Тема 1.4. Коллекторные генераторы и двигатели постоянного тока

1.4.1. Виды генераторов постоянного тока и их характеристики

В генераторе постоянного тока механическая мощность, развиваемая приводным двигателем Р1, преобразуется в полезную электрическую мощность Р2, передаваемую нагрузке, и мощность на покрытие потерь Рп. Т. к. генераторы обычно работают при неизменной (номинальной) частоте вращения n, то их характеристики рассматривают при n = const.

Основные характеристики генераторов постоянного тока:

1) Характеристика холостого хода (х. х.) – зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х. х U0 от тока возбуждения Iв:

U0 = f(Iв) при I = 0 (ток нагрузки) и n = const.

2). Нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения Iв:

U = f(Iв) при I ≠ 0 и при n = const.

3). Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:

U = f(I) при rрег = const и при n = const,

где rрег – регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения (ОВ).

4). Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки I:

Iв = f(I) при U = const и при n = const.

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока.

Генератор независимого возбуждения – это генератор, у которого обмотка возбуждения (ОВ) не связана с обмоткой якоря (рис. 9) . Его характеристики:

1). Характеристика холостого хода (х. х.) является магнитной характеристикой машины, т. е. характеризует магнитные свойства сердечников полюсов и якоря.

2). Нагрузочная характеристика показывает зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения т. к. напряжение на выходе генератора меньше ЭДС, нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики х. х.

3) Внешняя характеристика показывает зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки напряжение на выходе генератора понижается.

4). Регулировочная характеристика показывает, как следует менять ток возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выходе было равным номинальному.

Генераторы независимого возбуждения в основном используют в электроприводах с широким диапазоном регулирования напряжения.

Рис. 9. Принципиальная схема и характеристики генератора независимого возбуждения:

а) – принципиальная схема; б) – характеристика холостого хода;

в) – нагрузочная; г) – внешняя характеристика; д) – регулировочная характеристика.

Генератор параллельного возбуждения - это генератор, у которого ОВ включена параллельно обмотке якоря и для его возбуждения используется часть вырабатываемого им тока, т. е ток возбуждения Iв составляет (2÷3)% номинального тока I (рис. 10). Его характеристики:

1). Характеристика холостого хода (х. х.) имеет тот же вид, что и у генератора независимого возбуждения.

2). Нагрузочная и регулировочная характеристики практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.

3) Внешняя характеристика менее жёсткая, чем у генератора независимого возбуждения.

Генераторы параллельного возбуждения не нуждаются в постороннем источнике питания, чем выгодно отличаются от генераторов независимого возбуждения. Их очень широко используют для питания установок, в которых нет резких колебаний напряжений.

б)

Рис. 10. Принципиальная схема и характеристики генератора параллельного возбуждения:

а) – принципиальная схема; б) – характеристика холостого хода;

в) – нагрузочная характеристика; г) – внешняя характеристика; д) – регулировочная характеристика.

Генератор последовательного возбуждения – это генератор, у которого ОВ включена последовательно с обмоткой якоря и поэтому через неё протекает тот же ток, что и через обмотку якоря. Поэтому сечение провода ОВ должно быть одинаковым с сечением провода обмотки якоря (рис. 11). Его характеристики:

1). Характеристика холостого хода (х. х.) имеет тот же вид, что и у генератора независимого и параллельного возбуждения.

2) Внешняя характеристика является также и нагрузочной, т. к номинальный ток I = Iв (ток возбуждения).

3) Регулировочная характеристика отсутствует, т. к. I = Iв.

Генераторы последовательного возбуждения применяют очень редко, только при строго неизменной нагрузке.

Рис. 11. Принципиальная схема и характеристики генератора последовательного возбуждения:

а) – принципиальная схема; б) – характеристика холостого хода;

в) – нагрузочная (внешняя) характеристика.

Генератор смешанного возбуждения – это генератор, у которого две обмотки возбуждения – параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2. Это придаёт ему свойства генератора параллельного и последовательного возбуждения (рис. 12).

Рис. 12. Принципиальная схема и характеристики генератора смешанного возбуждения:

а) – принципиальная схема; б) – характеристика холостого хода;

в) – нагрузочная характеристика; г) – внешняя характеристика.

Его характеристики:

1). Характеристика холостого хода (х. х.) имеет тот же вид, что и у генераторов независимого, параллельного и последовательного возбуждения.

2). Нагрузочная характеристика аналогична нагрузочной характеристике генератора параллельного возбуждения и практически не отличается от нагрузочной характеристики генератора независимого возбуждения.

3) Внешняя характеристика более жёсткая, чем у генераторов независимого, параллельного и последовательного возбуждения. Она показывает, что генератор при сменах нагрузки практически не изменяет напряжение.

4) Регулировочная характеристика отсутствует, т. к. ток возбуждения ОВ2 равен номинальному току генератора.

Генераторы смешанного возбуждения широко применяют для питания установок с резкими и частыми колебаниями нагрузок.

Главным требованием к генераторам постоянного тока является постоянство напряжения на выходе (определяется внешней характеристикой). Постоянство напряжения хорошо поддерживают генераторы смешанного возбуждения (компаундные), но они имеют относительно сложную конструкцию (две обмотки возбуждения), поэтому их применяют там, где часто и значительно колеблется нагрузка. Наибольшее применение имеют генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), т. к. они проще, дешевле и не бояться коротких замыканий, а изменение напряжения на выходе у них небольшое. Генераторы последовательного возбуждения (сериесные) применяют редко т. к. напряжение на выходе у них очень сильно зависит от нагрузки. Генераторы с возбуждением от постоянных магнитов применяю в основном в качестве миниатюрных генераторов.