕIа = 240,4·102 = 24600 Вт = 24,6кВт;

Пример 18. Генератор с параллельным возбуждением (рис. 89) рассчитан на напряжение Uном =220 В и имеет сопротивление обмотки якоря Rа=0,08Ом, сопротивление обмотки возбуждения Rв=55 Ом. Генератор нагружен на сопротивление Rн= 1,1 Ом.

К. п. д. генератора ηг = 0,85. Определить: 1) токи в обмотке возбуждения Iв, в обмотке якоря Iа и в нагрузке Iв; 2) э. д. с. генератора Е; 3) полезную мощность Р2; 4) мощность двигателя для вращения генератора Р1; 5) электрические потери в обмотках якоря Ра и возбуждения Рв; 6) суммарные потери в генераторе; 7) электромагнитную мощность Рзм.

Решение. 1. Токи в обмотке возбуждения, нагрузке и якоре:

2. Э. д. с. генератора

Е = Uном + IаRa = 220 + 204 · 0,08 = 236,3 В.

3. Полезная мощность

Р2 = Uном /Iн = 220·200 = 44 000 Вт = 44 кВт.

4. Мощность приводного двигателя для вращения генератора

5. Электрические потери в обмотках якоря и возбуждения:

Ра = Rа = 204 2 ·0,03 = 3320 Вт = 3,32 кВт;

Рв = Rв 4 2 ·55 = 880 Вт = 0,88 кВт.

6. Суммарные потери мощности в генераторе

7. Электромагнитная мощность, развиваемая генератором:

Рэм = ЕIа = 236,3·204 = 48 300 Вт = 48,3 кВт.

Пример 19. Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (рис. 90) рассчитан на номинальную мощность Рном = 10 кВт и номинальное напряжение Рном=220 В. Частота вращения якоря n=3000 об/мин. Двигатель потребляет из сети ток I=63 А. Со­противление обмотки возбуждения Rв=85 Ом, сопротивление обмотки якоря Rа=0,3 Ом. Определить: 1) по­требляемую из сети мощность Р12)к. п. д. двигателя ηдв; 3) по­лезный вращающий момент М; 4) ток якоря Iа; 5) противо-э. д. с. в обмотке якоря Е; 6) суммарные потери в двигателе ; 7) потери в обмотках яко­ря Ра и возбуждения Рв.

Решение. 1. Мощность, пот­ребляемая двигателем из сети:

Р1= Uном I =220·63= 13 900 Вт = 13,9 кВт.

2. К- п. д. двигателя

3. Полезный вращающий момент (на валу)

М =9,55 Рном/n = 9,55·10·1000/3000 = 31,9 Н·м.

4. Для определения тока якоря предварительно находим ток воз­буждения

5. Противо-э. д. с. в обмотке якоря

6. Суммарные потери в двигателе

7. Потери в обмотках якоря и возбуждения:

Пример 20. Четырехполюсный двигатель с параллельным возбуждением (рис.90) присоединен к сети с Uном=110В и потребляет ток I=157 А. На якоре находится обмотка с сопротивлением Rа=0,0427 Ом и числом проводников N=360, обра­зующих четыре параллельных ветви (а=2). Сопротивление обмотки воз­буждения Rв=21,8 Ом. Магнитный поток полюса Ф= 0,008 Вб. Опреде­лить: 1) токи в обмотках возбужде­ния Iв и якоря Iа; 2) противо-э. д. с. Е; 3) электромагнитный момент Mэм; 4) электромагнитную мощность Rэм; 5)частоту вращения якоря n; 6) потери мощности в обмотках якоря Ра и возбуждения Рв.

Решение. 1. Токи в обмотках возбуждения и якоря

Iа = I — Iв = 157 — 5,05 = 151,95 А.

2. Противо-э. д. с. в обмотке якоря

3. Электромагнитный момент

4. Электромагнитная мощность

Читайте также:  Как померить мощность рации

Рэм = ЕIа = 103,5·151,95 = 15 727 Вт = 15,727 кВт.

Зная Рэм, можно найти электромагнитный момент по формуле

Мэ = Рэм /w = Рэм / =60·15 727/ (2·3,14·2156) = 69,7 Н·м,

что и было получено выше.

Здесь частота вращения якоря

5. Потери мощности в обмотках якоря и возбуждения:

Ра = Rа = 151,95 2 · 0,0427=986 Вт;

Пример 21. Электродвигатель постоянного тока с последователь­ным возбуждением (рис. 91) присоединен к сети с напряжением Uном = 110 В и вращается с частотой n= 1500 об/мин, Двигатель развивает полезный момент (на валу) M=120 Н·м. К. п. д. двигателя ηдв = 0,84. Суммарное сопротивление обмоток якоря и возбуждения Rа+-Rпс = 0,02 Ом. Определить: 1) полезную мощность Р2; 2) потребляемую мощность Р1; 3) потребляемый из сети ток I; 4) сопротивление пуско­вого реостата, при котором пусковой ток ограничивается до 2,5I; 5) противо-э. д. с. в обмотке якоря.

Решение. 1. Полезную мощность двигателя определяем из формулы полезного момента

Р2 =Mn /9,55= 120·1500/9,55 = 18 848 Вт= 18,85 кВт.

2. Мощность, потребляемая из сети:

3. Ток, потребляемый из сети:

4. Необходимое сопротивление пускового реостата

Источник

Электромагнитная мощность генератора

Учитывая обратимость машин и используя тот же второй закон Кирхгофа для цепи обмотки якоря эл.двигателя можно записать

При Rпр = 0, что соответствует работе двигателя при номинальной частоте вращения

Уравнение (1.8) принято называть уравнением равновесия напряжений двигателя, которое показывает, что напряжение сети U, подведенное к двигателю, всегда уравновешивается напряжением на обмотке якоря: E + Iяrя

Подставив в формулу (1.6) значение E = Ce, получим:

Откуда частота вращения двигателя

Электромагнитная мощность эл. двигателя

Вращающий момент двигателя Мвр = Рэл.м

Где ω – угловая скорость ротора двигателя = 2πn/60

Произведя подстановки и преобразования получим уравнение равновесия моментов

Реакция якоря

При работе машины в режиме идеального холостого хода, т. е. при отсутствии тока в обмотке якоря, в воздушном зазоре существует только магнитное поле, создаваемое МДС обмотки возбуждения, которое принято называть основным полем. Линии магнитной индукции этого поля для двухполюсной машины (рис. 1.11) на всех участках магнитной цепи от северного до южного полюсов (в том числе в воздушном зазоре) являются параллельными прямыми. Поэтому поток магнитной индукции данного поля можно представить вектором Ф.

При работе машины с нагрузкой по обмотке якоря течет ток. Вокруг проводников обмотки создается собственное магнитное поле. Естественно, что основное магнитное поле машины и поле обмотки якоря, взаимодействуя, образуют в воздушном зазоре машины результирующее магнитное поле.

Воздействие МДС поля обмотки якоря на МДС основного поля машины называют реакцией якоря.

При принятом на рис. 1.11. направлении вращения ротора в случае работы машины, например, генератором во всех проводах, находящихся в данный момент выше нейтральной линии, направление тока будет «от нас», в проводах, находящихся ниже нейтральной линии, направление тока будет «к нам» (согласно правилу правой руки). При этом линии магнитной индукции проводов обмотки якоря образуют поле катушки, ось которой совпадает с нейтральной линией машины. Поток магнитной индукции этого поля можно представить вектором Фя. Щетки машины в таких случаях принято условно изображать в контакте с проводами, которые образуют закороченные витки, находящиеся в плоскости нейтрали машины, т. е. щетки условно принимают расположенными на нейтральной линии.

Вектор Фя направлен перпендикулярно вектору Ф, т. е. поток обмотки якоря по отношению к основному потоку является поперечным. Реакция якоря при этом называется поперечной. Взаимодействие основного поля и поля реакции заставляет машину работать в режиме двигателя или генератора. В этом заключается положительное качество взаимодействия полей. Но оно имеет и отрицательные качества, основными из которых являются: искажение поля в воздушном зазоре машины, смещение нейтрали и ухудшение коммутации тока обмотки якоря.

Рис 1.11. Основное магнитное поле и поле обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока.

Из рис. 1.11. видно, что под краями 1 и 3 магнитных полюсов линии магнитной индукции основного поля и поля реакции якоря направлены навстречу друг другу, вследствие чего результирующее поле в этих частях воздушного зазора уменьшается. Под краями 2 и 4 полюсов направления линий обоих полей совпадают, вследствие чего результирующее поле в этих частях воздушного зазора увеличивается. Края 1 и 3 полюсов в практике часто называют по отношению к направлению вращения ротора набегающими краями применительно к генераторам или сбегающими краями применительно к двигателям. Края 2 и 4 полюсов называют сбегающими краями у генераторов или набегающими краями у двигателей.

Читайте также:  Как найти полную мощность прибора

При холостом ходе машины распределение магнитной индукции основного поля в воздушном зазоре соответствует кривой ОП (рис. 1.12.).

Линии магнитной индукции реакции якоря Ря располагаются симметрично относительно оси главных полюсов, поэтому в точках 1 и 1′ магнитная индукция реакции якоря равна нулю. По мере удаления от этих точек вправо и влево магнитная индукция Ря будет возрастать, в связи с тем что охватывается все большее количество проводов и увеличивается МДС реакции якоря. Вправо от осей полюсов направление линий основного поля совпадает с линиями поля реакции якоря. Поэтому магнитная индукция реакции якоря здесь совпадает с направлением индукции основного поля (отрезки 1—2 и 1’—2′). Влево от осей полюсов направление линий основного поля и реакции якоря встречное.

Рис. 1.12. Магнитная индукция в воздушном зазоре

Поэтому магнитная индукция реакции якоря здесь должна приниматься отрицательной по отношению к индукции основного поля (отрезки 1—3, 1’—3′)- Закон изменения магнитной индукции реакции якоря при этом может быть принят линейным (т. е. с равномерным нарастанием от центра к краям полюсов), поскольку величина воздушного зазора под полюсами одинакова, а провода обмотки якоря равномерно распределены по поверхности ротора. В промежутках между полюсами машины величина воздушного зазора увеличивается, поэтому магнитная индукция реакции якоря в этих местах уменьшается (отрезки 2—3′ и 2’—3), но не до нулевых значений. Поэтому оказывается, что на нейтральной линии индукция при нагрузке машины не равна нулю, как это было при холостом ходе машины.

Рис 1.15. Реакция якоря

Если машина работает в режиме двигателя, то при направлении магнитного потока полюсов и тока в обмотке якоря, показанном на рис. 1.15, якорь двигателя должен вращаться против движения часовой стрелки, т. е. против движения якоря генератора.

Следовательно, у двигателей реакция якоря вызывает отклонение физической нейтрали не по направлению движения якоря, как у генератора, а против движения якоря.

Реакция якоря у двигателей приводит к уменьшению вращающего момента и появлению искрения между щетками и коллектором.

Для устранения искрения в машине, работающей генератором, нужно сдвинуть щетки по направлению вращения якоря на угол а. Тогда они будут замыкать накоротко секции, проходящие плоскость физической нейтрали, в которых э. д. с. отсутствует.

Если машина работает двигателем, то щетки нужно сдвинуть на угол а против направления вращения якоря.

При увеличении нагрузки на машину ток в обмотке якоря и магнитный поток якоря, а значит и реакция якоря, возрастают и, наоборот, при уменьшении нагрузки — уменьшаются. Следовательно, реакция якоря при изменении нагрузки на машину тоже изменяется и для устранения искрения нужно каждый раз при изменении нагрузки менять положение щеток на коллекторе. Так как практически менять каждый раз положение щеток на коллекторе невозможно, то щетки устанавливают в определенное положение, которое соответствует номинальной нагрузке на машину. При нагрузке, отличной от номинальной между щетками и коллектором возникает искрение, поэтому указанный способ применяется только в машинах малой мощности.

Более действенным способом устранения искрения, возникающего в результате реакции якоря, является применение дополнительных полюсов, которые располагаются между основными полюсами так, чтобы их магнитный поток был направлен против магнитного потока якоря и, следовательно, компенсировал его. Для этого необходимо, чтобы у генераторов за северным основным полюсом располагался по направлению вращения якоря южный дополнительный полюс и т. д., а у двигателей, наоборот, за северным основным полюсом находился северный дополнительный полюс.

Так как величина реакции якоря с изменением нагрузки изменяется, то магнитный поток дополнительных полюсов должен тоже автоматически изменяться вместе с изменением нагрузки машины. Поэтому обмотка возбуждения дополнительных полюсов включается последовательно с об моткой якоря. Тогда при увеличении нагрузки происходит возрастание как магнитного потока якоря, так и магнитного потока дополнительных полюсов, а так как эти потоки направлены друг против друга, то они компенсируются.

Размагничивающее действие реакции якоря обычно устраняется увеличением магнитного потока основных полюсов, что достигается увеличением тока в обмотках возбуждения основных полюсов или увеличением числа витков обмоток возбуждения.

Дата добавления: 2018-04-15 ; просмотров: 420 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Как определить электромагнитную мощность генератора постоянного тока



Методические указания к решению задач 18-27

Задачи этой группы относятся к теме «Электрические машины по­стоянного тока». Для их решения необходимо изучить материал, приве­денный в указателе литературы к теме, решить рекомендуемые задачи и ознакомиться с типовыми примерами 17-21. Сведения о некоторых типах машин постоянного тока даны в табл. 22.

Необходимо иметь представление о связи между напряжением на выводах U, э. д. с. Е и падением напряжения I аR а в обмотке якоря для генератора и двигателя: для генератора Е= U+I аR а; для двигателя U=Е+I aR a. Для определения элект­ромагнитного или полного момента, развиваемого двигателем, можно поль­зоваться формулой, приведенной в учебнике:

Здесь магнитный поток выражен в веберах (Вб), ток якоря в амперах (А), момент получаем в ньютон-мет­рах (Н·м). Если магнитный поток машины неизвестен, то электромагнит­ный момент можно найти, определив из формулы для противо- э. д. с. маг­нитный поток и подставив его в фор­мулу для М эм:

Е = откуда Ф = Тогда M эм =

Здесь Р эм =ЕI а — электромагнитная мощность, Вт; w — угловая скорость вращения, рад/с.

Аналогично можно вывести формулу для определения полезного номинального момента (на валу):

Здесь Р ном выражаем в Вт; М ном получаем в Н·м.

Пример 17. Генератор с независимым возбуждением (рис. 88) работает в номинальном режиме при напряжении на выводах U ном = 220 В. Сопротивление обмотки якоря R а=0,2 Ом; сопротивление нагрузки R н=2,2 Ом; сопротивление обмотки возбуждения R в=55 Ом. Напряжение для питания обмотки возбуждения U в=110 В. Номиналь­ная частота вращения якоря n ном=1200 об/мин. Определить: 1) э. д. с. генератора; 2) силу тока, отдаваемого потребителю; 3) силу тока в 1 обмотке возбуждения; 4) полезную мощность, отдаваемую генератором; 5) электромагнитный тормозной момент, преодолеваемый приводным двигателем.

Решение. 1. Ток, отдаваемый в нагрузку:

I н = U ном / R н =220/2,2 = 100А.

2. Ток в обмотке возбуждения

I в = U в /R в =110/55 = 2 А.

3. Ток в обмотке якоря

I а = I н + I в = 100 + 2= 102 А.

4. Э. д. с. генератора

E = U ном + I аR а = 220+102·0,2 = 240,4В.

5. Полезная мощность, отдаваемая генератором:

P 2 = U ном I н = 220·100 = 22 000 Вт = 22 кВт.

6. Электромагнитная мощность и электромагнитный тормозной момент:

Р эм = ЕI а = 240,4·102 = 24600 Вт = 24,6кВт;

Пример 18. Генератор с параллельным возбуждением (рис. 89) рассчитан на напряжение U ном =220 В и имеет сопротивление обмотки якоря R а=0,08Ом, сопротивление обмотки возбуждения R в=55 Ом. Генератор нагружен на сопротивление R н= 1,1 Ом.

К. п. д. генератора η г = 0,85. Определить: 1) токи в обмотке возбуждения I в, в обмотке якоря I а и в нагрузке I в; 2) э. д. с. генератора Е; 3) полезную мощность Р 2; 4) мощность двигателя для вращения генератора Р 1; 5) электрические потери в обмотках якоря Р а и возбуждения Р в; 6) суммарные потери в генераторе; 7) электромагнитную мощность Р зм.

Решение. 1. Токи в обмотке возбуждения, нагрузке и якоре:

Источник

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

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.

Читайте также:  Предоставление мощности для майнинга

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: e 1 = B lvsinwt; e 2 = -B lvsinwt; , 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 = 2B lvsinwt , 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.

Читайте также:  Как найти полную мощность прибора

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.

Читайте также:  Трансформатор силовой мощность 4000 ква

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.

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 = EI a . Отдаваемая в цепь полезная мощность P 1 = UI .

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η e. Тогда: η e=P 1/P.

На холостом ходе η e = 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.

Источник