Elektrické obvody stejnosměrného proudu a jejich charakteristiky

Vlastnosti DC generátor jsou určeny především způsobem zapnutí budicí cívky. Existují nezávislé, paralelní, sériové a smíšené generátory buzení:

• nezávisle buzené: budicí cívka je napájena externím stejnosměrným zdrojem (baterií, malým pomocným generátorem zvaným budič nebo usměrňovač),

• paralelní buzení: budicí vinutí je zapojeno paralelně s vinutím kotvy a zátěží,

• sériové buzení: budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy a zátěží,

• se smíšeným buzením: existují dvě budicí vinutí - paralelní a sériové, první je zapojeno paralelně s vinutím kotvy a druhé je zapojeno do série s ním a zátěží.

Generátory s paralelním, sériovým a smíšeným buzením jsou stroje s vlastním buzením, protože jejich budicí vinutí je buzeno samotným generátorem.

Buzení stejnosměrných generátorů: a — nezávislé, b — paralelní, c — sériové, d — smíšené.

Všechny uvedené generátory mají stejné zařízení a liší se pouze konstrukcí budicích cívek. Cívky nezávislého a paralelního buzení jsou vyrobeny z drátu malého průřezu, mají velký počet závitů, cívka sériového buzení je vyrobena z drátu s velkým průřezem, je zde malý počet závitů.

Vlastnosti stejnosměrných generátorů se hodnotí podle jejich charakteristik: volnoběh, vnější a řídicí. Níže se podíváme na tyto charakteristiky pro různé typy generátorů.

Nezávisle buzený generátor

Charakteristickým znakem generátoru s nezávislým buzením (obr. 1) je, že jeho budicí proud Iv nezávisí na proudu kotvy Ii, ale je určen pouze napětím Uv přiváděným do budicí cívky a odporem Rv budícího obvodu. .

Rýže. 1. Schematické schéma nezávisle buzeného generátoru

Obvykle je budicí proud nízký a činí 2-5 % jmenovitého proudu kotvy. Pro regulaci napětí generátoru bývá v obvodu budícího vinutí často zařazen reostat pro regulaci Rpv. Na lokomotivách se proud Iv reguluje změnou napětí Uv.

Klidová charakteristika generátoru (obr. 2, a) — závislost napětí Uo naprázdno na budícím proudu Ib při nepřítomnosti zátěže Rn, to znamená při In = Iya = 0 a při konstantní rychlosti n. Naprázdno, když je obvod zátěže otevřený, je napětí generátoru Uo rovno e. atd. v. Eo = cEFn.

Protože při odstranění charakteristiky volnoběžných otáček zůstávají otáčky n nezměněny, závisí napětí Uo pouze na magnetickém toku F.Proto bude klidová charakteristika podobná závislosti toku F na budícím proudu Ia (magnetická charakteristika magnetického obvodu generátoru).

Charakteristiku naprázdno lze snadno experimentálně eliminovat postupným zvyšováním budícího proudu z nuly na hodnotu kde U0 = 1,25Unom a následným snižováním budícího proudu na nulu. V tomto případě se získá vzestupná 1 a sestupná 2 větve charakteristiky. Divergence těchto větví je způsobena přítomností hystereze v magnetickém obvodu stroje. Když Iw = 0 ve vinutí kotvy, tok remanentního magnetismu indukuje remanentní d atd. s Eost, což je obvykle 2-4% jmenovitého napětí Unom.

Při malých budicích proudech je magnetický tok stroje malý, proto se v této oblasti mění tok a napětí Uo přímo úměrně s budícím proudem a počáteční část této charakteristiky je přímka. S rostoucím budícím proudem se magnetický obvod generátoru saturuje a nárůst napětí Uo se zpomaluje. Čím větší je budicí proud, tím silnější je saturace magnetického obvodu stroje a tím pomaleji roste napětí U0. Při velmi vysokých budicích proudech se napětí Uo prakticky přestává zvyšovat.

Charakteristika naprázdno umožňuje odhadnout hodnotu možných napěťových a magnetických vlastností stroje. Jmenovité napětí (uvedené v pasu) pro stroje pro všeobecné použití odpovídá nasycené části charakteristiky ("koleno" této křivky).U lokomotivních generátorů vyžadujících širokorozsahovou regulaci napětí se používá jak křivočará, tak přímá nenasycená část charakteristiky.

D. d. C. se stroj mění úměrně k otáčkám n, proto pro n2 < n1 leží volnoběžná charakteristika pod křivkou pro n1. Když se změní směr otáčení generátoru, změní se směr e. atd. c. Je indukován ve vinutí kotvy, a tím i polarita kartáčů.

Vnější charakteristikou generátoru (obr. 2, b) je závislost napětí U na zatěžovacím proudu In = Ia při konstantních otáčkách n a budícím proudu Iv. Napětí generátoru U je vždy menší než jeho e. atd. c. E o hodnotu úbytku napětí ve všech vinutích zapojených do série v obvodu kotvy.

Se zvyšujícím se zatížením generátoru (proud vinutí kotvy IАЗ САМ — азЗ) se napětí generátoru snižuje ze dvou důvodů:

1) v důsledku zvýšení poklesu napětí v obvodu vinutí kotvy,

2) v důsledku poklesu e. atd. v důsledku demagnetizačního působení toku kotvy. Magnetický tok kotvy poněkud oslabuje hlavní magnetický tok Ф generátoru, což vede k mírnému poklesu jeho e. atd. v. E při zatížení proti e. atd. s Eo na volnoběh.

Změna napětí během přechodu z klidového režimu do jmenovitého zatížení v uvažovaném generátoru je 3 — 8℅ jmenovitého.

Pokud uzavřete vnější obvod při velmi nízkém odporu, tedy zkratujete generátor, pak jeho napětí klesne na nulu.Proud ve vinutí kotvy Ik při zkratu dosáhne nepřijatelné hodnoty, při které může dojít ke spálení vinutí kotvy. U strojů s malým výkonem může být zkratový proud 10-15násobek jmenovitého proudu, u strojů s velkým výkonem může tento poměr dosáhnout 20-25.

Rýže. 2. Charakteristika generátoru s nezávislým buzením: a — volnoběh, b — vnější, c — regulační

Regulační charakteristikou generátoru (obr. 2, c) je závislost budícího proudu Iv na zatěžovacím proudu In při konstantním napětí U a frekvenci otáčení n. Obr. Ukazuje, jak upravit budicí proud, aby bylo napětí generátoru konstantní při změně zátěže. Je zřejmé, že v tomto případě, když se zatížení zvyšuje, je nutné zvýšit budicí proud.

Výhodou nezávisle buzeného generátoru je možnost upravit napětí v širokém rozsahu od 0 do Umax změnou budícího proudu a malou změnou napětí generátoru při zatížení. Vyžaduje však externí stejnosměrný zdroj pro napájení budicí cívky.

Generátor s paralelním buzením.

V tomto generátoru (obr. 3, a) se proud Iya vinutím kotvy větví do vnějšího zatěžovacího obvodu RH (proud In) a do budícího vinutí (proud Iv), proud Iv pro stroje středního a vysokého výkonu je 2-5 % jmenovité hodnoty proudu ve vinutí kotvy Stroj využívá principu samobuzení, kdy je budicí vinutí napájeno přímo z vinutí kotvy generátoru. Samobuzení generátoru je však možné pouze při splnění řady podmínek.

1.Pro spuštění procesu samobuzení generátoru je nutné mít v magnetickém obvodu stroje zbytkový tok magnetismu, který indukuje e ve vinutí kotvy. atd. vesnice Eost. Toto e. atd. v. zajišťuje průtok obvodem "vinutí kotvy - budící vinutí" nějakého rozběhového proudu.

2. Magnetický tok vytvářený budicí cívkou musí být směrován v souladu s magnetickým tokem zbytkového magnetismu. V tomto případě se v procesu samobuzení zvýší budicí proud Iv a tedy magnetický tok Ф stroje e. atd. v. E. Toto bude pokračovat, dokud se v důsledku nasycení magnetického obvodu stroje další nárůst F a tedy E a Ib nezastaví. Koincidence ve směru udávaných toků je zajištěna správným připojením budícího vinutí k vinutí kotvy. Při nesprávném připojení se stroj demagnetizuje (zbytkový magnetismus zmizí) a e. atd. c. E se sníží na nulu.

3. Odpor budícího obvodu RB musí být menší než určitá mezní hodnota nazývaná kritický odpor. Pro co nejrychlejší vybuzení generátoru se proto doporučuje při zapnutém generátoru dát plný výstup regulačního reostatu Rpv zapojeného do série s budicí cívkou (viz obr. 3, a). Tato podmínka také omezuje možný rozsah regulace budícího proudu a tím i napětí paralelně buzeného generátoru. Obvykle je možné snížit napětí generátoru zvýšením odporu obvodu budícího vinutí pouze na (0,64-0,7) Unom.

Rýže. 3.Schéma generátoru s paralelním buzením (a) a vnější charakteristiky generátorů s nezávislým a paralelním buzením (b)

Je třeba poznamenat, že samobuzení generátoru vyžaduje proces zvýšení jeho e. atd. s E a budícím proudem Ib došlo, když stroj běžel naprázdno. V opačném případě může vlivem nízké hodnoty Eost a velkého vnitřního úbytku napětí v obvodu vinutí kotvy klesnout napětí přivedené na budicí vinutí téměř k nule a budicí proud se nemůže zvýšit. Proto by měla být zátěž připojena ke generátoru až poté, co se napětí na jeho svorkách blíží jmenovitému.

Při změně směru otáčení kotvy se mění polarita kartáčů a tím i směr proudu v budícím vinutí, v tomto případě je generátor demagnetizován.

Aby se tomu zabránilo, je při změně směru otáčení nutné přepnout vodiče spojující budicí cívku s cívkou kotvy.

Vnější charakteristika generátoru (křivka 1 na obr. 3, b) představuje závislost napětí U na zatěžovacím proudu In při konstantních hodnotách otáček n a odporu budícího obvodu RB. Leží pod vnější charakteristikou nezávisle buzeného generátoru (křivka 2).

To je vysvětleno skutečností, že kromě stejných dvou důvodů způsobujících pokles napětí s rostoucí zátěží v nezávisle buzeném generátoru (úbytek napětí v obvodu kotvy a demagnetizační účinek reakce kotvy), existuje ještě třetí důvod v uvažovaný generátor — snížení budícího proudu.

Protože budicí proud IB = U / Rv, to znamená, že závisí na napětí U stroje, pak s poklesem napětí z těchto dvou důvodů magnetický tok F a e klesá. atd. v. generátor E, což vede k dalšímu poklesu napětí. Maximální proud Icr odpovídající bodu a se nazývá kritický.

Při zkratu vinutí kotvy je proud Ic paralelně buzeného generátoru malý (bod b), protože v tomto režimu je napětí i budící proud nulové. Zkratový proud je tedy vytvářen pouze např. atd. od zbytkového magnetismu a je (0,4 ... 0,8) Inom .. Vnější charakteristika se od bodu a dělí na dvě části: horní — pracovní a spodní — nepracovní.

Obvykle se nepoužívá celá pracovní část, ale pouze její určitý segment. Chod úseku ab vnější charakteristiky je nestabilní, stroj v tomto případě přejde do režimu odpovídajícímu bodu b, tzn. v režimu zkratu.

Naprázdno charakteristika generátoru s paralelním buzením je brána s nezávislým buzením (kdy proud v kotvě Iya = 0), proto se nijak neliší od odpovídající charakteristiky pro generátor s nezávislým buzením (viz Obr. 2, a). Řídicí charakteristika generátoru s paralelním buzením má stejný tvar jako charakteristika generátoru s nezávislým buzením (viz obr. 2, c).

Paralelně buzené generátory se používají k napájení elektrických spotřebičů v osobních automobilech, automobilech a letadlech, jako jsou generátory pro pohon elektrických lokomotiv, dieselových lokomotiv a železničních vozů a pro nabíjení akumulátorů.

Sériový generátor buzení

V tomto generátoru (obr.4, a) budicí proud Iw je roven zatěžovacímu proudu In = Ia a napětí se při změně zatěžovacího proudu výrazně mění. Při volnoběhu se v generátoru indukuje malá emise. atd. v. Eri, vzniklé prouděním zbytkového magnetismu (obr. 4, b).

S rostoucím zatěžovacím proudem Ii = Iv = Iya se magnetický tok zvyšuje, např. atd. p. a napětí generátoru, toto zvýšení, stejně jako u jiných samobuzených strojů (paralelně buzený generátor), pokračuje až do určité hranice vlivem magnetického nasycení stroje.

Jak se zatěžovací proud zvyšuje nad Icr, napětí generátoru začíná klesat, protože budící magnetický tok v důsledku saturace se téměř přestává zvyšovat a demagnetizační účinek reakce kotvy a úbytek napětí v obvodu vinutí kotvy IяΣRя se stále zvyšují. Obvykle je proud Icr mnohem vyšší než jmenovitý proud. Generátor může pracovat stabilně pouze na části ab vnější charakteristiky, tzn. při zátěžových proudech vyšších než jmenovitých.

Protože u sériově buzených generátorů se napětí velmi mění se změnami zátěže a při chodu naprázdno se blíží nule, nejsou vhodné pro napájení většiny elektrických spotřebičů. Používají se pouze s elektrickým (reostatickým) brzděním sériově buzených motorů, které jsou následně převedeny do generátorového režimu.

Rýže. 4. Schéma generátoru sériového buzení (a) a jeho vnější charakteristika (b)

Generátor smíšeného buzení.

U tohoto generátoru (obr. 5, a) je nejčastěji paralelní budicí cívka hlavní a sériová je pomocná.Obě cívky mají stejnou polaritu a jsou zapojeny tak, že jimi vytvářené magnetické toky se sčítají (souhlasné spínání) nebo odečítají (opačné spínání).

Generátor se smíšeným buzením, když jsou jeho budicí vinutí zapojena ve shodě, umožňuje získat přibližně konstantní napětí při změně zátěže. Vnější charakteristiku generátoru (obr. 5, b) lze v první aproximaci znázornit jako součet charakteristik vytvořených každou budicí cívkou.

Rýže. 5. Schéma generátoru se smíšeným buzením (a) a jeho vnější charakteristika (b)

Při zapnutí pouze jednoho paralelního vinutí, kterým prochází budicí proud Iв1, se s rostoucím zatěžovacím proudem In (křivka 1) postupně snižuje napětí generátoru U. Při zapnutí jednoho sériového vinutí, kterým protéká budicí proud Iw2 = In , napětí U roste s rostoucím proudem In (křivka 2).

Zvolíme-li počet závitů sériového vinutí tak, aby při jmenovité zátěži jím vytvořené napětí ΔUPOSOL kompenzovalo celkový úbytek napětí ΔU, kdy stroj pracuje pouze s jedním paralelním vinutím, pak je možné dosáhnout toho, že napětí U zůstává téměř nezměněno, když se zatěžovací proud změní z nuly na jmenovitou hodnotu (křivka 3). V praxi se pohybuje v rozmezí 2–3 %.

Zvýšením počtu závitů sériového vinutí je možné získat charakteristiku, kdy napětí UHOM bude mít větší napětí Uo naprázdno (křivka 4), tato charakteristika zajišťuje kompenzaci úbytku napětí nejen vnitřního odporu vinutí. v obvodu kotvy generátoru, ale také ve vedení, které jej spojuje se zátěží. Pokud je sériové vinutí zapnuto tak, že jím vytvářený magnetický tok směřuje proti toku paralelního vinutí (protikomutace), pak bude vnější charakteristika generátoru s velkým počtem závitů sériového vinutí strmě klesat (křivka 5).

Zpětné zapojení sériových a paralelních budicích vinutí se používá u svařovacích generátorů pracujících v podmínkách častých zkratů. U takových generátorů v případě zkratu sériové vinutí téměř úplně demagnetizuje stroj a snižuje zkratový proud. na hodnotu, která je pro generátor bezpečná.

Generátory s budícím vinutím s opačným zapojením se na některých dieselových lokomotivách používají jako budiče trakčních generátorů, zajišťují stálost výkonu dodávaného generátorem.

Takové patogeny se také používají na elektrických stejnosměrných lokomotivách. Napájí budicí vinutí trakčních motorů, které pracují v regenerativním režimu během rekuperačního brzdění a poskytují strmě klesající vnější charakteristiky.

Smíšené buzení generátoru je typickým příkladem regulace rušení.

DC generátory jsou často zapojeny paralelně, aby fungovaly ve společné síti.Předpokladem pro paralelní provoz generátorů s rozložením zátěže úměrným jmenovitému výkonu je identita jejich vnějších charakteristik. Při použití generátorů se smíšeným buzením musí být jejich sériová vinutí pro vyrovnávací proudy spojena ve společném bloku vyrovnávacím vodičem.