DC generator

En DC-generator är en elektrisk maskin som omvandlar mekanisk energi till elektrisk DC -energi .

Principen för drift av strömgeneratorer

Principen för driften av generatorn är baserad på lagen om elektromagnetisk induktion - induktionen av en elektromotorisk kraft i en rektangulär krets (trådram) belägen i ett enhetligt roterande magnetfält .

Låt oss anta att ett enhetligt magnetfält skapat av en permanentmagnet roterar runt sin axel i en ledande krets (trådram) med en enhetlig vinkelhastighet . Två lika vertikala sidor av konturen (se figur) är aktiva , eftersom de korsas av magnetfältets magnetiska linjer. Två horisontella sidor av konturen som är lika separata är inte aktiva, eftersom magnetfältets magnetiska linjer inte korsar dem, de magnetiska linjerna glider längs de horisontella sidorna, den elektromotoriska kraften bildas inte i dem. $\omega$

I var och en av de aktiva sidorna av kretsen induceras en elektromotorisk kraft, vars värde bestäms av formeln:

$e_{1}=Blv\sin \omega t$ och , var $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

$e_{1}$ och - momentana värden på de elektromotoriska krafterna som induceras i de aktiva sidorna av kretsen, i volt ; $e_{2}$

$B$ - magnetisk induktion av magnetfältet i volt - sekunder per kvadratmeter ( T , Tesla );

$l$ - längden på var och en av de aktiva sidorna av konturen i meter ;

$v$ - linjär hastighet med vilken de aktiva sidorna av konturen roterar, i meter per sekund;

$t$ — tid i sekunder ;

$\omega t$ och är de vinklar med vilka magnetlinjerna skär konturens aktiva sidor. $\omega t+$ $\pi$

Eftersom de elektromotoriska krafterna som induceras i de aktiva sidorna av kretsen verkar i enlighet med varandra, kommer den resulterande elektromotoriska kraften som induceras i kretsen,

kommer att vara lika , det vill säga den inducerade elektromotoriska kraften i kretsen ändras enligt en sinusformad lag. $e=2Blv\sin \omega t$

Om ett enhetligt magnetfält roterar i kretsen med en enhetlig vinkelhastighet, induceras en sinusformad elektromotorisk kraft i den .

Funktioner och arrangemang av DC-generatorer

I DC-generatorer är magneter som skapar ett magnetfält och kallas excitationsspolar stationära och spolar roterar där en elektromotorisk kraft induceras och från vilken ström tas. En annan huvudfunktion är metoden för att ta bort ström från spolarna, som är baserad på det faktum att om ändarna på de aktiva sidorna av kretsen är anslutna inte till släpringar (som görs i generatorer ), utan till halvringar med isolerade luckor mellan dem (som visas i figur 2 ), då kommer ramen med ström att ge en likriktad elektrisk spänning till den externa kretsen .

När konturen roterar roterar semiringarna också tillsammans med den runt sin gemensamma axel. Strömupptagningen från halvringarna utförs med borstar . Eftersom borstarna är orörliga kommer de växelvis i kontakt med den ena eller andra halvringen. Utbytet av semirings sker i det ögonblick då den sinusformade elektromotoriska kraften i kretsen passerar genom dess nollvärde. Som ett resultat behåller varje borste sin polaritet oförändrad. Om det finns någon sinusformad spänning på halvringarna, blir den redan likriktad på borstarna (i det här fallet pulserande). I praktiken använder DC-generatorer inte en trådkrets, utan ett betydligt större antal av dem, utgången från varje ände av varje krets är ansluten till sin egen kontaktplatta, separerad från angränsande plattor genom isolerande mellanrum. Kombinationen av kontaktplåtar och isolerande spalter kallas kollektor , kontaktplattan kallas kollektorplatta . Hela monteringsaggregatet (samlare, borstar och borsthållare) kallas borst-samlare . Materialet från vilket isolatorn är gjord mellan kollektorplattorna väljs så att dess hårdhet är ungefär lika med kollektorplattornas hårdhet (för jämnt slitage ). Som regel används micanit (pressad glimmer ). Samlarplattor är vanligtvis gjorda av koppar .

Generatorns skelett ( stator ) kallas oket . Elektromagnetkärnor är fästa på oket , lock med lager där generatoraxeln roterar. Oket är tillverkat av ferromagnetiskt material ( gjutstål ). Excitationsspolar är monterade på elektromagneternas kärnor . För att ge magnetfältets magnetiska linjer den nödvändiga riktningen, är elektromagneternas kärnor försedda med polstycken . Elektromagneter som drivs av likström ( excitationsström ) skapar ett magnetfält i generatorn . Excitationsspolen består av spolar av isolerad koppartråd lindad på en ram. Excitationsspolarnas lindningar är seriekopplade med varandra på ett sådant sätt att två intilliggande kärnor har motsatt magnetisk polaritet.

Den roterande delen av generatorn ( rotorn ) kallas ankare . Armaturkärnan är gjord av elektriskt stål. För att undvika virvelströmsförluster är ankarkärnan sammansatt av individuella tandade stålplåtar som bildar fördjupningar (spår). En ankar (kraft)lindning läggs i fördjupningarna. I lågeffektsgeneratorer är ankarlindningen gjord av isolerad koppartråd, i högeffektsgeneratorer, från rektangulära kopparremsor. Så att ankarlindningen under inverkan av centrifugalkrafter inte rivs ut ur spåren, den är fixerad på kärnan med bandage. Ankarlindningen appliceras på kärnan så att var och en av två aktiva ledare anslutna direkt och i serie med varandra ligger under olika magnetiska poler. Lindningen kallas våg , om tråden passerar växelvis under alla poler och återgår till den ursprungliga polen, och loop , om tråden, som passerar under den "norra" polen och sedan under den närliggande "södra" polen, återgår till den tidigare "Nordpolen.

Så att kollektorplattorna och de isolerande micanitplattorna (glimmer) mellan dem inte slits ur sina hylsor av centrifugalkrafter - de har ett laxstjärtfäste i den nedre delen .

Borstar är vanligtvis gjorda av grafit . Minsta antalet borstar i en DC-generator är två: en är den positiva polen på generatorn (positiv borste), den andra är den negativa polen (negativ borste). I flerpoliga generatorer är antalet borstpar vanligtvis lika med antalet polpar, vilket säkerställer bästa generatorprestanda. Borstar med samma polaritet (borstar med samma namn) är elektriskt anslutna till varandra.

Borsten överlappar två eller tre kollektorplattor samtidigt, detta minskar gnistor på kollektorn under borstarna (växlingen förbättras).

Borsthållaren ser till att borstarnas konkava sida ständigt pressas mot den cylindriska ytan på uppsamlaren.

Ankarreaktion

Om DC-generatorn inte är laddad (generator tomgång), är statorns magnetiska fält (fältlindningar) symmetriskt kring axeln för polerna S - N och den geometriska neutralen (indikeras i figuren Normalt neutralplan ). När generatorn är laddad flyter en elektrisk ström genom dess ankarlindning och skapar ett eget magnetfält. De magnetiska fälten hos statorn och rotorn är överlagrade på varandra och bildar det resulterande magnetfältet.

Där ankaret under sin rotation löper in i polen på statorns elektromagnet (magnet), där är det resulterande fältet svagare, där det rinner iväg är det starkare. Detta förklaras av det faktum att i det första fallet har magnetfälten olika riktningar, och i det andra är de samma. Om det inte finns någon magnetisk mättnad av stål i de magnetiska kretsarna, anses det resulterande magnetiska flödet inte har ändrats i storlek.

Men enligt konfigurationen har det resulterande magnetiska flödet förändrats avsevärt, ju mer generatorn belastas och ju större den magnetiska mättnaden av stålet i de magnetiska kretsarna är, desto starkare uppträder ankarreaktionen och det finns en liten minskning i magnetiskt flöde.

Som ett resultat minskar generatorns elektromotoriska kraft och gnistbildning observeras under borstarna på kollektorn.

I praktiken bekämpas ankarreaktionen:

använda ytterligare magnetiska poler som kompenserar för ankarets magnetfält;
flytta borstarna från det geometriska neutrala planet ( Normalt neutralplan ) bakom det fysiska neutrala planet ( Faktiskt neutralt plan ), ställ in dem och vrid dem till en viss vinkel (indikeras i figuren Kommuteringsplan ), vilket förhindrar gnistor under borstarna.

Elektromotorisk kraft hos en DC-generator

Antag att i ett bipolärt magnetfält , vars magnetiska flöde är lika med, roterar generatorankaret med ett konstant antal varv . Antalet aktiva ledare placerade på ankarets cylindriska yta och som korsar det magnetiska flödet under rotation är lika med . $\Phi$ $n$ $z$

Medelvärdet för den inducerade elektromotoriska kraften i var och en av ankarets aktiva ledare är , där $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi$

n

- antalet varv av ankaret per minut;

\Phi

är det magnetiska flödet av polerna i Weber ;

E

är den inducerade elektromotoriska kraften i volt .

Generatorarmaturens aktiva ledare är anslutna i serie med varandra, den inducerade elektromotoriska kraften i dem läggs till. I en tvåpolig maskin finns det alltid ett par parallella grenar av ankarlindningen, så medelvärdet av EMF i ankarlindningen är , $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi \times {\frac {z}{2}}$

eller , där är antalet aktiva ledare vid generatorankaret. $E=z\Phi {\frac {n}{60))$ $z$

Medelvärdet för den inducerade elektromotoriska kraften i generatorn är direkt proportionell mot storleken på det magnetiska flödet , antalet ankarvarv per minut och antalet aktiva ankarledare. $\Phi$ $n$ $z$

Om en flerpolig generator till exempel har poler och dess ankarlindning består av parallella grenar, så är medelvärdet av den inducerade elektromotoriska kraften hos generatorn $2p$ $2a$

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

, eller .

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

Effekt av likströmsgeneratorer

Den totala elektriska effekten som utvecklas av DC-generatorn är lika med produkten av generatorns elektromotoriska kraft och den totala strömmen av dess ankarlindning: $E$ $I_{a}$

P=EI_{a}

Om generatorns EMF hålls konstant, kommer dess totala elektriska effekt att vara proportionell mot strömmen . $I_{a}$

Enligt generatorns EMF- formel : $E={\frac {p}{a}}z\Phi {\frac {n}{60}}$

Allt annat lika ökar generatorns totala elektriska effekt med en ökning av antalet varv av dess ankare och en ökning av antalet poler.

Användbar effekt som ges av generatorn till den externa kretsen är lika med produkten av den elektriska spänningen vid generatorterminalerna med mängden ström som skickas av generatorn till den externa kretsen: , där $P_1$ $U$ $jag$ $P_{1}=UI$

P_1

- användbar effekt i watt ;

U

- spänning i volt ;

jag

- ström i ampere .

Effektivitet hos DC-generatorer

Förhållandet mellan användbar effekt och den totala effekten som utvecklas av generatorn kallas elektrisk verkningsgrad , där $P_1$ $P$ ${\displaystyle \eta _{e))$

{\displaystyle \eta _{e))

— prestandakoefficient ( effektivitet ).

P_1

— användbar kraft;

P

- full styrka.

Generatorns elektriska effektivitet beror på dess driftsätt. Elektrisk verkningsgrad är högst vid normal belastning, så generatorn bör alltid vara fullastad (inte alltid). Den har lägst verkningsgrad vid tomgång, när strömmen i den externa kretsen är noll.

Om generatorn är överbelastad kommer dess effektivitet att minska på grund av ökade förluster för uppvärmning av ankarlindningen.

Kraftfulla generatorer har högre elverkningsgrad än lågeffektsgeneratorer, i genomsnitt är den elektriska verkningsgraden cirka 90%.

Den industriella verkningsgraden är förhållandet mellan den användbara kraften som utvecklas av generatorn och den mekaniska kraften som motorn utvecklar på sin axel och roterar generatorankaret: (det vill säga hur mycket kostnad det tog och hur mycket det gav bort)

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

, var

\eta_{m}

— Industriell effektivitet.

P_1

- användbar kraft utvecklad av generatorn;

P

- mekanisk kraft utvecklad av drivmotorn på axeln.

Den industriella verkningsgraden, förutom elektriska förluster i generatorn, tar hänsyn till alla mekaniska och magnetiska förluster, så den är mindre än den elektriska verkningsgraden.

Klassificering av likströmsgeneratorer enligt metoden för deras excitering

Beroende på hur excitationslindningarna är anslutna till ankaret är generatorer indelade i:

generatorer med oberoende magnetisering ;
generatorer med självexcitering;
- generatorer med parallell magnetisering , eller shuntgeneratorer [1] ;
- generatorer med sekventiell excitation , eller seriegeneratorer [1] ;
- generatorer med blandad excitation eller sammansatta generatorer [1] ;

Lågeffektgeneratorer görs ibland med permanentmagneter . Huvudegenskaperna hos sådana generatorer är nära dem hos generatorer med oberoende excitation.

De huvudsakliga kvantiteterna som kännetecknar driften av DC-generatorer är:

elektromotorisk kraft , $E$
elektrisk spänning vid generatorterminalerna , $U$
belastning ( elektrisk ström som levereras av generatorn till konsumenten) , $jag$
excitationsström , $I_{v}$
ankarvarv per minut . $n$

Förhållandet mellan två grundläggande storheter som kännetecknar driften av en generator kallas generatorkarakteristik .

Generatorns huvudsakliga egenskaper är egenskaperna:

tomgångsrörelse;
extern (belastning);
justeras.

Generatorer med oberoende excitation

I en DC-generator med oberoende magnetisering är fältlindningen inte elektriskt ansluten till ankarlindningen. Den drivs av likström från en extern elektrisk energikälla, såsom ett batteri ; kraftfulla generatorer har en liten excitergenerator på en gemensam axel . Excitationsströmmen är oberoende av ankarströmmen , som är lika med lastströmmen . Typiskt är magnetiseringsströmmen liten och uppgår till 1 ... 3 % av ankarets märkström. En reglerande reostat (excitationsreostat) är kopplad i serie med excitationslindningen . Det ändrar storleken på excitationsströmmen och reglerar därigenom den elektromotoriska kraften . $I_{v}$ $I_{a}$ $jag$ $I_{v}$ $E$

Tomgångskarakteristiken visar den elektriska spänningens beroende av magnetiseringsströmmen vid konstant hastighet . Generatorn är frånkopplad från den externa kretsen (ingen belastning). Vid exciteringsströmmen är generatorns EMF inte lika med noll, utan är 2 ... 4% av . Denna elektromotoriska kraft kallas den initiala eller kvarvarande EMF, på grund av närvaron av kvarvarande magnetism i generatorns magnetiska krets. Sedan, när excitationsströmmen ökar, ökar EMF och förändras enligt en kurva som liknar magnetiseringskurvan för ferromagnetiska material. $U_{0}=f(I_{v})$ $U$ $I_{v}$ $n=const$ $I_{v}=0$ $E_{ost}$ $U$

Generatorns EMF växer initialt snabbt (en del av karaktäristiken), och förändras enligt en linjär lag. Detta förklaras av det faktum att vid låga värden på excitationsströmmen är generatorns stål svagt magnetiserat, dess magnetiska motstånd är lågt på grund av stålets relativt höga magnetiska permeabilitet. $ab$

Med en ytterligare ökning av excitationsströmmen bryts det linjära förhållandet mellan det och generatorns EMF (sektion av karakteristiken). Detta förklaras av det faktum att när excitationsströmmen ökar, börjar fenomenet med magnetisk mättnad av stål att påverka. $f.Kr.$

Med en ytterligare ökning av excitationsströmmen ( karakteristisk sektion) uppstår en stark magnetisk mättnad i generatorns stål. Den magnetiska permeabiliteten hos stål blir liten, och stålets magnetiska motstånd ökar tvärtom. Avvikelsen mellan de inkommande och nedåtgående grenarna av karakteristiken förklaras av närvaron av magnetisk hysteres i maskinens magnetiska krets. $cd$

Den yttre egenskapen är beroendet vid och . Under belastning, generatorspänningen , där är summan av resistanserna för alla lindningar kopplade i serie i ankarkretsen (armatur, extra poler och kompensationslindning). $U=f(I_{\text{n)))$ $n=const$ $I_{v}=const$ $U=E-{I_{a}}\Sigma r$ $\Sigma r$

När generatorn är normalt exciterad, det vill säga vid ett normalt antal ankarvarv per minut, har den en nominell EMF, den kan laddas med ström genom att ansluta konsumenter av elektrisk energi till den.

En laddad generator skapar en ström i kretsen , där $I={\frac {E}{r+R))$

jag

- generatorbelastning i ampere;

E

är generatorns elektromotoriska kraft i volt;

r

- ankarlindningsmotstånd i ohm;

R

- ekvivalent motstånd för den externa delen av kretsen (elförbrukare).

Spänningen vid generatorterminalerna , det vill säga den är lika med generatorns elektromotoriska kraft utan ett spänningsfall i generatorns ankarlindning. $U=E-{Ir}$ $E$ ${ir}$

Vid ström (viloläge) är spänningen vid generatorterminalerna lika med dess elektromotoriska kraft: , där är generatorns öppen kretsspänning. $I=0$ $U=U_{xx}=E$ ${\displaystyle U_{xx))$

När belastningen ökar minskar spänningen vid dess terminaler av två skäl: $jag$ $U$

på grund av spänningsfallet i maskinens inre motstånd; $r+R$
på grund av minskningen av EMF som ett resultat av ankarreaktionens avmagnetiseringsverkan. $E$

Reglerkarakteristiken för en DC-generator är excitationsströmmens beroende av belastningen (strömmen) vid konstant spänning och konstant hastighet . $I_{v}$ $jag$ $U=const$ $n=const$

Vid tomgång har generatorn en minimal magnetiseringsström . Sedan, när belastningen ökar, ökar även excitationsströmmen . För att upprätthålla en konstant spänning vid generatorns terminaler är det nödvändigt att öka dess elektromotoriska kraft , vilket uppnås genom att öka excitationsströmmen . $I=0$ $I_{vo}$ $I_{v}$ $U$ $E$ $I_{v}$

Ju större magnetisk mättnad är hos generatorns stål, desto brantare, under andra identiska förhållanden, stiger grafen för styrkarakteristiken. Detta förklaras av det faktum att med ökande ström i ankarlindningen ökar avmagnetiseringseffekten av ankarreaktionen och för att kompensera för det är det nödvändigt att öka excitationsströmmen.

Fördelen med likströmsgeneratorer med oberoende magnetisering ligger i deras goda yttre egenskaper, eftersom magnetiseringsströmmen är oberoende av spänningen vid generatorklämmorna.

Nackdelen med sådana generatorer är behovet av att ha en extern källa för elektrisk energi som levererar likström till excitationslindningen.

DC-generatorer med oberoende magnetisering används huvudsakligen i högeffekts högströmsinstallationer.

Parallellt exciterade generatorer

I en generator med parallell magnetisering är magnetiseringslindningen ansluten genom en justerande reostat parallellt med ankarlindningen. För normal drift av elkonsumenter är det nödvändigt att upprätthålla en konstant spänning vid generatorterminalerna, trots en förändring i den totala belastningen. Detta görs genom att reglera excitationsströmmen.

Excitationsreostater har som regel tomgångskontakter , med vilka du kan kortsluta excitationslindningen "till dig själv". Detta är nödvändigt när excitationslindningen är avstängd. Om excitationslindningen stängs av genom att bryta dess krets, kommer det försvinnande magnetfältet att skapa en mycket stor självinduktions-EMK som kan bryta igenom lindningsisoleringen och inaktivera generatorn. I händelse av en kortslutning av excitationslindningen, när den stängs av, omvandlas energin från det försvinnande magnetfältet till värme utan att skada excitationslindningen, eftersom självinduktions-EMK inte kommer att överstiga märkspänningen vid generatorn terminaler.

En DC-generator med parallell excitation matar sin egen fältlindning och behöver ingen extern källa för elektrisk energi. Självexcitering av generatorn är endast möjlig i närvaro av kvarvarande magnetism i kärnorna av elektromagneter, därför är de gjorda av gjutet stål och efter att generatorn slutar fungera bevaras kvarvarande magnetism. Eftersom excitationslindningen är ansluten till dess terminaler, när ankaret roterar i sin lindning, induceras en EMF av flödet av kvarvarande magnetism , och ström börjar flyta genom excitationslindningen. Om excitationslindningen är korrekt ansluten, så att dess magnetiska flöde riktas "längs vägen" med det magnetiska flödet av restmagnetism, ökar det totala magnetiska flödet, vilket ökar EMF , magnetiskt flöde och excitationsström . Maskinen är självexciterad och börjar arbeta stabilt med , , beroende på resistansvärdet på magnetiseringskretsen. $E_{ost}$ $\Phi$ $E$ $\Phi$ $I_{v}$ ${I_{v}}=const$ $E=const$ $R=const$

Processen att öka den elektromotoriska kraften hos generatorn (processen för självexcitering av generatorn) fortskrider dock inte, det vill säga generatorns EMF ökar inte på obestämd tid. Varje gång begränsas tillväxten av generatorns inducerade EMF av en eller annan gräns. För att göra detta är det nödvändigt att överväga egenskapen hos tomgångsgeneratorn. $E$

Tomgångskarakteristik för generator med parallell magnetisering

Figuren visar tomgångskarakteristiken för en generator med parallell excitation, det vill säga kurvan för beroendet av spänningen vid terminalerna på excitationsströmmen vid ett konstant antal varv av ankaret och vid ett konstant motstånd hos excitationskretsen . $U_{v}$ $I_{v}$ $n$ $R$

Samtidigt visas en graf över spänningsfallets beroende av exciteringsströmmen i generatorns exciteringskrets . Detta beroende är linjärt, eftersom , där är det totala konstanta motståndet hos excitationslindningen och excitationsreostaten. $U_{v}$ $I_{v}$ $U_{v}={I_{v}}R$ $R$

Vid små värden på excitationsströmmen är den elektromotoriska kraften större än spänningsfallet i excitationslindningen: . $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $E>{U_{v))$

I detta fall tillför generatorn ström till sin exciteringslindning. En normal process av självexcitering inträffar, det vill säga med en ökning av excitationsströmmen, den elektromotoriska kraften och spänningen på excitationslindningen ökar, vilket i sin tur medför en ökning av excitationsströmmen . Emellertid är tillväxthastigheten för den elektromotoriska kraften och spänningen annorlunda. När excitationsströmmen ökar minskar EMF-tillväxthastigheten och spänningstillväxthastigheten ändras inte. Vid ett visst värde på excitationsströmmen blir spänningen lika med den elektromotoriska kraften : $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $I^{\prime }{_{v))$ $U^{\prime }{_{v))$ $E^{\prime }{_{v))$

$U^{\prime }{_{v}}=E^{\prime }{_{v}}$ . Vid en excitationsström lika med graferna för den elektromotoriska kraften och spänningen skär varandra. Med en ytterligare ökning av excitationsströmmen bör graferna teoretiskt divergera, men i detta fall bör EMF bli mindre än spänningen , vilket är omöjligt , eftersom spänningen är en del av den elektromotoriska kraften och inte kan vara större än den. $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $E$ $U_{v}$ $U_{v}$ $E$

Värdet på magnetiseringsströmmen är dess gränsvärde vid ett konstant antal varv och vid ett konstant motstånd hos magnetiseringskretsen . För generatorns viloläge: , var är den totala induktansen för fält- och ankarlindningarna. $I^{\prime }{_{v))$ $n=const$ $R=const$ $E={i_{B}}{R_{B}}+L{{d{i_{B}}} \över {dt}}$ $L$

Lutningen på den räta linjen som uttrycker beroendet av spänningen vid generatorklämmorna på exciteringsströmmen beror på resistansen hos exciteringskretsen och därför på resistansen hos shuntreostaten som finns i exciteringskretsen. Ju större detta motstånd, desto brantare blir det direkta beroendet av stigningar och desto lägre blir excitationsströmmen, skärningspunkten mellan beroendegraferna och av excitationsströmmen . $U_{v}$ $I_{v}$ $U_{v}$ $I_{v}$ $U_{v}$ $E$ $I_{v}$

Processen med självexcitering av en generator med parallell excitation varar tills excitationsströmmen når ett visst gränsvärde vid givna normala varv för generatorankaret och den elektromotoriska kraften blir lika med dess nominella värde. $I_{v}$ $E$

Om generatorns excitationslindning är felaktigt ansluten till ankarlindningen, kommer generatorn inte att exciteras, eftersom excitationsströmmen skapar ett magnetiskt flöde riktat mot det kvarvarande magnetiska flödet och maskinen kommer att avmagnetisera.

Då måste du koppla bort excitationslindningen från generatorn, ansluta den korrekt till en DC-källa (batteri), magnetisera och korrekt montera generatorns elektriska krets.

Extern karaktäristik : När generatorn går på tomgång är spänningen vid dess terminaler maximal . Sedan, med en ökning av generatorns belastning , börjar spänningen vid dess terminaler att falla, något snabbare än för en generator med oberoende excitation. Detta beror på det faktum att spänningen minskar inte bara som ett resultat av den ökande påverkan av ankarreaktionen och spänningsfallet i ankarlindningen, utan också på det faktum att med en minskning av spänningen vid generatorterminalerna, dess excitationsström minskar och följaktligen minskar EMF. ${\displaystyle U_{xx))$ $jag$ $U$ $U$

Om det finns en minskning av konsumentens elektriska motstånd , är det därför en ökning av belastningen . Men om belastningsmotståndet blir kritiskt lågt kommer generatorströmmen att nå sitt kritiska värde, vid vilket en kraftig spänningsminskning börjar. Generatorns kritiska ström är som regel cirka 2-2,5 gånger den nominella strömmen. I kortslutningsläget blir motståndet lika med noll, generatorströmmen blir lika med kortslutningsströmmen. Kortslutningsläget orsakar inte stor fara för generatorn med parallell excitation, eftersom EMF i detta fall kraftigt minskar till ett restvärde . Övergången genom det kritiska strömläget åtföljs emellertid av starka gnistor under kollektorborstarna på grund av överbelastning av generatorn och är därför oönskad. $jag$ $E_{ost}$

Reglerkarakteristiken för en generator med parallell magnetisering är magnetiseringsströmmens beroende av generatorbelastningen (armaturström) vid konstant spänning och konstant hastighet . För seriemagnetiseringsgeneratorer är magnetiseringsströmmen lika med ankarströmmen . Därför, vid tomgång, när , induceras kvarvarande EMF . $I_{v}$ $I_{a}$ $U$ $n$ $I_{v}$ $I_{a}$ $I_{v}=I_{a}=I=0$ $E_{ost}$

Styrkarakteristiken för en generator med parallell magnetisering har nästan samma form som för en generator med oberoende magnetisering. Denna kurva är till en början nästan rak, men böjer sig sedan uppåt på grund av inverkan av mättnad av maskinens magnetiska krets. Men med samma belastning är strömmen i generatorns ankarlindning med parallell excitation större än strömmen i generatorns ankarlindning med oberoende excitation, med värdet på exciteringsströmmen . Därför, i en generator med parallell excitation, under alla andra identiska förhållanden, är spänningsfallet i generatorns ankarlindning och ankarreaktionen större, vilket kräver en större excitationsström. Styrkarakteristiken stiger brantare än för en generator med oberoende magnetisering. $E_{ost}$

Parallella magnetiseringsgeneratorer är inte rädda för kortslutningar . Med en kortslutning ökar strömmen i den externa kretsen kraftigt, därför ökar strömmen i generatorns ankarlindning. Som ett resultat ökar spänningsfallet i ankarlindningen kraftigt, i sin tur minskar spänningen vid generatorterminalerna, excitationsströmmen minskar, generatorns EMF och strömmen i ankarlindningen minskar. Alla dessa processer går så snabbt att den kortsiktiga kortslutningsströmmen inte hinner värma upp ankarlindningens ledningar .

En extern källa för elektrisk energi som levererar likström till excitationslindningen behövs inte för generatorer med parallell excitation.

DC-generatorer med parallell magnetisering används i kommunikationsteknik för att driva radioinstallationer, för att driva laddningsenheter och i mobila svetsmaskiner .

Serieexciterade generatorer

Seriematade DC-generatorer har en magnetiseringslindning kopplad i serie med ankarlindningen.

Strömmen i excitationslindningen är lika med strömmen (belastningen) av generatorn :. $I_{v}$ $jag$ $I_{v}=I$

Eftersom belastningen vid tomgång är noll, är excitationsströmmen noll, därför kan tomgångskarakteristiken , det vill säga beroendet av spänningen vid generatorterminalerna på excitationsströmmen vid en konstant hastighet i denna generator, inte tas bort . $jag$ $I_{v}$ $U$ $I_{v}$ $n=const$

Den elektriska spänningen vid terminalerna på en serieexciterad generator vid tomgång är bara några få procent av den nominella, det beror på verkan av magnetfältet hos generatorstålets restmagnetism. $U$

För att excitera generatorn är det nödvändigt att ansluta en extern krets (elkonsument) till den, vilket skapar ett villkor för förekomsten av ström i excitationslindningen.

Extern karaktäristik : spänningen vid generatorterminalerna ökar först med belastningen (sektionen av kurvan) och börjar sedan minska. Detta förklaras enligt följande: till en början, med en ökning av belastningen , ökar även excitationsströmmen , eftersom . Följaktligen ökar den elektromotoriska kraften och spänningen vid generatorterminalerna. Men när belastningen ökar börjar spänningen vid dess terminaler att sjunka, eftersom spänningsfallet inuti ankarlindningen blir mer och mer märkbart. Dessutom ökar den elektromotoriska kraften hos generatorn mycket lite när den magnetiska mättnaden av stålet i generatorn ökar, därför börjar spänningen vid generatorterminalerna efter en viss gränsbelastning att minska, trots dess lätta ökning. $U$ $jag$ $0-a$ $jag$ $I_{v}$ $I_{v}=I$ $E$ $U$ $jag$ $U$ $Ir$ $E$ $jag$

Det är omöjligt att ta bort regleringsegenskapen för en generator med serieexcitation , för när generatorbelastningen ändras är det omöjligt att välja dess magnetiseringsström på ett sådant sätt att spänningen vid generatorterminalerna hålls konstant i storlek.

Nackdelen med en generator med seriell excitation är ett uttalat spänningsberoende på belastning . På grund av detta används serieexciterade generatorer sällan i praktiken, eftersom de flesta elförbrukare kräver en strikt definierad spänning för normal drift. $U$ $jag$

Generatorer med sekventiell magnetisering kan endast användas under förhållanden med strikt belastningskonstans, till exempel för att driva elektriska fläktar, elektriska pumpar och verktygsmaskiner för elektriska drivenheter.

Blandade excitationsgeneratorer

I en generator med blandad magnetisering finns det två excitationslindningar: den huvudsakliga (kopplad parallellt med ankarlindningen, består av ett stort antal varv av tunn tråd) och hjälpanordningen (ansluten i serie till ankarlindningen, består av en relativt litet antal varv av relativt tjock tråd). En excitationsreostat ingår i den parallella excitationslindningskretsen , med hjälp av vilken excitationsströmmen i denna lindning regleras.

Närvaron av parallell- och serieexcitationslindningar i generatorn gör det möjligt att kombinera egenskaperna hos generatorer med parallell- och serieexitation.

Tomgångsegenskaper

Eftersom generatorn går på tomgång frånkopplad från den externa kretsen är dess belastning noll . Excitationsströmmen i serieexcitationslindningen är också noll. Tomgångskarakteristiken för en blandad exciterad DC-generator liknar den för en parallell-exciterad DC-generator. $I=0$

Processen för självexcitering av en generator med blandad excitation är densamma som för en DC-generator med parallell excitation, eftersom serieexcitationslindningen inte deltar i generatorns självexcitering på grund av frånvaron av excitationsström i det vid den här tiden.

Yttre egenskap

Typen av extern egenskap hos en generator med blandad excitation beror på förhållandet mellan magnetiska flöden från lindningarna av parallell och serie excitation, såväl som på riktningen för de magnetiska flöden som skapas av dessa lindningar.

När generatorn går på tomgång är spänningen vid dess terminaler lika med den nominella spänningen . När belastningen slås på och dess efterföljande tillväxt börjar spänningen ändras. $I=0$ $Fn}$

Diagram 1 hänvisar till generatorer där det magnetiska flödet från serieexcitationslindningen dominerar. Med en ökning av belastningen börjar spänningen vid terminalerna att öka och når ett maximum vid en belastning under det nominella värdet , sedan börjar spänningen sjunka. När belastningen blir nominell är spänningen fortfarande högre än den nominella . $I}$ $U$ $Fn}$
Diagram 2 gäller generatorer där terminalspänningen vid märklast är densamma som vid tomgång. Detta uppnås genom att reglera excitationsströmmen för parallelllindningen med hjälp av en reostat. Ändå ökar spänningen inledningsvis något, och minskar efter att ha nått ett maximum.
Diagram 3 hänvisar till generatorer där det magnetiska flödet från shuntlindningen dominerar. Spänningen vid märklast är lägre än märkspänningen . $U$ $I}$ $Fn}$
Diagram 4 visar vad som händer om en serieexciterad lindning slås på på ett sådant sätt att den skapar ett magnetfält riktat mot magnetfältet som skapas av den parallella excitationslindningen. När generatorbelastningen ökar och följaktligen serielindningens excitationsström ökar minskningshastigheten i spänningen vid generatorterminalerna mer och mer. Generatorbelastningen hinner inte nå det nominella värdet, och spänningen blir redan lika med noll.

Styrkarakteristik

Närvaron av två lindningar, när de slås på konsonant, gör det möjligt att erhålla en ungefär konstant spänning på generatorn när belastningen ändras. Genom att välja antalet varv av en serielindning så att spänningen som skapas av den vid en märklast kompenserar för det totala spänningsfallet när maskinen körs med endast en parallelllindning, är det möjligt att säkerställa att spänningen förblir praktiskt taget oförändrad när lastströmmen ändras från noll till nominell. ${\displaystyle {\Delta U}_{posl))$ $\Delta U$ $U$ $jag$

När generatorn går på tomgång är excitationsströmmen lika med ett visst värde , och sedan, med ökande belastning, börjar den avta. Detta förklaras av det faktum att med uppkomsten av lasten träder serieexcitationslindningen i funktion, vars magnetfält fungerar i enlighet med magnetfältet i den parallella excitationslindningen. För att bibehålla konstantiteten hos det resulterande magnetiska flödet, och därmed konstanten hos spänningen vid generatorterminalerna, är det först nödvändigt att något minska excitationsströmmen i den parallella excitationslindningen. $i_{v0}$ $jag$ $jag$ ${\displaystyle i_{v))$

Men när generatorbelastningen ökar och närmar sig sitt nominella värde, börjar magnetiseringsströmmen att öka. Detta förklaras av det faktum att med en ökning av belastningen på generatorn ökar påverkan av ankarreaktionen, spänningsfallet i ankarlindningen ökar, magnetisk mättnad uppstår i generatorstålet och spänningen vid generatorterminalerna minskar. I det här fallet, för att upprätthålla en konstant spänning, är det nödvändigt att öka strömmen i parallelllindningen. Som ett resultat når den parallella lindningens magnetiseringsström, vid generatorns nominella belastning, ett värde som är ungefär lika med magnetiseringsströmmen när generatorn går på tomgång. ${\displaystyle i_{v))$ $I}$

Den största fördelen med mixed-excitationsgeneratorer jämfört med andra typer av DC-generatorer är deras förmåga att upprätthålla en praktiskt taget konstant spänning vid sina terminaler när belastningen ändras över ett brett område.

Nackdelen med generatorer med blandad excitation är deras rädsla för kortslutningar , såväl som komplexiteten i designen på grund av närvaron av serie- och parallella excitationslindningar.

Användningen av DC-generatorer

I början av elektrifieringen (fram till slutet av 1800-talet ) var likströmsgeneratorer den enda källan till elektrisk energi i industrin (elektrisk energi som erhölls med kemiska strömkällor var dyr, och även idag är batterier ganska dyra). Mänskligheten visste helt enkelt inte hur man använder växelström .

Tack vare Westinghouse , Yablochkov , Tesla , Dolivo-Dobrovolsky , transformatorer , asynkrona AC-motorer och ett trefas strömförsörjningssystem uppfanns . Likström började ge vika .

DC-generatorer har funnit tillämpning i stadstrafik ( spårvagnar och trolleybussar ) för att driva lågspänningsstyrkretsar, inom telekommunikationsteknik.

Fram till andra hälften av 1900-talet användes DC-generatorer i fordon ( bilgeneratorer ), men på grund av den utbredda användningen av halvledardioder ersattes de av mer kompakta och mer pålitliga trefas AC-generatorer med inbyggda likriktare .

Till exempel väger G-12 DC-generatorn ( GAZ-69 bil ) 11 kg, märkström 20 ampere och G-250P2 generator ( UAZ-469 bil ) med en massa på 5,2 kg producerar en märkström på 28 ampere; Generator 31400-83E00 ( Suzuki Wagon R+ ) med en vikt på 4,5 kg ger en ström på 70 ampere. Det vill säga en nästan 8-faldig ökning av strömuttaget per kilogram massa har uppnåtts.

Inom järnvägstransporter (på diesellok ) fram till 1970-talet. huvudtypen av draggenerator var en likströmsgenerator (lok TE3 , TE10 , TEP60 , TEM2 , etc.), men processen att ersätta dem med trefasgeneratorer började på diesellokomotiv som TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K AC-DC elektrisk transmission används, synkrona trefasdrivna generatorer är installerade . DC-traktionsmotorer , elektriciteten som genereras av generatorn likriktas av en halvledarlikriktare. Att ersätta DC-generatorn med en växelströmsgenerator gjorde det möjligt att minska massan av elektrisk utrustning, reserven kan användas för att installera en kraftfullare dieselmotor . Drivgeneratorn kan dock inte användas som startmotor för en diesellokomotiv, starten görs av en likströmsgenerator för styrkretsar. De nya ryska loken 2TE25A , TEM21 använder AC-AC elektrisk transmission med asynkrona dragmotorer.

Parallell drift av DC-generatorer

Varje generator av elektrisk energi arbetar med högsta effektivitet vid sin fulla belastning, om generatorn är lätt belastad, är dess driftsätt inte särskilt ekonomiskt. För ekonomisk drift av generatorer i ett nätverk med mycket variabel belastning matas den vanligtvis från flera parallellkopplade generatorer .

Med en parallell anslutning är de positiva terminalerna på generatorerna anslutna via en amperemeter och en knivomkopplare till den positiva distributionsbussen och de negativa terminalerna till den negativa bussen . Voltmetern låter dig mäta spänningen vid generatorterminalerna och kontrollera dess polaritet.

Om belastningen på elnätet ökar startas den andra generatorn. Genom att justera drivmotorns hastighet uppnås ett normalt antal varv och en normal spänning på klämmorna. Efter att den andra generatorns elektriska spänning blir lika med spänningen i nätverket, stängs omkopplaren och generatorn ansluts till däcken. Men i det här fallet är EMF för den andra generatorn lika med spänningen för den första generatorn och den skickar inte ström till nätverket. För att ladda den andra generatorn är det nödvändigt att öka dess EMF något genom att justera excitationsströmmen med en reostat . Sedan, genom att justera excitationsströmmen för den första generatorn, kan du omfördela belastningen mellan dem, samtidigt som du måste se till att spänningen på distributionsbussen förblir oförändrad.

Om generatorns EMF är under den elektriska spänningen i distributionsbussen , kommer den att fungera som en DC-motor , vilket kan leda till en olycka.

Generatorer med blandad excitation har en utjämningstråd mellan generatorborstarna med samma namn (positiva eller negativa), till vilken en av ändarna av den seriella excitationslindningen är ansluten. Utjämningstråd (däck) är nödvändig för stabil parallelldrift av generatorer. Om av någon anledning EMF för en generator minskar, kommer den andra generatorn att skicka ström genom utjämningstråden till serielindningen av den första generatorn, öka dess magnetfält och öka EMF för den första generatorn till det önskade värdet. Således uppnås automatisk justering av de elektromotoriska krafterna hos parallella generatorer med blandad excitation, och stabiliteten i deras drift uppnås.

Se även

Generator

Anteckningar

↑ 1 2 3 § 169. Generatorer med oberoende excitation och självexcitering. // Elementär lärobok i fysik / Ed. G.S. Landsberg . - 13:e uppl. - M .: FIZMATLIT , 2003. - T. 2. Elektricitet och magnetism. - S. 422-427.

Litteratur

Voldek A.I. , Popov V.V. Elektriska maskiner. Introduktion till elektromekanik. DC-maskiner och transformatorer: Lärobok för universitet. - St Petersburg: "Piter", 2008. - 320 s.