DC generátor

Stejnosměrný generátor je elektrický stroj , který přeměňuje mechanickou energii na stejnosměrnou elektrickou energii .

Princip činnosti generátorů proudu

Princip činnosti generátoru je založen na zákonu elektromagnetické indukce - indukci elektromotorické síly v pravoúhlém obvodu (drátěném rámu) umístěném v rovnoměrném rotujícím magnetickém poli .

Předpokládejme, že stejnoměrné magnetické pole vytvořené permanentním magnetem se otáčí kolem své osy ve vodivém obvodu (drátovém rámu) s rovnoměrnou úhlovou rychlostí . Dvě stejné vertikální strany obrysu (viz obrázek) jsou aktivní , protože je protínají magnetické čáry magnetického pole. Dvě vodorovné strany obrysu, které jsou odděleně stejné, nejsou aktivní, protože je magnetické čáry magnetického pole nekříží, magnetické čáry kloužou po vodorovných stranách, nevzniká v nich elektromotorická síla. $\omega$

V každé z aktivních stran obvodu se indukuje elektromotorická síla, jejíž hodnota je určena vzorcem:

$e_{1}=Blv\sin \omega t$ a kde $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

$e_{1}$ a - okamžité hodnoty elektromotorických sil indukovaných na aktivních stranách obvodu ve voltech ; $e_{2}$

$B$ - magnetická indukce magnetického pole ve volt - sekundách na metr čtvereční ( T , Tesla );

$l$ - délka každé z aktivních stran vrstevnice v metrech ;

$proti$ - lineární rychlost otáčení aktivních stran obrysu v metrech za sekundu;

$t$ — čas v sekundách ;

$\omega t$ a jsou úhly , pod kterými magnetické čáry protínají aktivní strany obrysu. $\omega t+$ $\pi$

Protože elektromotorické síly indukované v aktivních stranách obvodu působí vzájemně v souladu, výsledná elektromotorická síla indukovaná v obvodu,

se bude rovnat , to znamená, že indukovaná elektromotorická síla v obvodu se mění podle sinusového zákona. $e=2Blv\sin \omega t$

Otáčí-li se v obvodu stejnoměrné magnetické pole stejnoměrnou úhlovou rychlostí, indukuje se v něm sinusová elektromotorická síla .

Vlastnosti a uspořádání stejnosměrných generátorů

U stejnosměrných generátorů jsou magnety, které vytvářejí magnetické pole a nazývají se budicí cívky, stacionární a cívky rotují, ve kterých se indukuje elektromotorická síla a z nichž je odebírán proud. Dalším, hlavním rysem, je způsob odvádění proudu z cívek, který je založen na skutečnosti, že pokud jsou konce aktivních stran obvodu připojeny nikoli ke sběracím kroužkům (jak se to dělá u alternátorů ), ale k půlkroužkům s izolovanými mezerami mezi nimi (jak je znázorněno na obrázku 2 ), pak rám s proudem poskytne usměrněné elektrické napětí do vnějšího obvodu .

Když se kontura otáčí, otáčí se spolu s ní i půlky kolem své společné osy. Současný sběr z půlkroužků se provádí štětci . Protože jsou kartáče nehybné, přicházejí střídavě do kontaktu s jedním nebo druhým půlkroužkem. K výměně poloměrů dochází v okamžiku, kdy sinusová elektromotorická síla v obvodu prochází svou nulovou hodnotou. V důsledku toho si každý kartáč zachovává svou polaritu nezměněnou. Pokud je na půlkroužcích nějaké sinusové napětí, pak se na kartáčích již usměrňuje (v tomto případě pulzuje). V praxi stejnosměrné generátory nepoužívají jeden drátový obvod, ale podstatně větší počet, výstup z každého konce každého obvodu je připojen na vlastní kontaktní desku, oddělenou od sousedních desek izolačními mezerami. Kombinace kontaktních desek a izolačních mezer se nazývá kolektor , kontaktní deska se nazývá kolektorová deska . Celá sestava (kolektor, kartáče a držáky kartáčů) se nazývá sestava kartáč-kolektor . Materiál, ze kterého je vyroben izolant mezi kolektorovými deskami, je zvolen tak, aby jeho tvrdost byla přibližně stejná jako tvrdost kolektorových desek (pro rovnoměrné opotřebení ). Zpravidla se používá micanit (lisovaná slída ). Sběrné desky jsou obvykle vyrobeny z mědi .

Kostra ( stator ) generátoru se nazývá jho . Na třmenu jsou připevněna jádra elektromagnetu , víka s ložisky , ve kterých se otáčí hřídel generátoru. Třmen je vyroben z feromagnetického materiálu ( ocelolitina ). Na jádrech elektromagnetů jsou namontovány budicí cívky . Aby magnetické čáry magnetického pole měly potřebný směr, jsou jádra elektromagnetů dodávána s pólovými nástavci . Elektromagnety napájené stejnosměrným proudem ( budicí proud ) vytvářejí v generátoru magnetické pole . Budicí cívka se skládá z cívek z izolovaného měděného drátu navinutého na rámu. Vinutí budicích cívek jsou vzájemně zapojena do série takovým způsobem, že libovolná dvě sousední jádra mají opačnou magnetickou polaritu.

Rotující část generátoru ( rotor ) se nazývá kotva . Jádro kotvy je vyrobeno z elektrooceli. Aby nedocházelo ke ztrátám vířivými proudy, je jádro kotvy sestaveno z jednotlivých ozubených ocelových plechů, které tvoří prohlubně (drážky). V prohlubních je položeno kotevní (silové) vinutí. U generátorů s nízkým výkonem je vinutí kotvy vyrobeno z izolovaného měděného drátu, u generátorů s vysokým výkonem z pravoúhlých měděných pásků. Aby při působení odstředivých sil nebylo kotevní vinutí vytrženo z drážek, je upevněno na jádru obvazy. Vinutí kotvy je přiloženo k jádru tak, že každý dva aktivní vodiče spojené přímo a sériově spolu leží pod různými magnetickými póly. Vinutí se nazývá vlnové , pokud drát prochází střídavě pod všemi póly a vrací se k původnímu pólu, a smyčka , pokud se drát procházející pod „severním“ pólem a poté pod sousedním „jižním“ pólem vrací k původnímu pólu. "Severní pól.

Aby kolektorové desky a mezi nimi izolační mikanitové (slídové) desky nebyly odstředivými silami vytrženy ze svých lůžek - mají ve spodní části rybinové uložení .

Kartáče jsou obvykle vyrobeny z grafitu . Minimální počet kartáčů v DC generátoru jsou dva: jeden je kladný pól generátoru (kladný kartáč), druhý je záporný pól (záporný kartáč). U vícepólových generátorů se počet párů kartáčů obvykle rovná počtu párů pólů, což zajišťuje nejlepší výkon generátoru. Kartáče stejné polarity (stejnojmenné kartáčky) jsou navzájem elektricky propojeny.

Kartáč překrývá dvě nebo tři sběrné desky současně, tím se snižuje jiskření na sběrači pod kartáči (zlepšuje se spínání).

Držák kartáčů zajišťuje, že konkávní strana kartáčů je neustále přitlačována k válcové ploše kolektoru.

Reakce kotvy

Není-li generátor stejnosměrného proudu zatížen (generátor nečinný), pak je magnetické pole statoru (vinutí pole) symetrické kolem osy pólů S - N a geometrického neutrálu (naznačeno na obrázku Normální neutrální rovina ). Při zatížení generátoru protéká jeho vinutím kotvy elektrický proud a vytváří vlastní magnetické pole. Magnetická pole statoru a rotoru jsou na sebe superponována a tvoří výsledné magnetické pole.

Tam, kde kotva při své rotaci nabíhá do pólu elektromagnetu (magnetu) statoru, je výsledné pole slabší, tam, kde utíká, je silnější. To je vysvětleno skutečností, že v prvním případě mají magnetická pole různé směry a ve druhém jsou stejná. Pokud nedochází k magnetickému nasycení oceli v magnetických obvodech, pak se má za to, že výsledný magnetický tok se co do velikosti nezměnil.

Dle konfigurace se však výsledný magnetický tok výrazně změnil, čím více je generátor zatížen a čím větší je magnetická saturace oceli v magnetických obvodech, tím silněji se projevuje reakce kotvy a dochází k mírnému poklesu el. magnetický tok.

V důsledku toho se elektromotorická síla generátoru snižuje a pod kartáči na kolektoru je pozorováno jiskření.

V praxi se bojuje proti reakci kotvy:

použití přídavných magnetických pólů, které kompenzují magnetická pole kotvy;
posunutí kartáčů z geometrického neutrálu ( Normální neutrální rovina ) za fyzický neutrál ( Skutečná neutrální rovina ), jejich nastavení a natočení do určitého úhlu (uvedeno na obrázku Komutační rovina ), čímž se zabrání jiskření pod kartáči.

Elektromotorická síla stejnosměrného generátoru

Předpokládejme, že v bipolárním magnetickém poli , jehož magnetický tok je roven , se kotva generátoru otáčí konstantním počtem otáček . Počet všech aktivních vodičů umístěných na válcové ploše kotvy a protínajících magnetický tok při rotaci je roven . $\Phi$ $n$ $z$

Průměrná hodnota indukované elektromotorické síly v každém z aktivních vodičů kotvy je , kde $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi$

n

- počet otáček kotvy za minutu;

\Phi

je magnetický tok pólů ve Weberovi ;

E

je indukovaná elektromotorická síla ve voltech .

Aktivní vodiče kotvy generátoru jsou zapojeny do série mezi sebou, sčítá se v nich indukovaná elektromotorická síla. U dvoupólového stroje je vždy dvojice paralelních větví vinutí kotvy, takže průměrná hodnota EMF ve vinutí kotvy je , $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi \times {\frac {z}{2}}$

nebo , kde je počet všech aktivních vodičů na kotvě generátoru. $E=z\Phi {\frac {n}{60))$ $z$

Průměrná hodnota indukované elektromotorické síly v generátoru je přímo úměrná velikosti magnetického toku , počtu otáček kotvy za minutu a počtu aktivních vodičů kotvy. $\Phi$ $n$ $z$

Pokud má vícepólový generátor např. póly a jeho vinutí kotvy se skládá z paralelních větví, pak je průměrná hodnota indukované elektromotorické síly generátoru $2p$ $2a$

E={\frac {n}{60}}\times \Phi \times {\frac {z}{2a}}\times 2p

, nebo .

E={\frac {p}{a}}z\Phi {\frac {n}{60}}

Výkon stejnosměrných generátorů

Celkový elektrický výkon stejnosměrného generátoru se rovná součinu elektromotorické síly generátoru a celkového proudu jeho vinutí kotvy: $E$ $IA}$

P=EI_{a}

Pokud je EMF generátoru udržováno konstantní, pak jeho celkový elektrický výkon bude úměrný proudu . $IA}$

Podle vzorce EMF generátoru : $E={\frac {p}{a}}z\Phi {\frac {n}{60}}$

Za jinak stejných okolností se celkový elektrický výkon generátoru zvyšuje s rostoucím počtem otáček jeho kotvy a zvyšováním počtu jeho pólů.

Užitný výkon dodávaný generátorem do vnějšího obvodu se rovná součinu elektrického napětí na svorkách generátoru množstvím proudu vyslaného generátorem do vnějšího obvodu: , kde $P_1$ $U$ $já$ $P_{1}=UI$

P_1

- užitečný výkon ve wattech ;

U

- napětí ve voltech ;

já

- proud v ampérech .

Účinnost stejnosměrných generátorů

Poměr užitečného výkonu k celkovému výkonu vyvinutému generátorem se nazývá elektrická účinnost , kde $P_1$ $P$ ${\displaystyle \eta _{e))$

{\displaystyle \eta _{e))

— součinitel výkonu ( účinnost );

P_1

— užitečná síla;

P

- plná síla.

Elektrická účinnost generátoru závisí na jeho režimu provozu. Elektrická účinnost je nejvyšší při normální zátěži, takže generátor by měl být vždy plně zatížen (ne vždy). Nejnižší účinnost má při volnoběhu, kdy je proud ve vnějším obvodu nulový.

Pokud je generátor přetížen, pak se jeho účinnost sníží v důsledku zvýšených ztrát pro ohřev vinutí kotvy.

Výkonné generátory mají vyšší elektrickou účinnost než nízkopříkonové, v průměru je elektrická účinnost asi 90 %.

Průmyslová účinnost je poměr užitečného výkonu vyvinutého generátorem k mechanickému výkonu , který motor vyvine na svém hřídeli rotujícím kotvu generátoru: (to znamená, kolik to stálo a kolik to dalo)

\eta _{m}={\frac {P_{1}}{P}}

, kde

\eta_{m}

— průmyslová účinnost;

P_1

- užitečný výkon vyvinutý generátorem;

P

- mechanická síla vyvinutá hlavním pohonem na hřídeli.

Průmyslová účinnost kromě elektrických ztrát v generátoru zohledňuje všechny mechanické a magnetické ztráty, takže je menší než elektrická účinnost.

Rozdělení stejnosměrných generátorů podle způsobu jejich buzení

V závislosti na tom, jak jsou budicí vinutí připojena k kotvě, se generátory dělí na:

generátory s nezávislým buzením ;
generátory se samobuzením;
- generátory s paralelním buzením nebo bočníkové generátory [1] ;
- generátory se sekvenčním buzením nebo sériové generátory [1] ;
- generátory se smíšeným buzením nebo složené generátory [1] ;

Nízkoenergetické generátory jsou někdy vyrobeny s permanentními magnety . Hlavní charakteristiky těchto generátorů se blíží charakteristikám generátorů s nezávislým buzením.

Hlavní veličiny charakterizující provoz stejnosměrných generátorů jsou:

elektromotorická síla , $E$
elektrické napětí na svorkách generátoru , $U$
zátěž ( elektrický proud dodávaný generátorem spotřebiteli) , $já$
budící proud , $já_{v}$
otáčky kotvy za minutu . $n$

Vztah mezi jakýmikoli dvěma základními veličinami charakterizujícími činnost generátoru se nazývá charakteristika generátoru .

Hlavní vlastnosti generátoru jsou vlastnosti:

pohyb naprázdno;
vnější (zatížení);
upravování.

Generátory s nezávislým buzením

U stejnosměrného generátoru s nezávislým buzením není budicí vinutí elektricky spojeno s vinutím kotvy. Je napájen stejnosměrným proudem z externího zdroje elektrické energie, jako je baterie ; výkonné generátory mají na společné hřídeli malý budič generátor . Budicí proud je nezávislý na proudu kotvy , který se rovná zatěžovacímu proudu . Typicky je budicí proud malý a činí 1 ... 3 % jmenovitého proudu kotvy. S budicím vinutím je sériově zapojen regulační reostat (reostat buzení) . Mění velikost budícího proudu a tím reguluje elektromotorickou sílu . $já_{v}$ $IA}$ $já$ $já_{v}$ $E$

Volnoběhová charakteristika ukazuje závislost elektrického napětí na budícím proudu při konstantních otáčkách . Generátor je odpojen od vnějšího obvodu (bez zátěže). Při budícím proudu se EMF generátoru nerovná nule, ale je 2 ... 4 % . Tato elektromotorická síla se nazývá počáteční nebo zbytková EMF, kvůli přítomnosti zbytkového magnetismu v magnetickém obvodu generátoru. Poté, jak se zvyšuje budící proud, EMF se zvyšuje, mění se podle křivky připomínající magnetizační křivku feromagnetických materiálů. $U_{0}=f(I_{v})$ $U$ $já_{v}$ $n=const$ $I_{v}=0$ $E_{ost}$ $U$

EMF generátoru zpočátku rychle roste (část charakteristiky) a mění se podle lineárního zákona. To je vysvětleno skutečností, že při nízkých hodnotách budícího proudu je ocel generátoru slabě magnetizována, její magnetický odpor je nízký kvůli relativně vysoké magnetické permeabilitě oceli. $ab$

S dalším zvýšením budícího proudu je narušen lineární vztah mezi ním a EMF generátoru (část charakteristiky). To je vysvětleno skutečností, že s rostoucím budicím proudem začíná ovlivňovat fenomén magnetického nasycení oceli. $b.c.$

S dalším zvýšením budícího proudu ( charakteristický úsek) dochází v oceli generátoru k silnému magnetickému sycení. Magnetická permeabilita oceli se zmenšuje a magnetický odpor oceli se naopak zvyšuje. Nesoulad mezi příchozí a sestupnou větví charakteristiky se vysvětluje přítomností magnetické hystereze v magnetickém obvodu stroje. $cd$

Vnější charakteristikou je závislost na a . Při zátěži napětí generátoru , kde je součet odporů všech vinutí zapojených do série v obvodu kotvy (kotva, přídavné póly a kompenzační vinutí). $U=f(I_{\text{n)))$ $n=const$ $I_{v}=const$ $U=E-{I_{a}}\Sigma r$ $\Sigma r$

Když je generátor normálně buzen, to znamená při normálním počtu otáček kotvy za minutu, má nominální EMF, může být zatížen proudem připojením spotřebitelů elektrické energie k němu.

Zatížený generátor vytváří proud v obvodu , kde $I={\frac {E}{r+R))$

já

- zatížení generátoru v ampérech;

E

je elektromotorická síla generátoru ve voltech;

r

- odpor vinutí kotvy v ohmech;

R

- ekvivalentní odpor vnější části obvodu (spotřebiče elektřiny).

Napětí na svorkách generátoru , to znamená, že se rovná elektromotorické síle generátoru bez poklesu napětí ve vinutí kotvy generátoru. ${\displaystyle U=E-{Ir))$ $E$ ${ir}$

Při proudu (klidový režim) se napětí na svorkách generátoru rovná jeho elektromotorické síle: , kde je napětí naprázdno generátoru. $I=0$ $U=U_{xx}=E$ ${\displaystyle U_{xx))$

Jak se zatížení zvyšuje, napětí na jeho svorkách klesá ze dvou důvodů: $já$ $U$

v důsledku poklesu napětí ve vnitřním odporu stroje; $r+R$
v důsledku poklesu EMF v důsledku demagnetizačního působení reakce kotvy. $E$

Regulační charakteristikou stejnosměrného generátoru je závislost budícího proudu na zátěži (proudu) při konstantním napětí a konstantních otáčkách . $já_{v}$ $já$ $U=const$ $n=const$

Při volnoběhu má generátor minimální budicí proud . Poté, jak se zátěž zvyšuje, roste i budicí proud . Pro udržení konstantního napětí na svorkách generátoru je nutné zvýšit jeho elektromotorickou sílu , čehož je dosaženo zvýšením budícího proudu . $I=0$ $I_{vo}$ $já_{v}$ $U$ $E$ $já_{v}$

Čím větší je magnetické nasycení oceli generátoru, tím strměji, za jiných stejných podmínek, stoupá graf regulační charakteristiky. To se vysvětluje tím, že s rostoucím proudem ve vinutí kotvy se zvyšuje demagnetizační účinek reakce kotvy a pro jeho kompenzaci je nutné zvýšit budicí proud.

Výhoda stejnosměrných generátorů s nezávislým buzením spočívá v jejich dobré vnější charakteristice, protože budicí proud je nezávislý na napětí na svorkách generátoru.

Nevýhodou takových generátorů je nutnost mít externí zdroj elektrické energie, který dodává stejnosměrný proud do budícího vinutí.

Stejnosměrné generátory s nezávislým buzením se používají především ve výkonových silnoproudých instalacích.

Paralelně buzené generátory

U generátoru s paralelním buzením je budicí vinutí zapojeno přes nastavovací reostat paralelně s vinutím kotvy. Pro normální provoz spotřebičů elektřiny je nutné udržovat konstantní napětí na svorkách generátoru, a to i přes změnu celkové zátěže. To se provádí regulací budícího proudu.

Budicí reostaty mají zpravidla kontakty naprázdno , pomocí kterých můžete zkratovat budicí vinutí „k sobě“. To je nutné při vypnutém budicím vinutí. Pokud je budicí vinutí vypnuto přerušením jeho obvodu, pak mizející magnetické pole vytvoří velmi velké samoindukční EMF, které může prorazit izolaci vinutí a vyřadit generátor. V případě zkratu budícího vinutí, když je vypnuto, se energie mizejícího magnetického pole přemění na teplo, aniž by došlo k poškození budícího vinutí, protože samoindukční EMF nepřekročí jmenovité napětí na generátoru terminály.

Stejnosměrný generátor s paralelním buzením napájí vlastní budicí vinutí a nepotřebuje externí zdroj elektrické energie. Samobuzení generátoru je možné pouze za přítomnosti zbytkového magnetismu v jádrech elektromagnetů, proto jsou vyrobeny z ocelolitiny a po zastavení generátoru je zbytkový magnetismus zachován. Vzhledem k tomu, že budicí vinutí je připojeno k jeho svorkám, při otáčení kotvy ve vinutí se indukuje EMF tokem zbytkového magnetismu a budícím vinutím začne protékat proud. Pokud je budicí vinutí správně zapojeno, takže jeho magnetický tok je nasměrován "podél cesty" s magnetickým tokem zbytkového magnetismu, pak se celkový magnetický tok zvyšuje, zvyšuje se EMF , magnetický tok a budící proud . Stroj je samobuzen a začíná stabilně pracovat s , , v závislosti na hodnotě odporu budícího obvodu. $E_{ost}$ $\Phi$ $E$ $\Phi$ $já_{v}$ ${I_{v}}=const$ $E=const$ $R=const$

Proces zvyšování elektromotorické síly generátoru (proces samobuzení generátoru) však nepostupuje, to znamená, že EMF generátoru se nezvyšuje donekonečna. Pokaždé je růst indukovaného EMF generátoru omezen jedním nebo druhým limitem. K tomu je nutné vzít v úvahu charakteristiku volnoběžného generátoru. $E$

Volnoběhová charakteristika generátoru s paralelním buzením

Na obrázku je volnoběhová charakteristika generátoru s paralelním buzením, tedy křivka závislosti napětí na svorkách na budícím proudu při konstantním počtu otáček kotvy a při konstantním odporu budícího obvodu . $U_{v}$ $já_{v}$ $n$ $R$

Zároveň je znázorněn graf závislosti úbytku napětí v budicím obvodu generátoru na budícím proudu . Tato závislost je lineární, od , kde je celkový konstantní odpor budícího vinutí a budícího reostatu. $U_{v}$ $já_{v}$ $U_{v}={I_{v}}R$ $R$

Při malých hodnotách budícího proudu je elektromotorická síla větší než úbytek napětí v budícím vinutí: . $já_{v}$ $E$ $U_{v}$ $E>{U_{v))$

V tomto případě generátor dodává proud do jeho budícího vinutí. Dochází k normálnímu procesu samobuzení, to znamená, že se zvýšením budícího proudu se zvyšuje elektromotorická síla a napětí na budicím vinutí, což má za následek zvýšení budícího proudu . Rychlost růstu elektromotorické síly a napětí je však různá. S rostoucím budicím proudem se rychlost růstu EMF snižuje a rychlost růstu napětí se nemění. Při určité hodnotě budícího proudu se napětí rovná elektromotorické síle : $já_{v}$ $E$ $U_{v}$ $já_{v}$ $E$ $U_{v}$ $I^{\prime }{_{v))$ $U^{\prime }{_{v))$ $E^{\prime }{_{v))$

$U^{\prime }{_{v}}=E^{\prime }{_{v}}$ . Při budícím proudu rovném grafům elektromotorické síly se protnou napětí . S dalším zvýšením budícího proudu by se grafy měly teoreticky rozcházet, avšak v tomto případě by EMF mělo být menší než napětí , což je nemožné , protože napětí je součástí elektromotorické síly a nemůže být větší než ono. $já_{v}$ $E$ $U_{v}$ $E$ $U_{v}$ $U_{v}$ $E$

Hodnota budícího proudu je jeho mezní hodnota při konstantním počtu otáček a při konstantním odporu budícího obvodu . Pro klidový režim generátoru: , kde je celková indukčnost vinutí pole a kotvy. $I^{\prime }{_{v))$ $n=const$ $R=const$ $E={i_{B}}{R_{B}}+L{{d{i_{B}}} \over {dt}}$ $L$

Strmost přímky vyjadřující závislost napětí na svorkách generátoru na budícím proudu závisí na odporu budícího obvodu a tedy na odporu bočníkového reostatu přítomného v budicím obvodu. Čím větší je tento odpor, tím strmější je přímá závislost na nárůstech a čím nižší je budicí proud, dojde k průniku grafů závislostí a na budícím proudu . $U_{v}$ $já_{v}$ $U_{v}$ $já_{v}$ $U_{v}$ $E$ $já_{v}$

Proces samobuzení generátoru s paralelním buzením trvá tak dlouho, dokud budicí proud nedosáhne určité mezní hodnoty při daných normálních otáčkách kotvy generátoru a elektromotorická síla se nerovná její jmenovité hodnotě. $já_{v}$ $E$

Pokud je budicí vinutí generátoru nesprávně připojeno k vinutí kotvy, generátor nebude buzen, protože budicí proud vytváří magnetický tok směřující ke zbytkovému magnetickému toku a stroj se demagnetizuje.

Poté bude potřeba odpojit budicí vinutí od generátoru, správně jej připojit ke zdroji stejnosměrného proudu (baterii), zmagnetizovat a správně sestavit elektrický obvod generátoru.

Vnější charakteristika : Když generátor běží naprázdno, napětí na jeho svorkách je maximální . Poté, se zvýšením zatížení generátoru , začne napětí na jeho svorkách klesat, poněkud rychleji než u generátoru s nezávislým buzením. Je to dáno tím, že napětí klesá nejen v důsledku rostoucího vlivu reakce kotvy a úbytku napětí ve vinutí kotvy, ale také tím, že s poklesem napětí na svorkách generátoru, resp. jeho budicí proud klesá a v souladu s tím se snižuje EMF. ${\displaystyle U_{xx))$ $já$ $U$ $U$

Pokud dojde ke snížení elektrického odporu spotřebitele, dojde tedy ke zvýšení zátěže . Pokud se však odpor zátěže kriticky sníží, proud generátoru dosáhne své kritické hodnoty, při které začne prudký pokles napětí. Kritický proud generátoru je zpravidla přibližně 2-2,5násobek jmenovitého proudu. V režimu zkratu se odpor rovná nule, proud generátoru se rovná zkratovému proudu. Režim zkratu nezpůsobuje velké nebezpečí pro generátor s paralelním buzením, protože v tomto případě EMF prudce klesá na zbytkovou hodnotu . Přechod přes režim kritického proudu je však doprovázen silným jiskřením pod kartáči kolektoru v důsledku nadměrného přetížení generátoru a je proto nežádoucí. $já$ $E_{ost}$

Regulační charakteristikou generátoru s paralelním buzením je závislost budícího proudu na zatížení generátoru (proud kotvy) při konstantním napětí a konstantních otáčkách . Pro sériové budicí generátory je budicí proud roven proudu kotvy . Proto se při volnoběhu, kdy , indukuje zbytkové EMF . $já_{v}$ $IA}$ $U$ $n$ $já_{v}$ $IA}$ $I_{v}=I_{a}=I=0$ $E_{ost}$

Řídicí charakteristika generátoru s paralelním buzením má téměř stejnou podobu jako u generátoru s nezávislým buzením. Tato křivka je zpočátku téměř rovná, ale pak se vlivem saturace magnetického obvodu stroje ohýbá nahoru. Při stejném zatížení je však proud ve vinutí kotvy generátoru s paralelním buzením větší než proud ve vinutí kotvy generátoru s nezávislým buzením, a to o hodnotu budícího proudu . Proto je u generátoru s paralelním buzením za všech ostatních stejných podmínek větší úbytek napětí na vinutí kotvy generátoru a reakce kotvy, což vyžaduje větší budicí proud. Řídicí charakteristika stoupá strměji než u generátoru s nezávislým buzením. $E_{ost}$

Generátory paralelního buzení se nebojí zkratů . Při zkratu se proud ve vnějším obvodu prudce zvyšuje, proto se zvyšuje proud ve vinutí kotvy generátoru. V důsledku toho se pokles napětí ve vinutí kotvy prudce zvyšuje, napětí na svorkách generátoru klesá, budicí proud klesá, EMF generátoru a proud ve vinutí kotvy se snižují. Všechny tyto procesy probíhají tak rychle, že krátkodobý zkratový proud nestihne zahřát vodiče vinutí kotvy.

Externí zdroj elektrické energie dodávající stejnosměrný proud do budícího vinutí není u generátorů s paralelním buzením potřeba.

Stejnosměrné generátory s paralelním buzením se používají v komunikační technice k napájení rádiových instalací, k napájení nabíjecích jednotek a v mobilních svařovacích strojích .

Sériově buzené generátory

Sériově buzené stejnosměrné generátory mají budicí vinutí zapojené do série s vinutím kotvy.

Proud v budícím vinutí se rovná proudu (zátěži) generátoru :. $já_{v}$ $já$ $I_{v}=I$

Protože zátěž při volnoběhu je nulová, pak je budicí proud nulový, nelze tedy odstranit volnoběhovou charakteristiku , tedy závislost napětí na svorkách generátoru na budícím proudu při konstantní rychlosti v tomto generátoru . $já$ $já_{v}$ $U$ $já_{v}$ $n=const$

Elektrické napětí na svorkách sériově buzeného generátoru při volnoběhu je pouze několik procent jmenovitého, je způsobeno působením magnetického pole zbytkového magnetismu oceli generátoru. $U$

Pro buzení generátoru je nutné k němu připojit vnější obvod (spotřebič elektřiny), čímž se vytvoří podmínka pro výskyt proudu v budícím vinutí.

Vnější charakteristika : napětí na svorkách generátoru se nejprve zvyšuje se zátěží (úsek křivky) a poté začíná klesat. To je vysvětleno následovně: nejprve s nárůstem zátěže roste i budicí proud , protože . V důsledku toho se zvyšuje elektromotorická síla a napětí na svorkách generátoru. S rostoucí zátěží však napětí na jeho svorkách začíná klesat, protože úbytek napětí uvnitř vinutí kotvy je stále znatelnější. Elektromotorická síla generátoru se navíc s rostoucí magnetickou saturací oceli generátoru zvyšuje velmi málo, proto i přes její mírné zvýšení napětí na svorkách generátoru po určitém mezním zatížení začne klesat. $U$ $já$ $0-a$ $já$ $já_{v}$ $I_{v}=I$ $E$ $U$ $já$ $U$ $Ir$ $E$ $já$

Regulační charakteristiku generátoru se sériovým buzením nelze odstranit , protože při změně zatížení generátoru není možné volit jeho budicí proud tak, aby napětí na svorkách generátoru zůstalo konstantní.

Nevýhodou generátoru se sériovým buzením je výrazná závislost napětí na zátěži . Z tohoto důvodu se sériově buzené generátory v praxi používají jen zřídka, protože většina spotřebitelů elektřiny vyžaduje pro svůj normální provoz přesně definované napětí. $U$ $já$

Generátory se sekvenčním buzením lze použít pouze za podmínek přísné stálosti zatížení, například pro napájení elektrických ventilátorů, elektrických čerpadel a elektrických pohonů obráběcích strojů.

Generátory smíšeného buzení

V generátoru se smíšeným buzením jsou dvě budicí vinutí: hlavní (zapojené paralelně k vinutí kotvy, sestává z velkého počtu závitů tenkého drátu) a pomocné (zapojené sériově k vinutí kotvy, sestává z relativně malý počet závitů relativně tlustého drátu). V obvodu paralelního budícího vinutí je zařazen budicí reostat , pomocí kterého je regulován budicí proud v tomto vinutí.

Přítomnost paralelního a sériového budícího vinutí v generátoru umožňuje kombinovat v něm charakteristiky generátorů s paralelním a sériovým buzením.

Charakteristika volnoběhu

Protože generátor běží naprázdno odpojený od vnějšího obvodu, jeho zatížení je nulové . Budicí proud v sériovém budicím vinutí je rovněž nulový. Charakteristika bez zátěže stejnosměrného generátoru se smíšeným buzením je podobná jako u generátoru stejnosměrného proudu s paralelním buzením. $I=0$

Proces samobuzení generátoru se smíšeným buzením je stejný jako u stejnosměrného generátoru s paralelním buzením, protože sériové budicí vinutí se nepodílí na samobuzení generátoru kvůli absenci budícího proudu v to v tuto dobu.

Vnější charakteristika

Typ vnější charakteristiky generátoru se smíšeným buzením závisí na poměru magnetických toků z vinutí paralelního a sériového buzení a také na směru magnetických toků vytvářených těmito vinutími.

Když generátor běží naprázdno, napětí na jeho svorkách se rovná jmenovitému napětí . Při zapnutí zátěže a jejím následném růstu se napětí začne měnit. $I=0$ $U_{n}$

Graf 1 se týká generátorů, u kterých převládá magnetický tok ze sériového budícího vinutí. Se zvyšujícím se zatížením se napětí na svorkách začíná zvyšovat a dosahuje maxima při zatížení pod nominální hodnotou , poté napětí začíná klesat. Když se zátěž stane nominální, napětí je stále vyšší než jmenovité . $V}$ $U$ $U_{n}$
Graf 2 platí pro generátory, kde je svorkové napětí při jmenovité zátěži stejné jako naprázdno. Toho je dosaženo regulací budícího proudu paralelního vinutí pomocí reostatu. Přesto se napětí zpočátku poněkud zvyšuje a po dosažení maxima klesá.
Graf 3 se týká generátorů, u kterých převládá magnetický tok z bočníkového vinutí. Napětí při jmenovité zátěži je nižší než jmenovité napětí . $U$ $V}$ $U_{n}$
Graf 4 ukazuje, co se stane, když se sériově buzené vinutí zapne tak, že vytvoří magnetické pole namířené proti magnetickému poli vytvořenému paralelním budícím vinutím. Se zvyšujícím se zatížením generátoru a v důsledku toho i s budicím proudem sériového vinutí se rychlost poklesu napětí na svorkách generátoru stále více zvyšuje. Zatížení generátoru nemá čas dosáhnout jmenovité hodnoty a napětí se již rovná nule.

Řídicí charakteristika

Přítomnost dvou vinutí, když jsou zapnuta konsonantně, umožňuje získat přibližně konstantní napětí generátoru při změně zátěže. Volbou počtu závitů sériového vinutí tak, aby jím vytvářené napětí při jmenovité zátěži kompenzovalo celkový úbytek napětí při provozu stroje pouze s jedním paralelním vinutím, lze zajistit, že napětí prakticky zůstane zachováno nezměněn , když se zatěžovací proud změní z nuly na nominální. ${\displaystyle {\Delta U}_{posl))$ $\Delta U$ $U$ $já$

Když generátor běží naprázdno, budicí proud se rovná určité hodnotě a pak se zvyšujícím se zatížením začíná klesat. To je vysvětleno skutečností, že s výskytem zátěže vstupuje do činnosti sériové budicí vinutí, jehož magnetické pole působí v souladu s magnetickým polem paralelního budícího vinutí. Pro udržení stálosti výsledného magnetického toku, a tím i stálosti napětí na svorkách generátoru, je nutné nejprve mírně snížit budicí proud v paralelním budicím vinutí. $i_{v0}$ $já$ $já$ ${\displaystyle i_{v))$

Jak se však zatížení generátoru zvyšuje a blíží se jeho jmenovité hodnotě, začíná se zvyšovat budicí proud. To je vysvětleno skutečností, že se zvýšením zatížení generátoru se zvyšuje vliv reakce kotvy, zvyšuje se pokles napětí ve vinutí kotvy, v oceli generátoru dochází k magnetickému sycení a napětí na svorkách generátoru klesá. V tomto případě je pro udržení konstantního napětí nutné zvýšit proud v paralelním vinutí. Výsledkem je, že budicí proud paralelního vinutí dosahuje při jmenovité zátěži generátoru hodnoty přibližně rovné budícímu proudu při chodu generátoru naprázdno. ${\displaystyle i_{v))$ $V}$

Hlavní výhodou generátorů se smíšeným buzením oproti jiným typům stejnosměrných generátorů je jejich schopnost udržovat na svých svorkách prakticky konstantní napětí při změně zátěže v širokém rozsahu.

Nevýhodou generátorů se smíšeným buzením je jejich strach ze zkratů a také složitost konstrukce kvůli přítomnosti sériových a paralelních budicích vinutí.

Použití stejnosměrných generátorů

Na úsvitu elektrifikace (do konce 19. století ) byly generátory stejnosměrného proudu jediným zdrojem elektrické energie v průmyslu (elektrická energie získaná pomocí chemických zdrojů proudu byla drahá a i dnes jsou baterie poměrně drahé). Lidstvo prostě neumělo používat střídavý proud .

Díky společnosti Westinghouse , Yablochkov , Tesla , Dolivo-Dobrovolsky byly vynalezeny transformátory , asynchronní střídavé motory a třífázový napájecí systém . Stejnosměrný proud začal ustupovat .

Stejnosměrné generátory našly uplatnění v městské elektrické dopravě ( tramvaje a trolejbusy ) pro napájení nízkonapěťových řídicích obvodů, v telekomunikační technice.

Do 2. poloviny 20. století se stejnosměrné generátory používaly ve vozidlech ( automobilové generátory ), avšak vzhledem k rozšířenému používání polovodičových diod byly nahrazeny kompaktnějšími a spolehlivějšími třífázovými střídavými generátory se zabudovanými usměrňovači . .

Například stejnosměrný generátor G-12 ( auto GAZ-69 ) váží 11 kg, jmenovitý proud 20 ampér a alternátor G-250P2 ( auto UAZ-469 ) o hmotnosti 5,2 kg produkuje jmenovitý proud 28 ampér; Alternátor 31400-83E00 ( Suzuki Wagon R+ ) s hmotností 4,5 kg produkuje proud 70 ampér. To znamená, že bylo dosaženo téměř 8násobného zvýšení proudového výkonu na kilogram hmoty.

V železniční dopravě (na dieselových lokomotivách ) až do 70. let 20. století. hlavním typem trakčního generátoru byl generátor stejnosměrného proudu (lokomotivy TE3 , TE10 , TEP60 , TEM2 atd.), avšak proces jejich nahrazování třífázovými generátory začal na dieselových lokomotivách jako TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K je použit elektrický převod AC-DC, jsou instalovány synchronní třífázové trakční generátory . Stejnosměrné trakční motory , elektřina generovaná generátorem je usměrňována polovodičovým usměrňovačem. Výměna stejnosměrného generátoru za generátor střídavého proudu umožnila snížit hmotnost elektrického zařízení, rezervu lze použít pro instalaci výkonnějšího dieselového motoru . Trakční alternátor však nelze použít jako spouštěč pro motor dieselové lokomotivy, spouštění provádí stejnosměrný generátor pro řídicí obvody. Nové ruské lokomotivy 2TE25A , TEM21 využívají AC-AC elektrický převod s asynchronními trakčními motory.

Paralelní provoz stejnosměrných generátorů

Každý generátor elektrické energie pracuje s nejvyšší účinností při plném zatížení, pokud je generátor málo zatížen, pak jeho režim provozu není příliš ekonomický. Pro hospodárný provoz generátorů v síti s vysoce proměnlivou zátěží je obvykle napájen z několika paralelně zapojených generátorů .

Při paralelním zapojení jsou kladné svorky generátorů připojeny přes ampérmetr a nožový spínač ke kladné distribuční sběrnici a záporné svorky k záporné sběrnici. Voltmetr umožňuje měřit napětí na svorkách generátoru a kontrolovat jeho polaritu.

Pokud se zatížení elektrické sítě zvýší, spustí se druhý generátor. Úpravou otáček primárního motoru se dosáhne normálního počtu otáček a normálního napětí na svorkách. Poté, co se elektrické napětí druhého generátoru rovná napětí v síti, se spínač sepne a generátor se připojí k pneumatikám. V tomto případě se však EMF druhého generátoru rovná napětí prvního generátoru a neposílá proud do sítě. Pro zatížení druhého generátoru je nutné mírně zvýšit jeho EMF úpravou budícího proudu pomocí reostatu . Úpravou budícího proudu prvního generátoru pak můžete mezi ně přerozdělit zátěž, přičemž je třeba se ujistit, že napětí na distribuční sběrnici zůstane nezměněno.

Pokud je EMF generátoru pod elektrickým napětím v distribuční sběrnici , bude fungovat jako stejnosměrný motor , což může vést k nehodě.

Generátory se smíšeným buzením mají mezi kartáči generátoru stejného jména (kladný nebo záporný) vyrovnávací vodič , na který je připojen jeden z konců sériového budícího vinutí. Vyrovnávací drát (pneumatika) je nezbytný pro stabilní paralelní provoz generátorů. Pokud se z nějakého důvodu sníží EMF jednoho generátoru, druhý generátor pošle proud přes vyrovnávací vodič do sériového vinutí prvního generátoru, zvýší jeho magnetické pole a zvýší EMF prvního generátoru na požadovanou hodnotu. Tím je dosaženo automatického nastavení elektromotorických sil paralelních generátorů se smíšeným buzením a je dosaženo stability jejich provozu.

Viz také

Alternátor

Poznámky

↑ 1 2 3 § 169. Generátory s nezávislým buzením a samobuzením. // Elementární učebnice fyziky / Ed. G.S. Landsberg . - 13. vyd. - M .: FIZMATLIT , 2003. - T. 2. Elektřina a magnetismus. - S. 422-427.

Literatura

Voldek A.I. , Popov V.V. Elektrické stroje. Úvod do elektromechaniky. Stejnosměrné stroje a transformátory: Učebnice pro vysoké školy. - Petrohrad: "Piter", 2008. - 320 s.