Рис. 4.19 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока

Р_д – это потери от вихревых токов в наконечниках полюсов из-за зубчатости якоря; потери в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке; потери от вихревых токов в проводниках якорной обмотки; потери, связанные с коммутационным процессом; неучтенные потери.

Р_э + Р_эщ = I²_аR_я (4.28)

Полезная мощность

Р₂ = UI_а = EI_а – I_аR_я (4.29)

Отсюда уравнение ЭДС генератора

U = E – I_аR_я (4.30)

U – напряжение на клеммах генератора, В;

Е – ЭДС генератора ( при холостом ходе), В;

I_а – ток в обмотках якоря, А;

R_я – сопротивление цепи якорной обмотки, Ом.

На рис. 4.19 приведена энергетическая диаграмма генератора с магнитоэлектрическим возбуждением.

4 .7. Электромагнитный момент. Уравнение моментов

Рис. 4.20 К определению электромагнитного момента машины постоянного тока

Первичный двигатель создает на валу якоря генератора постоянного тока вращающий момент М₁. Если генератор постоянного тока работает без нагрузки (I_а=0), то этот момент называют моментом холостого хода (ХХ) М_0.

Он соответствует механическим и магнитным потерям.

При работе генератор постоянного тока под нагрузкой ток каждого проводника обмотки якоря:

(4.41)

Этот ток через свое магнитное поле взаимодействует с основным магнитным полем, при этом на каждый проводник будет действовать электромагнитная сила:

F_эм=В_срli_я (4.42)

Направление силы определяют по правилу левой руки.

Электромагнитный момент :

(4.43)

где N – число проводников в обмотке якоря.

Т.к. πd = 2pτ ; Ф=В_срlτ, то

(4.44)

Или

(4.45)

- постоянная машины (для конкретной машины ).

Электромагнитный момент направлен встречно моменту М₁, поэтому он является тормозящим.

Поэтому первичный момент преодолевает два момента: М₀+М_эм

Тогда:

М₁=М₀+М_эм (4.46)

Это уравнение моментов генератора постоянного тока при n=const.

Мощность затрачиваемая первичным двигателем на вращение ротора генератора постоянного тока при номинальной нагрузке :

(4.47)

4.8. Характеристики генератора постоянного тока

У генератора постоянного тока снимаются следующие характеристики:

1. Характеристики холостого хода (ХХХ)-зависимость ЭДС генератора Е от тока возбуждения I_В при n = const и I_н =0, то есть E=ƒ(I_В) при n=const и I=0

2. Нагрузочная характеристика

U=ƒ(I_В) при n=const и I=0

3. Внешняя характеристика

U=ƒ(I) или U=ƒ(I_я) при n=const и R_цв=const

4. Регулировочная характеристика

I_В =ƒ(I) при n=const и U=const

Генератор независимого возбуждения

1. Характеристики холостого хода

E=ƒ(I_В) ; n=const, I=0 (рис. 4.21).

За счет потока остаточного магнетизма при I_В=0 возникает E_o =C_enФ.

Характеристику снимают, увеличивая I_В от 0 до +I_В (U_о =1,15 U_ном) (кривая 1) Затем снимается кривая 2, затем – кривая 3.

Рис. 4.21 Характеристика холостого хода

После этого строят расчетную характеристику холостого хода, проводя в петле гистерезиса среднюю линию -------.

Прямолинейный участок характеристики соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. Эта характеристика повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины и дает возможность судить о магнитных свойствах машины.

2. Нагрузочная характеристика генератора

U=ƒ(I_В); n=const; I=const≠0 (рис. 4.22).

Напряжение на зажимах генератора меньше чем ЭДС, по этому нагрузочная характеристика(1) располагается ниже, чем ХХХ (2).

Если из точки а (U_ном) отложить вверх отрезок , провести горизонтально отрезок bc до пересечения с характеристикой холостого хода и соединить точку c, с точкой а , то получим abc – треугольник реактивный (характеристический).

Катеты этого треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке:

Рис. 4.22 Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока

- падение напряжения в цепи якоря определяет катет - ;

- ток I_B1-I_B2 , компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря, определяет катет - bc=I_В1-I_В2

треугольник а`b`c` построен для другого значения тока возбуждения I_В3.

Сторона a`b` = ab , т.к I_н не изменился , но сторона b`c` стала меньше bc , т.к при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнитной цепи генератора, следовательно и размагничивающие действие реакции якоря.

3. Внешняя характеристика

U=ƒ(I) при n=const; R_цв=const (рис. 4.23).

Рис.4.23 Внешняя характеристика генератора постоянного тока

Уменьшение напряжения U при увеличении тока I объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки :

Обычно для генератора независимого возбуждения ∆U_ном = 5÷10%%

4. Регулировочная характеристика

I_В=ƒ(I) при n=const и U=const (рис. 4.24).

Рис. 4.24 Регулировочная характеристика генератора постоянного тока

1-восходящая ветвь

2-нисходящая ветвь, она ниже, так как возросло остаточное намагничивание магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви.

3-средняя кривая ― практическая регулировочная характеристика генератора.

Недостатки генератора постоянного тока с независимым возбуждением

1. Необходимость в постороннем источнике энергии.

Достоинства генератора постоянного тока с независимым возбуждением

1. Возможность регулировать напряжение в широких пределах.

2. Сравнительно жесткая внешняя характеристика.

Генератор параллельного возбуждения.

Процесс самовозбуждения возможен:

1. При наличии потока остаточного магнетизма Ф₀, который при частоте n>0 индуцирует Е₀=c_enФ₀.

2. Поток остаточного магнетизма Ф₀ имеет такое же направление, как МДС_ОВ=I_{в ост} ∙w_В , тем самым увеличивая поток главных полюсов.

3. Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс:

4. Когда α=α_кр, то r_в =r_{в кр}, то есть это касательная к характеристике холостого хода. При r_вr_{в кр} процесс самовозбуждения происходить не будет. Поэтому необходимо, чтобы r_в<r_{в кр}.

5. Самовозбуждение возможно при n>n_кр.

Рис. 4.25 Определение критического сопротивления

Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то характеристика холостого хода может быть снята лишь для одного квадранта.

Рис. 4.26 Зависимость напряжения генератора от частоты

Нагрузочная и регулировочная характеристики практически не отличаются от аналогичных характеристик генератора независимого возбуждения.

В нешняя характеристика менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения, так как кроме реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря появляется третья причина: снижение напряжения (U_B↓), которая ведет к уменьшению тока якоря (I_B↓).

Рис. 4.27 Внешняя характеристика генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Участок АВ―неустойчивый участок работы. Здесь при уменьшении сопротивления цепи возбуждения r_в происходит резкое уменьшение напряжения U и уменьшение тока I. Поэтому происходит переход электрической машины в ненасыщенное состояние, при котором даже незначительное уменьшение r_я вызывает резкое уменьшение ЭДС машины.

Генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением широко применяются в авиации.

Генератор смешанного возбуждения

Магнитный поток создается, в основном, шунтовой обмоткой возбуждения, а сериесная подключается обычно согласно с шунтовой (МДС обеих обмоток возбуждения суммируются).

В режиме холостого хода имеется только параллельное возбуждение так как I=0.

Рис. 4.28 Внешние характеристики генератора постоянного тока смешанного возбуждения

Внешняя характеристика становится жестче, так как МДС сериесной обмотки возбуждения компенсирует реакцию якоря (кривая 2).

При увеличении витков сериесной обмотки возбуждения МДС этой обмотки компенсирует еще и падение напряжения на проводах (кривая 1).

При встречном соединении сериесной обмотки возбуждения и шунтовой обмотки возбуждения происходит уменьшение МДС и резкое уменьшение напряжения (кривая 3).