DC generator

En DC-generator er en elektrisk maskine , der omdanner mekanisk energi til DC elektrisk energi .

Princippet om drift af strømgeneratorer

Princippet for drift af generatoren er baseret på loven om elektromagnetisk induktion - induktionen af en elektromotorisk kraft i et rektangulært kredsløb (trådramme) placeret i et ensartet roterende magnetfelt .

Lad os antage, at et ensartet magnetfelt skabt af en permanent magnet roterer omkring sin akse i et ledende kredsløb (trådramme) med en ensartet vinkelhastighed . To lige store lodrette sider af konturen (se figur) er aktive , da de krydses af magnetfeltets magnetiske linjer. To vandrette sider af konturen ens hver for sig er ikke aktive, da magnetfeltets magnetiske linjer ikke krydser dem, de magnetiske linjer glider langs de vandrette sider, den elektromotoriske kraft dannes ikke i dem. $\omega$

I hver af de aktive sider af kredsløbet induceres en elektromotorisk kraft, hvis værdi bestemmes af formlen:

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

$e_{1}$ og - øjeblikkelige værdier af de elektromotoriske kræfter induceret i de aktive sider af kredsløbet, i volt ; $e_{2}$

$B$ - magnetisk induktion af magnetfeltet i volt - sekunder pr . kvadratmeter ( T , Tesla );

$l$ - længden af hver af de aktive sider af konturen i meter ;

$v$ - lineær hastighed , hvormed de aktive sider af konturen roterer, i meter per sekund;

$t$ — tid i sekunder ;

$\omega t$ og er vinklerne , hvorved de magnetiske linjer skærer konturens aktive sider. $\omega t+$ $\pi$

Da de elektromotoriske kræfter induceret i de aktive sider af kredsløbet virker i overensstemmelse med hinanden, vil den resulterende elektromotoriske kraft induceret i kredsløbet,

vil være ens , det vil sige, at den inducerede elektromotoriske kraft i kredsløbet ændres i henhold til en sinusformet lov. $e=2Blv\sin \omega t$

Hvis et ensartet magnetfelt roterer i kredsløbet med en ensartet vinkelhastighed, induceres en sinusformet elektromotorisk kraft i det .

Funktioner og arrangement af DC-generatorer

I DC-generatorer er magneter, der skaber et magnetfelt og kaldes excitationsspoler, stationære, og spoler roterer, hvori der induceres en elektromotorisk kraft, og hvorfra der tages strøm. Et andet hovedtræk er metoden til at fjerne strøm fra spolerne, som er baseret på det faktum, at hvis enderne af de aktive sider af kredsløbet ikke er forbundet til slæberinge (som det gøres i vekselstrømsgeneratorer ), men til halvringe med isolerede mellemrum mellem dem (som vist i figur 2 ), så vil rammen med strøm give en ensrettet elektrisk spænding til det eksterne kredsløb .

Når konturen roterer, roterer semiringerne også sammen med den omkring deres fælles akse. Strømopsamlingen fra halvringene udføres med børster . Da børsterne er ubevægelige, kommer de skiftevis i kontakt med den ene eller den anden halvring. Udvekslingen af semiring sker i det øjeblik, hvor den sinusformede elektromotoriske kraft i kredsløbet passerer gennem sin nulværdi. Som et resultat holder hver børste sin polaritet uændret. Hvis der er en vis sinusformet spænding på halvringene, bliver den allerede rettet på børsterne (i dette tilfælde pulserende). I praksis bruger DC-generatorer ikke et ledningskredsløb, men et betydeligt større antal af dem, udgangen fra hver ende af hvert kredsløb er forbundet med sin egen kontaktplade, adskilt fra naboplader af isolerende mellemrum. Kombinationen af kontaktplader og isolerende spalter kaldes kollektor , kontaktpladen kaldes kollektorplade . Hele samlingen (opsamler, børster og børsteholdere) kaldes børste-samler samling . Materialet , som isolatoren er lavet af mellem kollektorpladerne, vælges således, at dets hårdhed er omtrent lig med solfangerpladernes hårdhed (for ensartet slid ). Som regel anvendes micanit (presset glimmer ). Samlerplader er normalt lavet af kobber .

Generatorens skelet ( statoren ) kaldes åget . Elektromagnetkerner er fastgjort til åget , hætter med lejer , hvori generatorakslen roterer. Åget er lavet af ferromagnetisk materiale ( støbt stål ). Excitationsspoler er monteret på kernerne af elektromagneter . For at give magnetfeltets magnetiske linjer den nødvendige retning, er elektromagneternes kerner forsynet med polstykker . Elektromagneter drevet af jævnstrøm ( excitationsstrøm ) skaber et magnetfelt i generatoren . Excitationsspolen består af spoler af isoleret kobbertråd viklet på en ramme. Viklingerne af excitationsspolerne er forbundet med hinanden i serie på en sådan måde, at to tilstødende kerner har modsat magnetisk polaritet.

Den roterende del af generatoren ( rotoren ) kaldes anker . Armaturkernen er lavet af elektrisk stål. For at undgå hvirvelstrømstab er ankerkernen samlet af individuelle fortandede stålplader, som danner fordybninger (riller). En anker (power) vikling lægges i fordybningerne. I laveffektgeneratorer er ankerviklingen lavet af isoleret kobbertråd, i højeffektgeneratorer fra rektangulære kobberstrimler. Så under påvirkning af centrifugalkræfter bliver ankerviklingen ikke revet ud af rillerne, den er fastgjort på kernen med bandager. Armaturviklingen påføres kernen, således at hver to aktive ledere forbundet direkte og i serie med hinanden ligger under forskellige magnetiske poler. Viklingen kaldes bølge , hvis ledningen skiftevis passerer under alle poler og vender tilbage til den oprindelige pol, og løkke , hvis ledningen, der passerer under "nord"-polen, og derefter under nabo-"syd"-polen, vender tilbage til den tidligere. "Nordpolen.

For at samlepladerne og de isolerende micanitplader (glimmer) mellem dem ikke rives ud af deres fatninger af centrifugalkræfter - de har en svalehalebeslag i den nederste del .

Børster er normalt lavet af grafit . Minimumsantallet af børster i en jævnstrømsgenerator er to: den ene er generatorens positive pol (positiv børste), den anden er den negative pol (negativ børste). I flerpolede generatorer er antallet af børstepar normalt lig med antallet af polpar, hvilket sikrer den bedste generatorydelse. Børster af samme polaritet (børster af samme navn) er elektrisk forbundet med hinanden.

Børsten overlapper to eller tre opsamlerplader på samme tid, dette reducerer gnistdannelse på solfangeren under børsterne (skiftning forbedres).

Børsteholderen sørger for, at den konkave side af børsterne konstant presses mod den cylindriske overflade af solfangeren.

Ankerreaktion

Hvis DC-generatoren ikke er belastet (generator tomgang), så er statorens magnetfelt (feltviklinger) symmetrisk om aksen af polerne S - N og den geometriske neutrale (angivet i figuren Normal neutralplan ). Når generatoren er belastet, strømmer en elektrisk strøm gennem dens ankervikling og skaber sit eget magnetfelt. De magnetiske felter af statoren og rotoren er overlejret på hinanden og danner det resulterende magnetfelt.

Hvor ankeret under dets rotation løber ind i polen på statorens elektromagnet (magnet), der er det resulterende felt svagere, hvor det løber væk, er det stærkere. Dette forklares ved, at i det første tilfælde har magnetfelterne forskellige retninger, og i det andet er de ens. Hvis der ikke er nogen magnetisk mætning af stål i de magnetiske kredsløb, anses det for, at den resulterende magnetiske flux ikke har ændret sig i størrelse.

I henhold til konfigurationen har den resulterende magnetiske flux imidlertid ændret sig væsentligt, jo mere generatoren belastes og jo større den magnetiske mætning af stålet i de magnetiske kredsløb, jo stærkere manifesterer ankerreaktionen sig, og der er et lille fald i magnetisk flux.

Som et resultat falder generatorens elektromotoriske kraft , og der observeres gnister under børsterne på opsamleren.

I praksis bekæmpes ankerreaktionen:

brug af yderligere magnetiske poler, der kompenserer for armaturets magnetiske felter;
at flytte børsterne fra den geometriske neutrale ( Normal neutralplan ) bagved den fysiske neutrale ( Faktisk neutralplan ), indstille dem og dreje dem til en bestemt vinkel (angivet i figuren Kommuteringsplan ), som forhindrer gnistdannelse under børsterne.

Elektromotorisk kraft af en jævnstrømsgenerator

Antag, at i et bipolært magnetfelt , hvis magnetiske flux er lig med, roterer generatorankeret med et konstant antal omdrejninger . Antallet af alle aktive ledere placeret på den cylindriske overflade af ankeret og krydser den magnetiske flux under rotation er lig med . $\Phi$ $n$ $z$

Den gennemsnitlige værdi af den inducerede elektromotoriske kraft i hver af ankerets aktive ledere er , hvor $E={\frac {n}{60}}\ gange 2\Phi$

n

- antallet af omdrejninger af ankeret pr. minut;

\Phi

er den magnetiske flux af polerne i Weber ;

E

er den inducerede elektromotoriske kraft i volt .

Generatorarmaturets aktive ledere er forbundet i serie med hinanden, den inducerede elektromotoriske kraft i dem tilføjes. I en to-polet maskine er der altid et par parallelle grene af ankerviklingen, så den gennemsnitlige værdi af EMF i ankerviklingen er , $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi \times {\frac {z}{2}}$

eller , hvor er antallet af alle aktive ledere ved generatorarmaturet. $E=z\Phi {\frac {n}{60))$ $z$

Den gennemsnitlige værdi af den inducerede elektromotoriske kraft i generatoren er direkte proportional med størrelsen af den magnetiske flux , antallet af ankeromdrejninger pr. minut og antallet af aktive ankerledere. $\Phi$ $n$ $z$

Hvis en flerpolet generator f.eks. har poler, og dens ankervikling består af parallelle forgreninger, så er gennemsnitsværdien af generatorens inducerede elektromotoriske kraft $2p$ $2a$

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

, eller .

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

Effekt af jævnstrømsgeneratorer

Den samlede elektriske effekt udviklet af DC-generatoren er lig med produktet af generatorens elektromotoriske kraft og den samlede strøm af dens ankervikling: $E$ $I_{a}$

P=EI_{a}

Hvis generatorens EMF holdes konstant, vil dens samlede elektriske effekt være proportional med strømmen . $I_{a}$

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

Alt andet lige stiger generatorens samlede elektriske effekt med en stigning i antallet af omdrejninger af dens anker og en stigning i antallet af dens poler.

Nyttig effekt givet af generatoren til det eksterne kredsløb er lig med produktet af den elektriske spænding ved generatorens terminaler med mængden af strøm , der sendes af generatoren til det eksterne kredsløb: , hvor $P_1$ $U$ $jeg$ $P_{1}=UI$

P_1

- nyttig effekt i watt ;

U

- spænding i volt ;

jeg

- strøm i ampere .

Effektivitet af DC-generatorer

Forholdet mellem nyttig effekt og den samlede effekt udviklet af generatoren kaldes elektrisk effektivitet , hvor $P_1$ $P$ ${\displaystyle \eta _{e))$

{\displaystyle \eta _{e))

— ydeevnekoefficient ( effektivitet );

P_1

— nyttig kraft;

P

- fuld kraft.

Generatorens elektriske effektivitet afhænger af dens driftsform. Den elektriske virkningsgrad er højest ved normal belastning, så generatoren bør altid være fuldt belastet (ikke altid). Den har den laveste virkningsgrad ved tomgang, når strømmen i det eksterne kredsløb er nul.

Hvis generatoren er overbelastet, vil dens effektivitet falde på grund af øgede tab til opvarmning af ankerviklingen.

Kraftige generatorer har en højere elektrisk virkningsgrad end laveffekts, i gennemsnit er den elektriske virkningsgrad omkring 90%.

Den industrielle effektivitet er forholdet mellem den nyttige effekt udviklet af generatoren og den mekaniske kraft , som motoren udvikler på sin aksel, roterende generatorarmaturet: (det vil sige, hvor meget koster det, og hvor meget det gav væk)

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

, hvor

\eta_{m}

— industriel effektivitet;

P_1

- nyttig effekt udviklet af generatoren;

P

- mekanisk kraft udviklet af drivkraften på akslen.

Den industrielle virkningsgrad tager udover elektriske tab i generatoren højde for alle mekaniske og magnetiske tab, så den er mindre end den elektriske virkningsgrad.

Klassificering af jævnstrømsgeneratorer i henhold til metoden til deres excitation

Afhængigt af hvordan excitationsviklingerne er forbundet med armaturet, er generatorer opdelt i:

generatorer med uafhængig excitation ;
generatorer med selv-excitering;
- generatorer med parallel excitation eller shuntgeneratorer [1] ;
- generatorer med sekventiel excitation , eller seriegeneratorer [1] ;
- generatorer med blandet excitation eller sammensatte generatorer [1] ;

Lavstrømsgeneratorer er nogle gange lavet med permanente magneter . De vigtigste egenskaber ved sådanne generatorer er tæt på dem for generatorer med uafhængig excitation.

De vigtigste størrelser, der karakteriserer driften af DC-generatorer, er:

elektromotorisk kraft , $E$
elektrisk spænding ved generatorens terminaler , $U$
belastning ( elektrisk strøm leveret af generatoren til forbrugeren) , $jeg$
excitationsstrøm , $I_{v}$
ankeromdrejninger pr. minut . $n$

Forholdet mellem to grundlæggende størrelser, der karakteriserer driften af en generator, kaldes generatorkarakteristik .

Generatorens hovedegenskaber er egenskaberne:

ledig bevægelse;
ekstern (belastning);
justering.

Generatorer med uafhængig excitation

I en jævnstrømsgenerator med uafhængig excitation er feltviklingen ikke elektrisk forbundet med ankerviklingen. Det drives af jævnstrøm fra en ekstern kilde til elektrisk energi, såsom et batteri ; kraftige generatorer har en lille exciter generator på en fælles aksel . Excitationsstrømmen er uafhængig af ankerstrømmen , som er lig med belastningsstrømmen . Typisk er excitationsstrømmen lille og udgør 1 ... 3 % af den nominelle ankerstrøm. En regulerende rheostat (excitationsrheostat) er forbundet i serie med excitationsviklingen . Det ændrer størrelsen af excitationsstrømmen og regulerer derved den elektromotoriske kraft . $I_{v}$ $I_{a}$ $jeg$ $I_{v}$ $E$

Tomgangskarakteristikken viser afhængigheden af den elektriske spænding af magnetiseringsstrømmen ved konstant hastighed . Generatoren er afbrudt fra det eksterne kredsløb (ingen belastning). Ved excitationsstrømmen er generatorens EMF ikke lig med nul, men er 2 ... 4% af . Denne elektromotoriske kraft kaldes den initiale eller resterende EMF på grund af tilstedeværelsen af resterende magnetisme i generatorens magnetiske kredsløb. Efterhånden som excitationsstrømmen stiger, stiger EMF og ændrer sig i overensstemmelse med en kurve, der ligner magnetiseringskurven for ferromagnetiske materialer. $U_{0}=f(I_{v})$ $U$ $I_{v}$ $n=const$ $I_{v}=0$ $E_{ost}$ $U$

Generatorens EMF vokser til at begynde med hurtigt (en del af karakteristikken), og ændres i henhold til en lineær lov. Dette forklares af det faktum, at ved lave værdier af excitationsstrømmen er generatorens stål svagt magnetiseret, dets magnetiske modstand er lav på grund af stålets relativt høje magnetiske permeabilitet. $ab$

Med en yderligere stigning i excitationsstrømmen krænkes det lineære forhold mellem det og generatorens EMF (afsnit af karakteristikken). Dette forklares af det faktum, at når excitationsstrømmen stiger, begynder fænomenet med magnetisk mætning af stål at påvirke. $f.v.t.$

Med en yderligere stigning i excitationsstrømmen ( karakteristisk sektion) opstår en stærk magnetisk mætning i generatorens stål. Den magnetiske permeabilitet af stål bliver lille, og stålets magnetiske modstand øges tværtimod. Uoverensstemmelsen mellem de indkommende og faldende grene af karakteristikken forklares ved tilstedeværelsen af magnetisk hysterese i maskinens magnetiske kredsløb. $cd$

Det ydre kendetegn er afhængigheden ved og . Under belastning er generatorspændingen , hvor er summen af modstandene af alle viklinger forbundet i serie i ankerkredsløbet (armatur, ekstra poler og kompensationsvikling). $U=f(I_{\text{n)))$ $n=const$ $I_{v}=const$ $U=E-{I_{a}}\Sigma r$ $\Sigma r$

Når generatoren normalt er exciteret, det vil sige ved et normalt antal ankeromdrejninger i minuttet, har den en nominel EMF, den kan belastes med strøm ved at forbinde forbrugere af elektrisk energi til den.

En belastet generator skaber en strøm i kredsløbet , hvor $I={\frac {E}{r+R))$

jeg

- generatorbelastning i ampere;

E

er generatorens elektromotoriske kraft i volt;

r

- ankerviklingsmodstand i ohm;

R

- ækvivalent modstand af den eksterne del af kredsløbet (elektricitetsforbrugere).

Spændingen ved generatorterminalerne , det vil sige, den er lig med generatorens elektromotoriske kraft uden et spændingsfald i generatorens ankervikling. $U=E-{Ir}$ $E$ ${ir}$

Ved strøm (tomgangstilstand) er spændingen ved generatorens terminaler lig med dens elektromotoriske kraft: , hvor er generatorens åbne kredsløbsspænding. $I=0$ $U=U_{xx}=E$ ${\displaystyle U_{xx))$

Når belastningen stiger, falder spændingen ved dens terminaler af to årsager: $jeg$ $U$

på grund af spændingsfaldet i maskinens indre modstand ; $r+R$
på grund af faldet i EMF som følge af ankerreaktionens afmagnetiseringsvirkning. $E$

Den regulerende karakteristik af en DC-generator er afhængigheden af excitationsstrømmen af belastningen (strømmen) ved konstant spænding og konstant hastighed . $I_{v}$ $jeg$ $U=const$ $n=const$

Ved tomgang har generatoren en minimal magnetiseringsstrøm . Så, når belastningen stiger, øges excitationsstrømmen også. For at opretholde en konstant spænding ved generatorens terminaler er det nødvendigt at øge dens elektromotoriske kraft , hvilket opnås ved at øge excitationsstrømmen . $I=0$ $I_{vo}$ $I_{v}$ $U$ $E$ $I_{v}$

Jo større magnetisk mætning af generatorens stål, jo stejlere, under andre identiske forhold stiger grafen for kontrolkarakteristikken. Dette forklares af det faktum, at med stigende strøm i ankerviklingen øges den demagnetiserende effekt af ankerreaktionen, og for at kompensere for det er det nødvendigt at øge excitationsstrømmen.

Fordelen ved DC-generatorer med uafhængig magnetisering ligger i deres gode ydre egenskaber, da magnetiseringsstrømmen er uafhængig af spændingen ved generatorens klemmer.

Ulempen ved sådanne generatorer er behovet for at have en ekstern kilde til elektrisk energi, der leverer jævnstrøm til excitationsviklingen.

DC-generatorer med uafhængig excitation bruges hovedsageligt i højeffekt højstrømsinstallationer.

Parallel-exciterede generatorer

I en generator med parallel excitation er excitationsviklingen forbundet gennem en justerende reostat parallelt med ankerviklingen. For normal drift af elforbrugere er det nødvendigt at opretholde en konstant spænding ved generatorterminalerne på trods af en ændring i den samlede belastning. Dette gøres ved at regulere excitationsstrømmen.

Excitationsreostater har som regel tomgangskontakter , hvormed du kan kortslutte excitationsviklingen "til dig selv". Dette er nødvendigt, når excitationsviklingen er slukket. Hvis excitationsviklingen slukkes ved at bryde dens kredsløb, vil det forsvindende magnetfelt skabe en meget stor selvinduktions-EMK, der kan bryde gennem viklingsisoleringen og deaktivere generatoren. I tilfælde af en kortslutning af excitationsviklingen, når den er slukket, omdannes energien fra det forsvindende magnetfelt til varme uden at skade excitationsviklingen, da selvinduktions-EMK ikke vil overstige den nominelle spænding ved generatoren terminaler.

En DC-generator med parallel excitation føder sin egen feltvikling og behøver ikke en ekstern kilde til elektrisk energi. Selvexcitering af generatoren er kun mulig i nærværelse af resterende magnetisme i kernerne af elektromagneter, derfor er de lavet af støbt stål, og efter at generatoren holder op med at fungere, bevares resterende magnetisme. Da excitationsviklingen er forbundet med dens terminaler, når ankeret roterer i sin vikling, induceres en EMF af strømmen af resterende magnetisme , og strømmen begynder at strømme gennem excitationsviklingen. Hvis excitationsviklingen er tilsluttet korrekt, så dens magnetiske flux er rettet "hen ad vejen" med den magnetiske flux af restmagnetisme, så stiger den totale magnetiske flux, hvilket øger EMF , magnetisk flux og excitationsstrøm . Maskinen er selv-exciteret og begynder at arbejde stabilt med , , afhængigt af magnetiseringskredsens modstandsværdi. $E_{ost}$ $\Phi$ $E$ $\Phi$ $I_{v}$ ${I_{v}}=const$ $E=const$ $R=const$

Processen med at øge generatorens elektromotoriske kraft (processen med selvexcitering af generatoren) skrider imidlertid ikke frem, det vil sige, at generatorens EMF ikke øges i det uendelige. Hver gang er væksten af den inducerede EMF af generatoren begrænset af en eller anden grænse. For at gøre dette er det nødvendigt at overveje karakteristikken af tomgangsgeneratoren. $E$

Tomgangskarakteristik for generator med parallel magnetisering

Figuren viser tomgangskarakteristikken for en generator med parallel excitation, det vil sige kurven for afhængigheden af spændingen ved terminalerne på excitationsstrømmen ved et konstant antal omdrejninger af ankeret og ved en konstant modstand af excitationskredsløbet . $U_{v}$ $I_{v}$ $n$ $R$

Samtidig vises en graf over afhængigheden af spændingsfaldet i generatorens excitationskredsløb af excitationsstrømmen . Denne afhængighed er lineær, da , hvor er den totale konstante modstand af excitationsviklingen og excitationsreostaten. $U_{v}$ $I_{v}$ $U_{v}={I_{v}}R$ $R$

Ved små værdier af excitationsstrømmen er den elektromotoriske kraft større end spændingsfaldet i excitationsviklingen: . $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $E>{U_{v))$

I dette tilfælde leverer generatoren strøm til sin excitationsvikling. En normal proces med selvexcitation forekommer, det vil sige med en stigning i excitationsstrømmen, den elektromotoriske kraft og spændingen på excitationsviklingen stiger, hvilket igen medfører en stigning i excitationsstrømmen . Imidlertid er væksthastigheden af den elektromotoriske kraft og spænding anderledes. Når excitationsstrømmen stiger, falder EMF-væksthastigheden, og spændingsvæksthastigheden ændres ikke. Ved en vis værdi af excitationsstrømmen bliver spændingen lig med den elektromotoriske kraft : $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $I^{\prime }{_{v))$ $U^{\prime }{_{v))$ $E^{\prime }{_{v))$

$U^{\prime }{_{v}}=E^{\prime }{_{v}}$ . Ved en excitationsstrøm svarende til graferne for den elektromotoriske kraft og spænding skærer hinanden. Med en yderligere stigning i excitationsstrømmen bør graferne teoretisk divergere, men i dette tilfælde bør EMF blive mindre end spændingen , hvilket er umuligt , da spændingen er en del af den elektromotoriske kraft og ikke kan være større end den. $I_{v}$ $E$ $U_{v}$ $E$ $U_{v}$ $U_{v}$ $E$

Værdien af magnetiseringsstrømmen er dens grænseværdi ved et konstant antal omdrejninger og ved en konstant modstand af magnetiseringskredsløbet . For generatorens inaktive tilstand: , hvor er den samlede induktans af felt- og ankerviklingerne. $I^{\prime }{_{v))$ $n=const$ $R=const$ $E={i_{B}}{R_{B}}+L{{d{i_{B}}} \over {dt}}$ $L$

Hældningen af den lige linje, der udtrykker afhængigheden af spændingen ved generatorterminalerne af magnetiseringsstrømmen , afhænger af modstanden af magnetiseringskredsløbet og derfor af modstanden af shuntreostaten, der er til stede i magnetiseringskredsløbet. Jo større denne modstand er, jo stejlere er den direkte afhængighed af stigninger, og jo lavere vil excitationsstrømmen, skæringspunktet mellem afhængighedsgraferne og af excitationsstrømmen forekomme . $U_{v}$ $I_{v}$ $U_{v}$ $I_{v}$ $U_{v}$ $E$ $I_{v}$

Processen med selvexcitering af en generator med parallel excitation varer, indtil excitationsstrømmen når en vis grænseværdi ved givne normale omdrejninger af generatorankeret, og den elektromotoriske kraft bliver lig med dens nominelle værdi. $I_{v}$ $E$

Hvis generatorens excitationsvikling er forbundet forkert med ankerviklingen, vil generatoren ikke blive exciteret, da excitationsstrømmen skaber en magnetisk flux rettet mod den resterende magnetiske flux, og maskinen vil afmagnetisere.

Derefter skal du afbryde excitationsviklingen fra generatoren, tilslutte den korrekt til en DC-kilde (batteri), magnetisere og korrekt samle generatorens elektriske kredsløb.

Ekstern karakteristik : Når generatoren kører i tomgang, er spændingen ved dens terminaler maksimal . Derefter, med en stigning i generatorens belastning , begynder spændingen ved dens terminaler at falde, noget hurtigere end for en generator med uafhængig excitation. Dette skyldes det faktum, at spændingen falder ikke kun som følge af den stigende indflydelse af ankerreaktionen og spændingsfaldet i ankerviklingen, men også på grund af det faktum, at med et fald i spændingen ved generatorterminalerne, dens excitationsstrøm falder, og følgelig falder EMF. ${\displaystyle U_{xx))$ $jeg$ $U$ $U$

Hvis der er et fald i forbrugerens elektriske modstand , er der derfor en stigning i belastningen . Men hvis belastningsmodstanden bliver kritisk lav, vil generatorstrømmen nå sin kritiske værdi, hvorved et kraftigt fald i spændingen begynder. Som regel er generatorens kritiske strøm cirka 2-2,5 gange den nominelle strøm. I kortslutningstilstanden bliver modstanden lig nul, generatorstrømmen bliver lig med kortslutningsstrømmen. Kortslutningstilstanden forårsager ikke stor fare for generatoren med parallel excitation, da EMF i dette tilfælde falder kraftigt til en restværdi . Imidlertid er overgangen gennem den kritiske strømtilstand ledsaget af kraftige gnister under kollektorbørsterne på grund af for stor generatoroverbelastning og er derfor uønsket. $jeg$ $E_{ost}$

Den regulerende karakteristik af en generator med parallel excitation er excitationsstrømmens afhængighed af generatorbelastningen (armaturstrøm) ved konstant spænding og konstant hastighed . For seriemagnetiseringsgeneratorer er magnetiseringsstrømmen lig med ankerstrømmen . Derfor, ved tomgang, når , induceres resterende EMF . $I_{v}$ $I_{a}$ $U$ $n$ $I_{v}$ $I_{a}$ $I_{v}=I_{a}=I=0$ $E_{ost}$

Styrekarakteristikken for en generator med parallel excitation har næsten samme form som for en generator med uafhængig excitation. Denne kurve er næsten lige i starten, men bøjer derefter opad på grund af påvirkningen af mætning af maskinens magnetiske kredsløb. Men med samme belastning er strømmen i ankerviklingen af generatoren med parallel excitation større end strømmen i ankerviklingen af generatoren med uafhængig excitation, med værdien af excitationsstrømmen . Derfor, i en generator med parallel excitation, under alle andre identiske forhold, er spændingsfaldet i generatorens ankervikling og ankerreaktionen større, hvilket kræver en større excitationsstrøm. Styrekarakteristikken stiger stejlere end for en generator med uafhængig excitation. $E_{ost}$

Parallelle excitationsgeneratorer er ikke bange for kortslutninger . Med en kortslutning stiger strømmen i det eksterne kredsløb kraftigt, derfor øges strømmen i generatorens ankervikling. Som et resultat stiger spændingsfaldet i ankerviklingen kraftigt, igen falder spændingen ved generatorterminalerne, excitationsstrømmen falder, generatorens EMF og strømmen i ankerviklingen falder. Alle disse processer forløber så hurtigt, at den kortvarige kortslutningsstrøm ikke når at varme armaturviklingens ledninger op .

En ekstern kilde til elektrisk energi, der leverer jævnstrøm til excitationsviklingen, er ikke nødvendig for generatorer med parallel excitation.

DC-generatorer med parallel excitation bruges i kommunikationsteknologi til at drive radioinstallationer, til at drive ladeenheder og i mobile svejsemaskiner .

Seriespændte generatorer

Serie-exciterede DC-generatorer har en magnetiseringsvikling forbundet i serie med ankerviklingen .

Strømmen i excitationsviklingen er lig med strømmen (belastningen) af generatoren :. $I_{v}$ $jeg$ $I_{v}=I$

Da belastningen ved tomgang er nul, så er excitationsstrømmen nul, derfor kan tomgangskarakteristikken , det vil sige afhængigheden af spændingen ved generatorterminalerne på excitationsstrømmen ved en konstant hastighed i denne generator, ikke fjernes . $jeg$ $I_{v}$ $U$ $I_{v}$ $n=const$

Den elektriske spænding ved terminalerne af en serie-exciteret generator i tomgang er kun et par procent af den nominelle, det skyldes virkningen af magnetfeltet af den resterende magnetisme af generatorstålet. $U$

For at excitere generatoren er det nødvendigt at forbinde et eksternt kredsløb (elektricitetsforbruger) til det, og derved skabe en betingelse for forekomsten af strøm i excitationsviklingen.

Ekstern karakteristik : spændingen ved generatorens terminaler stiger først med belastningen (sektion af kurven), og begynder derefter at falde. Dette forklares som følger: i første omgang, med en stigning i belastningen , øges excitationsstrømmen også , da . Følgelig øges den elektromotoriske kraft og spændingen ved generatorterminalerne. Men efterhånden som belastningen stiger, begynder spændingen ved dens terminaler at falde, fordi spændingsfaldet inde i armaturviklingen bliver mere og mere mærkbart. Derudover øges generatorens elektromotoriske kraft meget lidt, når den magnetiske mætning af generatorens stål stiger, og på trods af dens lille stigning begynder spændingen ved generatorens terminaler efter en vis grænsebelastning derfor at falde. $U$ $jeg$ $0-a$ $jeg$ $I_{v}$ $I_{v}=I$ $E$ $U$ $jeg$ $U$ $Ir$ $E$ $jeg$

Det er umuligt at fjerne reguleringskarakteristikken for en generator med serie excitation , fordi når generatorbelastningen ændres, er det umuligt at vælge dens excitationsstrøm på en sådan måde, at spændingen ved generatorterminalerne holdes konstant i størrelse.

Ulempen ved en generator med seriel excitation er en udtalt afhængighed af spænding på belastning . På grund af dette bruges seriespændte generatorer sjældent i praksis, da de fleste elforbrugere kræver en strengt defineret spænding for deres normale drift. $U$ $jeg$

Generatorer med sekventiel excitation kan kun bruges under forhold med streng belastningskonstans, for eksempel til at drive elektriske ventilatorer, elektriske pumper og værktøjsmaskiner elektriske drev.

Blandede excitationsgeneratorer

I en mixed-excitationsgenerator er der to excitationsviklinger: den vigtigste (forbundet parallelt med ankerviklingen, består af et stort antal vindinger af tynd ledning) og auxiliary (forbundet i serie til ankerviklingen, består af en relativt lille antal vindinger af relativt tyk tråd). En excitationsreostat er inkluderet i det parallelle excitationsviklingskredsløb , ved hjælp af hvilket excitationsstrømmen i denne vikling reguleres.

Tilstedeværelsen af parallelle og seriemæssige excitationsviklinger i generatoren gør det muligt at kombinere karakteristika for generatorer med parallel og serie excitation.

Tomgangskarakteristik

Da generatoren er i tomgang afbrudt fra det eksterne kredsløb, er dens belastning nul . Excitationsstrømmen i serie-excitationsviklingen er også nul. Tomgangsegenskaben for en blandet-exciteret DC-generator svarer til den for en parallel-exciteret DC-generator. $I=0$

Processen med selvexcitering af en generator med blandet excitation er den samme som for en DC-generator med parallel excitation, da serieexcitationsviklingen ikke deltager i generatorens selvexcitering på grund af fraværet af excitationsstrøm i det på dette tidspunkt.

Ydre karakteristik

Typen af ydre karakteristik af en generator med blandet excitation afhænger af forholdet mellem magnetiske fluxer fra viklingerne af parallel og serie excitation, såvel som af retningen af de magnetiske fluxer skabt af disse viklinger.

Når generatoren kører i tomgang, er spændingen ved dens terminaler lig med den nominelle spænding . Når belastningen tændes og dens efterfølgende vækst, begynder spændingen at ændre sig. $I=0$ $U_{n}$

Graf 1 refererer til generatorer, hvor den magnetiske flux fra serie-excitationsviklingen dominerer. Med en stigning i belastningen begynder spændingen ved terminalerne at stige og når et maksimum ved en belastning under den nominelle værdi , så begynder spændingen at falde. Når belastningen bliver nominel, er spændingen stadig højere end den nominelle . $I}$ $U$ $U_{n}$
Graf 2 gælder for generatorer, hvor terminalspændingen ved nominel belastning er den samme som ved ingen belastning. Dette opnås ved at regulere excitationsstrømmen af parallelviklingen ved hjælp af en reostat. Alligevel stiger spændingen i begyndelsen noget, og efter at have nået et maksimum, falder den.
Graf 3 refererer til generatorer, hvor den magnetiske flux fra shuntviklingen dominerer. Spændingen ved nominel belastning er lavere end den nominelle spænding . $U$ $I}$ $U_{n}$
Graf 4 viser, hvad der sker, hvis en serie-exciteret vikling tændes på en sådan måde, at den danner et magnetfelt rettet mod det magnetiske felt, der skabes af den parallelle excitationsvikling. Efterhånden som generatorbelastningen stiger og følgelig excitationsstrømmen af serieviklingen, stiger hastigheden af faldet i spændingen ved generatorterminalerne mere og mere. Generatorbelastningen har ikke tid til at nå den nominelle værdi, og spændingen bliver allerede lig nul.

Kontrolkarakteristik

Tilstedeværelsen af to viklinger, når de tændes konsonant, gør det muligt at opnå en omtrent konstant spænding af generatoren, når belastningen ændres. Ved at vælge antallet af omdrejninger af en serievikling, således at den spænding, der skabes ved en mærkebelastning, kompenserer for det samlede spændingsfald, når maskinen kun betjenes med én parallelvikling, er det muligt at sikre, at spændingen forbliver praktisk talt uændret , når belastningsstrømmen ændres fra nul til nominel. ${\displaystyle {\Delta U}_{posl))$ $\Delta U$ $U$ $jeg$

Når generatoren går i tomgang, er excitationsstrømmen lig med en vis værdi , og derefter, med stigende belastning, begynder den at falde. Dette forklares af det faktum, at med udseendet af belastningen træder serie-excitationsviklingen i aktion, hvis magnetiske felt virker i overensstemmelse med magnetfeltet i den parallelle excitationsvikling. For at opretholde konstantiteten af den resulterende magnetiske flux, og dermed konstanten af spændingen ved generatorterminalerne, er det først nødvendigt at reducere excitationsstrømmen lidt i den parallelle excitationsvikling. $i_{v0}$ $jeg$ $jeg$ ${\displaystyle i_{v))$

Men når generatorbelastningen stiger og nærmer sig sin nominelle værdi, begynder excitationsstrømmen at stige. Dette forklares ved, at med en stigning i generatorens belastning øges indflydelsen af ankerreaktionen, spændingsfaldet i ankerviklingen stiger, magnetisk mætning forekommer i generatorstålet, og spændingen ved generatorens terminaler falder. I dette tilfælde, for at opretholde en konstant spænding, er det nødvendigt at øge strømmen i parallelviklingen. Som et resultat når magnetiseringsstrømmen af den parallelle vikling ved generatorens nominelle belastning en værdi, der er omtrent lig med magnetiseringsstrømmen, når generatoren er i tomgang. ${\displaystyle i_{v))$ $I}$

Den største fordel ved mixed-excitationsgeneratorer i forhold til andre typer DC-generatorer er deres evne til at opretholde en praktisk talt konstant spænding ved deres terminaler, når belastningen ændres over et bredt område.

Ulempen ved generatorer med blandet excitation er deres frygt for kortslutninger , såvel som kompleksiteten af designet på grund af tilstedeværelsen af serie- og parallelle excitationsviklinger.

Brugen af DC-generatorer

Ved begyndelsen af elektrificeringen (indtil slutningen af det 19. århundrede ) var jævnstrømsgeneratorer den eneste kilde til elektrisk energi i industrien (elektrisk energi opnået ved hjælp af kemiske strømkilder var dyrt, og selv i dag er batterier ret dyre). Menneskeheden vidste simpelthen ikke, hvordan man bruger vekselstrøm .

Takket være Westinghouse , Yablochkov , Tesla , Dolivo-Dobrovolsky , blev transformere , asynkrone AC-motorer og et trefaset strømforsyningssystem opfundet . Jævnstrøm begyndte at give efter .

DC-generatorer har fundet anvendelse i bymæssig elektrisk transport ( sporvogne og trolleybusser ) til at drive lavspændingskontrolkredsløb inden for telekommunikationsteknologi.

Indtil anden halvdel af det 20. århundrede blev DC-generatorer brugt i køretøjer ( bilgeneratorer ), men på grund af den udbredte brug af halvlederdioder blev de erstattet af mere kompakte og mere pålidelige trefasede AC-generatorer med indbyggede ensrettere .

For eksempel vejer G-12 DC-generatoren ( GAZ-69 bil ) 11 kg, mærkestrøm 20 ampere , og G-250P2 generatoren ( UAZ-469 bil ) med en masse på 5,2 kg producerer en mærkestrøm på 28 ampere; Generator 31400-83E00 ( Suzuki Wagon R+ ) med en vægt på 4,5 kg producerer en strøm på 70 ampere. Det vil sige, at der er opnået en næsten 8-dobling af strømudgangen pr. kilogram masse.

Inden for jernbanetransport (på diesellokomotiver ) indtil 1970'erne. hovedtypen af trækkraftgenerator var en jævnstrømsgenerator (lokomotiver TE3 , TE10 , TEP60 , TEM2 osv.), men processen med at erstatte dem med trefasede generatorer begyndte på diesellokomotiver som TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K AC-DC elektrisk transmission bruges, synkrone trefasede trækgeneratorer er installeret . DC-traktionsmotorer , elektriciteten genereret af generatoren ensrettes af en halvlederensretter. Udskiftning af DC-generatoren med en vekselstrømsgenerator gjorde det muligt at reducere massen af elektrisk udstyr, reserven kan bruges til at installere en mere kraftfuld dieselmotor . Trækgeneratoren kan dog ikke bruges som starter til en diesellokomotivmotor, starten foretages af en jævnstrømsgenerator til styrekredsløb. De nye russiske lokomotiver 2TE25A , TEM21 bruger AC-AC elektrisk transmission med asynkrone trækmotorer.

Parallel drift af DC-generatorer

Hver generator af elektrisk energi fungerer med den højeste effektivitet ved sin fulde belastning, hvis generatoren er let belastet, så er dens driftsform ikke særlig økonomisk. For økonomisk drift af generatorer i et netværk med en meget variabel belastning tilføres den normalt fra flere parallelkoblede generatorer .

Med en parallelforbindelse er de positive terminaler på generatorerne forbundet via et amperemeter og en knivkontakt til den positive distributionsbus , og de negative terminaler til den negative bus . Voltmeteret giver dig mulighed for at måle spændingen ved generatorens terminaler og kontrollere dens polaritet.

Hvis belastningen på elnettet stiger, startes den anden generator. Ved at justere hastigheden på drivmotoren opnås et normalt antal omdrejninger og en normal spænding på klemmerne. Efter at den anden generators elektriske spænding bliver lig med spændingen i netværket, lukkes kontakten, og generatoren er forbundet med dækkene. Men i dette tilfælde er den anden generators EMF lig med spændingen af den første generator, og den sender ikke strøm til netværket. For at indlæse den anden generator er det nødvendigt at øge dens EMF lidt ved at justere excitationsstrømmen med en reostat . Derefter kan du ved at justere excitationsstrømmen for den første generator omfordele belastningen mellem dem, mens du skal sikre dig, at spændingen på distributionsbussen forbliver uændret.

Hvis generatorens EMF er under den elektriske spænding i distributionsbussen , vil den fungere som en jævnstrømsmotor , hvilket kan føre til en ulykke.

Generatorer med blandet excitation har en udligningstråd mellem generatorbørsterne af samme navn (positive eller negative), hvortil en af enderne af den serielle excitationsvikling er forbundet. Udligningstråd (dæk) er nødvendig for stabil paralleldrift af generatorer. Hvis EMF af en generator af en eller anden grund falder, vil den anden generator sende strøm gennem udligningstråden til serieviklingen af den første generator, øge dets magnetfelt og øge EMF af den første generator til den krævede værdi. Således opnås automatisk justering af de elektromotoriske kræfter af parallelle generatorer med blandet excitation, og stabiliteten af deres drift opnås.

Se også

Generator

Noter

↑ 1 2 3 § 169. Generatorer med uafhængig excitation og selv-excitering. // Elementær lærebog i fysik / Red. G.S. Landsberg . - 13. udg. - M .: FIZMATLIT , 2003. - T. 2. Elektricitet og magnetisme. - S. 422-427.

Litteratur

Voldek A.I. , Popov V.V. Elektriske maskiner. Introduktion til elektromekanik. DC-maskiner og transformere: Lærebog for universiteter. - St. Petersborg: "Piter", 2008. - 320 s.