39.Генераторы постоянного тока. Виды возбуждения и характерситики.

Генера́тор постоя́нного то́ка — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Классификация генераторов постоянного тока по способу их возбуждения[править | править вики-текст]

В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы подразделяются на:

1. генераторы с независимым возбуждением;

2. генераторы с самовозбуждением;

• генераторы с параллельным возбуждением, или шунтовые генераторы^[1];

• генераторы с последовательным возбуждением, или сериесные генераторы^[1];

• генераторы со смешанным возбуждением, или компаунд-генераторы^[1];

Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Основные характеристики таких генераторов близки к характеристикам генераторов с независимым возбуждением.

Основными величинами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются:

• электродвижущая сила {\displaystyle E},

• электрическое напряжение на зажимах генератора {\displaystyle U},

• нагрузка (электрический ток, даваемый генератором потребителю) {\displaystyle I},

• ток возбуждения {\displaystyle I_{v}},

• число оборотов якоря в минуту {\displaystyle n}.

Зависимость между какими-либо двумя основными величинами, характеризующими работу генератора, называется характеристикой генератора.

Основными характеристиками генератора являются характеристики:

• холостого хода;

• внешняя (нагрузочная);

• регулировочная.

Генераторы с независимым возбуждением[править | править вики-текст]

В генераторе постоянного тока с независимым возбуждением обмотка возбуждения не связана электрически с якорной обмоткой. Она питается постоянным током от внешнего источника электрической энергии, например от аккумуляторной батареи; мощные генераторы имеют на общем валу небольшой генератор-возбудитель. Ток возбуждения {\displaystyle I_{v}} не зависит от тока якоря {\displaystyle I_{a}}, который равен току нагрузки {\displaystyle I}. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1…3 % от номинального тока якоря. Последовательно с обмоткой возбуждения подключен регулировочный реостат (реостат возбуждения). Он изменяет величину тока возбуждения {\displaystyle I_{v}}, тем самым регулируется электродвижущая сила {\displaystyle E}.

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Характеристика холостого хода {\displaystyle U_{0}=f(I_{v})} показывает зависимость электрического напряжения {\displaystyle U} от тока возбуждения {\displaystyle I_{v}} при постоянном числе оборотов {\displaystyle n=const}. Генератор отсоединён от внешней цепи (нагрузка отсутствует). При токе возбуждения {\displaystyle I_{v}=0} ЭДС генератора {\displaystyle E_{ost}} не равна нулю, а составляет 2…4 % от {\displaystyle U}. Эта электродвижущая сила называется начальной или остаточной ЭДС, обусловлена наличием остаточного магнетизма в магнитной цепи генератора. Затем по мере увеличения тока возбуждения ЭДС растёт, изменяясь согласно кривой, напоминающей кривую намагничивания ферромагнитных материалов.

ЭДС генератора вначале растёт быстро (участок {\displaystyle a-b} характеристики), изменяясь по линейному закону. Это объясняется тем, что при малых величинах тока возбуждения сталь генератора слабо намагничена, её магнитное сопротивление мало из-за относительно большой магнитной проницаемости стали.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения линейная зависимость между ним и ЭДС генератора нарушается (участок {\displaystyle b-c} характеристики). Это объясняется тем, что по мере возрастания тока возбуждения начинает сказываться явление магнитного насыщения стали.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения (участок {\displaystyle c-d} характеристики) в стали генератора возникает сильное магнитное насыщение. Магнитная проницаемость стали становится небольшой, а магнитное сопротивление стали, наоборот, возрастает. Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием магнитного гистерезиса в магнитопроводе машины.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Внешней характеристикой называется зависимость {\displaystyle U=f(I_{\text{н}})} при {\displaystyle n=const} и {\displaystyle I_{v}=const}. Под нагрузкой напряжение генератора {\displaystyle U=E-{I_{a}}\Sigma r}, где {\displaystyle \Sigma r} — сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки).

Когда генератор нормально возбуждён, то есть при нормальном числе оборотов якоря в минуту имеет номинальную ЭДС, его можно нагрузить током, подключив к нему потребителей электрической энергии.

Нагруженный генератор создаёт в цепи ток {\displaystyle I={\frac {E}{r+R}}}, где

{\displaystyle I} — нагрузка генератора в амперах;

{\displaystyle E} — электродвижущая сила генератора в вольтах;

{\displaystyle r} — сопротивление якорной обмотки в омах;

{\displaystyle R} — эквивалентное сопротивление внешнего участка цепи (потребители электроэнергии).

Напряжение на зажимах генератора {\displaystyle U=E-{Ir}}, то есть оно равно электродвижущей силе {\displaystyle E} генератора без падения напряжения {\displaystyle {Ir}} в якорной обмотке генератора.

При токе {\displaystyle I=0} (режим холостого хода) напряжение на зажимах генератора равно его электродвижущей силе: {\displaystyle U=U_{xx}=E}, где {\displaystyle U_{xx}} — напряжение холостого хода генератора.

С увеличением нагрузки {\displaystyle I} напряжение на его зажимах {\displaystyle U} уменьшается по двум причинам:

• из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении {\displaystyle r+R} машины;

• из-за уменьшения ЭДС {\displaystyle E} в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока — зависимость тока возбуждения {\displaystyle I_{v}} от нагрузки (силы тока) {\displaystyle I} при постоянном напряжении {\displaystyle U=const} и постоянном числе оборотов {\displaystyle n=const}.

При холостом ходе {\displaystyle I=0} генератор имеет минимальный ток возбуждения {\displaystyle I_{vo}}. Затем по мере роста нагрузки ток возбуждения {\displaystyle I_{v}} тоже растёт. Для поддержания постоянства напряжения {\displaystyle U} на зажимах генератора необходимо увеличивать его электродвижущую силу {\displaystyle E}, что и достигается увеличением тока возбуждения {\displaystyle I_{v}}.

Чем больше магнитное насыщение стали генератора, тем при прочих одинаковых условиях круче поднимается график регулировочной характеристики. Это объясняется тем, что с ростом тока в якорной обмотке усиливается размагничивающее действие реакции якоря и для компенсации его необходимо увеличивать ток возбуждения.

Достоинство генераторов постоянного тока с независимым возбуждением заключается в их хорошей внешней характеристике, так как ток возбуждения независим от напряжения на зажимах генератора.

Недостаток таких генераторов — необходимость иметь посторонний источник электрической энергии, питающий постоянным током обмотку возбуждения.

Генераторы постоянного тока с независимым возбуждением применяются главным образом в мощных сильноточных установках.