Меню

Чем регулируют напряжение генераторов постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного напряжения

21 октября 2019

Время на чтение:

Когда-то генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую, были единственными источниками электроэнергии. На сегодня чаще всего используются надежные трехфазные преобразователи переменного тока. Но в некоторых отраслях постоянный ток был регулярно востребован, поэтому устройства для выработки последнего неизменно совершенствовались.

Как работает

Функционирование генератора основывается на свойствах, которые следуют из известного закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур разместить между полюсами магнита (постоянного), то в условиях вращения он будет проходить через магнитный поток. Во время перехода вырабатывается электродвижущая сила, возрастающая при приближении к полюсу. В случае, если присоединить нагрузку, то образуется поток тока. Когда витки рамки будут выходить из области воздействия магнита, то ЭДС будет уменьшаться и достигнет нуля при горизонтальном положении рамки. При дальнейшем вращении противолежащие контурные части изменят магнитную полярность.

Альтернатор постоянного тока

Значения ЭДС в активных обмотках контура вычисляются по формулах: е1= В I v sin wt, е2= — В I v sin wt, где I — длинна одной стороны рамки, В — магнитная индукция, v — скорость вращения (линейная) контура, t — время, wt — угол пересечения магнитного потока рамкой.

Направление тока меняется в период смены полюсов. Поскольку вращение коллектора происходит одновременно с рамой, то электроток на нагрузке имеет одинаковое направление. Такая схема лежит в основе выработки постоянного электричества. Суммарная ЭДС будет иметь следующий вид: е= 2В I v sin wt.

Принцип действия генератора

Такой ток почти непригоден для применения, поскольку присутствуют пульсации ЭДС. Последние надо уменьшать к допустимому уровню. Для этой цели применяют много магнитных полюсов, рамки заменяют якорями, у которых намного больше обмоток и коллекторов. К тому же, соединение обмоток выполняется разными методами.

Ротор производится из стали. В пазы на сердечниках укладываются витки провода, которые составляют рабочую обмотку якоря. Проводники соединяют последовательно. Они образуют секции, создающие замкнутую цепь.

Интересно! Для процесса генерации неважно: вращаются обмотки контура или магнит. По этой причине роторы для маломощных альтернаторов изготавливают из постоянных магнитов, а переменный ток выпрямляют при помощи диодных мостов или иными схемами.

Узнать, из чего состоит генератор постоянного тока, поможет картинка 4.

Устройство машины постоянного тока

Установка состоит из главных узлов:

  • неподвижная часть — главные и дополнительные полюса, станина;
  • вращающаяся часть (якорь) — стальной сердечник, коллектор.

В процессе работы установки ток проводится сквозь обмотку и образуется магнитный поток полюсов. Специальные неподвижные щетки (из сплава графита) способствуют объединению обеих частей генератора в единую цепь.

Устройство и принцип действия генератора постоянного тока за долгий период применения остались прежними, несмотря на некоторые совершенствования.

Классификация

Существуют генераторы постоянного тока с независимым возбуждением обмоток, с самовозбуждением. Последние модели используют электричество, которое ими же вырабатывается. По способу объединения обмоток якорей альтернаторы делят на устройства с возбуждением следующих типов:

  • смешанным;
  • параллельным;
  • последовательным.

Схема генератора постоянного тока представлена на картинке 5.

Схемы альтернатора

С параллельным возбуждением

Чтобы электроприборы работали в нормальном режиме, необходимо стабильное напряжение, которое не зависит от изменений в общей нагрузке. Эта проблема решается методом настройки параметров возбуждения. В таких генераторах катушка подключена (через реостат) параллельно обмотке якоря. Реостат может замыкают обмотку. В противном случае при разъединении цепи возбуждения внезапно повысится ЭДС самоиндукции, что может повредить изоляционный материал. В состоянии непродолжительного замыкания энергия превращается в тепловую, чем предотвращается разрушение устройства.

Электромашины с возбуждением такого вида не требуют внешнего источника питания. Самовозбуждение обмоток происходит под действием остаточного магнетизма в сердечнике магнита. Последние, для улучшения описанного процесса, производят из стали. Самовозбуждение длится до тех пор, пока ток не станет максимальным, а электродвижущая сила не покажет номинальное значение.

Преимущество вышеописанных электрогенераторов в том, что на них почти не влияют электротоки при коротком замыкании.

С независимым возбуждением

Источниками питания для обмоток нередко стают аккумуляторы или же иные устройства. В машинах с малой мощностью применяются постоянные магниты, обеспечивающие присутствие главного магнитного потока. На валу альтернатора располагают микрогенератор (возбудитель), который вырабатывает электроток для возбуждения якорных обмоток. Для этой цели необходимо от 1 до 3 % номинального тока якоря. Изменение электродвижущей силы выполняется регулирующим реостатом.

Достоинство: на возбуждающий ток не имеет воздействия напряжение на зажимах.

С последовательным возбуждением

Последовательными обмотками вырабатывается ток, который равняется электротоку альтернатора. В случае холостого хода отсутствует нагрузка, поэтому возбуждение нулевое. Это обозначает, что регулировочные свойства не существуют.

В агрегате с последовательным возбуждением почти нет тока, если ротор вращается на холостых оборотах. Чтобы запустить возбуждение, требуется подключение нагрузки к зажимам устройства. Явная связанность напряжения с нагрузкой считается огромным минусом последовательных обмоток. Подобные агрегаты используются лишь для питания электрических приборов, у которых нагрузка постоянная.

Со смешанным возбуждением

Самые лучшие свойства собраны в конструкции агрегатов со смешанным возбуждением. Особенность устройств в том, что они состоят из двух катушек:

  • основная — подключена параллельным способом к обмоткам якоря;
  • вспомогательная — подключена последовательным способом.

В цепи основной присутствует реостат, который регулирует ток возбуждения. Процедура самовозбуждения генератора со смешанным типом такая же, как у агрегата с параллельными обмотками (в самовозбуждении не принимает участия последовательная обмотка, так как отсутствует исходный ток). А свойства холостого хода идентичны характеристикам генератору с параллельной обмоткой. Такие особенности разрешают настраивать напряжение на зажимах устройства.

Технические параметры

Работа генератора определяется зависимостью между основными величинами, которые являются его главными характеристиками:

  • отношения между величинами на холостом ходу;
  • внешние параметры;
  • регулировочные значения.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока крайне важна, так как раскрывает взаимосвязь напряжения и нагрузки. Она отображена на графике. Согласно последнего наблюдается незначительное уменьшение напряжения, но оно почти не зависит от нагрузочного тока (если сохраняется скорость оборотов двигателя).

Внешняя характеристика ГПТ

В устройствах с параллельным возбуждением больше выражено влияние нагрузки на напряжение. Это объясняется уменьшением тока в обмотках. Чем выше ток нагрузки, тем быстрее будет уменьшаться напряжение на зажимах агрегата.

Свойства ГПТ с параллельным возбуждением

Если увеличить величину тока при последовательном возбуждении, то вырастет ЭДС. Но напряжение не достигнет высокого значения электродвижущей силы, так как часть энергии уйдет на потери от вихревых токов.

Свойства ГПТ с последовательным возбуждением

При достижении напряжением максимального значения и одновременным увеличением нагрузки, первое начинает стремительно снижаться в то время, как кривая электродвижущей силы продолжает подниматься. Это считается большим недостатком, ограничивающим использование генератора такого типа.

В устройствах со смешанным возбуждением предвиденные встречные подключения обеих катушек. Конечная сила при однонаправленном подключении равняется сумме векторов намагничивающих сил, при встречном — их разнице.

При равномерном увеличении нагрузки напряжение на зажимах почти не меняется. Оно будет расти лишь тогда, если число проводов последовательной обмотки превышает число витков, которое соответствует номинальному возбуждению якоря.

Свойства ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением применяются в том случае, если нужно ограничить токи короткого замыкания. К примеру, при подсоединении аппаратов для сварки.

Важной характеристикой генератора считается его КПД — соотношение полезной и полной мощности: η = P 2 / P1. При холостом ходе такое отношение равно нулю (η=0). При номинальных нагрузках КПД достигнет максимального значения. Мощные агрегаты имеют коэффициент полезного действия около 90 %.

Электродвижущая сила (ее значение) пропорциональна магнитному потоку, числу проводников (активных) в обмотках, частоте вращения якоря. Если менять последние параметры, то можно легко управлять значением ЭДС. Последнее относится и к напряжению. Нужный результат достигается методом изменения частоты вращения якоря.

Мощность

Выделяют полезную и полную мощности устройства. При постоянной электродвижущей силе полная мощность находится в прямо пропорциональной зависимости от тока: P=EIa. Полезная, которая отдается в цепь, Р1=UI.

Реакция якоря

Если к альтернатору подключить внешнюю нагрузку, то электротоки его обмотки создадут магнитное поле. Тогда возникнет сопротивление полей якоря и статора. Поле будет самым сильным в тех местах, где ротор приближается к магнитным полюсам, очень слабым — в точках максимального удаления. Ротор чувствует магнитное насыщение стальных катушечных сердечников. Сила реакции напрямую зависит от насыщенности в проводах. В результате на пластинках коллекторов будет происходить искрение щеток.

Реакция ротора

Уменьшение реакции достигается при использовании восполняющих магнитных полюсов или передвижением щеток с линии оси.

Где используются

Еще совсем недавно генераторы постоянного тока устанавливались на транспорте для железных дорог. Но сейчас их вытесняют синхронные трехфазные устройства. Переменный ток синхронных агрегатов выпрямляют полупроводниковыми установками. Некоторые новые локомотивы используют асинхронные двигатели, которые работают на переменном токе.

Применение ГПТ

Такие же обстоятельства и с автогенераторами, которые постепенно замещают асинхронными устройствами с дальнейшим выпрямлением.

Сварочный генератор

Стоит заметить, что передвижное оборудование для сварки (имеющие автономное питание) обычно находится в паре с таким генератором. Отдельные отрасли промышленности продолжают применять мощные агрегаты описанного типа.

Источник

Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Сегодня, как в промышленности, так и в гражданской сфере, есть немало установок, электроприводов, технологий, где для питания требуется не переменное, а постоянное напряжение. К таким установкам относятся различные промышленные станки, строительное оборудование, двигатели электротранспорта (метро, троллейбус, погрузчик, электрокар), и другие установки постоянного тока разного рода.

Напряжение питания для некоторых из этих устройств должно быть изменяемым, чтобы например изменяющийся ток питания электродвигателя приводил бы к соответствующему изменению скорости вращения его ротора.

Один из первых способов регулировки постоянного напряжения — регулирование при помощи реостата. Затем можно вспомнить схему двигатель — генератор — двигатель, где опять же регулированием тока в обмотке возбуждения генератора достигалось изменение рабочих параметров конечного двигателя.

Но эти системы не экономичны, они считаются устаревшими, и гораздо более современными являются схемы регулирования на базе тиристоров. Тиристорное регулирование более экономично, более гибко, и не приводит к увеличению массо-габаритных параметров установки целиком. Однако, обо всем по порядку.

Реостатное регулирование (регулирование при помощи добавочных резисторов)

Регулирование при помощи цепи последовательно соединенных резисторов позволяет изменять ток и напряжение питания электродвигателя путем ограничения тока в его якорной цепи. Схематически это выглядит как цепочка добавочных резисторов, присоединенных последовательно к обмотке двигателя, и включенных между ней и плюсовой клеммой источника питания.

Читайте также:  Как переделать клещи переменного тока в постоянный

Реостатное регулирование ДПТ

Часть резисторов может быть по мере надобности шунтирована контакторами, чтобы соответствующим образом изменился ток через обмотку двигателя. Раньше в тяговых электроприводах такой метод регулирования был распространен весьма широко, и за неимением альтернатив приходилось мириться с очень низким КПД в силу значительных тепловых потерь на резисторах. Очевидно, это наименее эффективный метод — лишняя мощность просто рассеивается в виде ненужного тепла.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Здесь напряжение для питания мотора постоянного тока получается на месте, при помощи генератора постоянного тока. Приводной мотор вращает генератор постоянного тока, который и питает в свою очередь мотор исполнительного механизма.

Регулирование рабочих параметров двигателя исполнительного механизма достигается путем изменения тока обмотки возбуждения генератора. Больше ток обмотки возбуждения генератора — большее напряжение подается на конечный двигатель, меньше ток обмотки возбуждения генератора — меньшее напряжение, соответственно, подается на конечный двигатель.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Данная система, на первый взгляд, более эффективна, чем просто рассеивание энергии в виде тепла на резисторах, однако и она отличается своими недостатками. Во-первых, система содержит две дополнительные, довольно габаритные, электрические машины, которые необходимо время от времени обслуживать. Во-вторых, система инерционна — соединенные три машины не в состоянии резко изменить свой ход. В результате снова КПД получается низким. Однако, на протяжении некоторого времени такие системы использовались на заводах в 20 веке.

Метод тиристорного регулирования

С появлением во второй половине 20 века полупроводниковых приборов, появилась возможность создания малогабаритных тиристорных регуляторов для двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока теперь просто подключался к сети переменного тока через тиристор, и, варьируя фазу открывания тиристора, стало возможным получить плавное регулирование скорости вращения ротора двигателя. Этот метод позволил совершить рывок в подъеме КПД и быстродействия преобразователей для питания моторов постоянного тока.

Метод тиристорного регулирования ДПТ

Метод тиристорного регулирования и сейчас используется, в частности, для управления скоростью вращения барабана в автоматических стиральных машинах, где в качестве привода служит коллекторный высокооборотный мотор. Справедливости ради отметим, что аналогичный метод регулирования работает и в тиристорных диммерах, способных управлять яркостью свечения ламп накаливания.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Постоянный ток при помощи инвертора преобразуется в переменный ток, который затем при помощи трансформатора повышается или понижается, после чего выпрямляется. Выпрямленное напряжение подается на обмотки электродвигателя постоянного тока. Возможно дополнительное импульсное регулирование посредством ШИМ-модуляции, тогда достигаемый эффект на выходе несколько похож на тиристорное регулирование.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Наличие трансформатора и инвертора в принципе приводит к удорожанию системы в целом, однако современная полупроводниковая база позволяет строить конверторы в виде готовых малогабаритных устройств с питанием от сети переменного тока, где трансформатор стоит высокочастотный импульсный, и в итоге габариты получаются небольшими, а КПД уже достигает 90%.

Импульсное управление

Система импульсного управления моторами постоянного тока похожа по своему устройству на импульсный DC-DC преобразователь. Этот метод является одним из наиболее современных, и именно его используют сегодня в электрокарах и внедряют в метро. Звено понижающего преобразователя (диод и дроссель) объединено в последовательную цепь с обмоткой мотора, и регулируя ширину подаваемых на звено импульсов, добиваются требуемого среднего тока через обмотку мотора.

Импульсное управление двигателем постоянного тока

Такие импульсные системы управления, по сути — импульсные преобразователи, отличаются более высоким КПД — более 90%, и обладают отличным быстродействием. Здесь открываются широкие возможности для рекуперации электроэнергии, что весьма актуально для станков с большой инерционностью и для электрокаров.

Источник

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Напряжение генераторов постоянного и переменного тока зависит от частоты вращения ротора, значения отдаваемого тока, магнит­ного потока возбуждения, сопротивления обмотки якоря (у гене­ратора постоянного тока) и полного сопротивления обмотки ста­тора (у генераторов переменного тока).

•Если учитывать (при грубом приближении) только основные фак­торы, то можно считать, что

Таким образом, для обеспечения постоянства напряжения гене­ратора при изменении частоты вращения ротора необходимо обратно пропорционально частоте изменять магнитный поток. Так как магнитный поток определяется силой тока возбуждения, регулирование напряжения осуществляется периодическим включе­нием в цепь возбуждения генератора и отключением из этой цепи добавочного резистора с постоянным сопротивлением. В настоя­щее время применяются вибрационные и полупроводниковые регу­ляторы напряжения.

Вибрационный регулятор напряжения. Вибрационный регулятор (рис. 18,а) имеет добавочный резистор Rд, который включается по­следовательно с обмоткой возбуждения ОВ. При замыкании контак­тов 4, один из которых неподвижен, а другой расположен на якорьке 3, добавочный резистор замкнут накоротко. Основная обмот­ка ОО регулятора, намотанная на сердечнике 5, включена на пол­ное напряжение генератора. Пружина 2 оттягивает якорек вверх, удерживая контакты в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения ОВ через контакты, якорек и ярмо 1 подключена, минуя добавочный резистор.

При неработающем генераторе в основной обмотке 00 регуля­тора тока нет и контакты под действием пружины замкнуты. С увеличением частоты вращения сила тока возбуждения генерато­ра и его напряжение растут. При этом увеличивается сила тока основной обмотки 00 регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленной величины, силы магнитного притяжения якорька к сердечнику недостаточно для преодоления силы натяжения пружины и контакты регуля­тора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения про­ходит, минуя добавочный резистор.

При дальнейшем увеличении напряжения генератора наступает такой момент, когда сила магнитного притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора размыкаются. Вследствие этого в цепь обмотки возбуж­дения включается добавочный резистор, и напряжение генератора резко падает.

Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока в обмотке регулятора напряжения и, следовательно, силы притяжения якорька к сердечнику. В результате контакты регулятора вновь замыкаются, а затем при увеличении напряжения генератора размыкаются.

Описанный процесс периодически повторяется. В результате этого возникают пульсации напряжения (рис. 18, б). Среднее значение напряжения Uср, измеряемое вольтметром, определяет регули­руемое напряжение генератора. С увеличением частоты враще­ния увеличивается время разомкнутого состояния tр и уменьшается время замкнутого состояния t3. Это приводит к уменьшению тока возбуждения IB (рис. 19).

Напряжение генератора, поддерживаемое регулятором, зависит от силы натяжения пружины. Изменением силы натяжения пружины осуществляется регулировка напряжения генераторной установки.

Уменьшение пульсаций напряжения происходит следующим обра­зом. Пульсации напряжения генератора зависят от частоты колебаний якорька регулятора. Чтобы пульсации напряжения не оказывали влияния на работу потребителей, якорек регулятора должен колебаться с частотой не менее 30 Гц. Кроме того, с увеличением частоты колебаний якорька уменьшается износ контактов.

Частоту колебаний повышают применением специальных уско­ряющих обмоток, которые наматывают на сердечник регулятора, или ускоряющих резисторов. Наиболее часто применяют схему вибрационного регулятора напряжения с ускоряющим резистором (рис. 20). Здесь основная обмотка 00 регулятора подключается к генератору через ускоряющий резистор Rу, который включен последовательно с резистором Rд. Резистор Rу также является добавочным в цепи обмотки возбуждения генератора. Таким обра­зом, напряжение на обмотке регулятора равно разности между напряжением генератора и падением напряжения в ускоряющем резисторе.

Ускоряющее действие резистора Rу заключается в следующем.При замкнутых контактах регулятора через ускоряющий резистор походит ток только обмотки регулятора, величина которого составляет доли ампера. Напряжение, приложенное к обмотке регулятора, почти равно напряжению генератора, так как падение напряжения в ускоряющем резисторе очень незначительно.

При размыкании контактов ток возбуждения генератора, который вследствие явления самоиндукции не может изменяться скачком, в первый момент сохраняет свою величину и направление. Ток возбуждения проходит по ускоряющему резистору, что приво­дит к резкому увеличению падения напряжения на нем и резкому уменьшению напряжения на обмотке регулятора. Скачкообразное уменьшение напряжения в ос­новной обмотке 00 регулятора в момент размыкания контактов резко уменьшает в ней ток, а следовательно, и силу притя­жения якоря регулятора к се­рдечнику. Благодаря этому кон­такты быстро замыкаются вновь. В результате частота колебаний якоря увеличива­ется до 150—250 Гц и, сле­довательно, уменьшается пуль­сация напряжения. При при­менении ускоряющих устройств возникает отрицательное явление, связанное с увеличением напряжения генератора при увеличении частоты вращения ротора. Возрастание напряжения с увеличением частоты вращения ротора предотвращается при помощи выравнивающих обмоток или выравнивающих резисторов.

Для стабилизации напряжения наибольшее распространение получили схемы с выравнивающими обмотками (рис. 21).

Выравнивающую обмотку ВО включают в цепь через контакты регулятора последовательно с обмоткой возбуждения ОВ генератора. Ее наматывают на сердечник таким образом, чтобы ее магнитный по­ток противодействовал магнитному потоку основной обмотки 00 ре­гулятора. Магнитный поток, создаваемый выравнивающей обмоткой, значительно меньше магнитного потока, создаваемого основной обмоткой регулятора.

При увеличении частоты вращения ротора в результате увеличе­ния времени разомкнутого состояния контактов уменьшается сила то­ка не только в основной, но и в выравнивающей обмотке. Поэ­тому уменьшение магнитного потока, создаваемого основной об­моткой, сопровождается таким же по величине уменьшением магнит­ного потока, создаваемого выравнивающей обмоткой, и результи­рующий магнитный поток почти не изменяется. В результате размыкание контактов регулятора происходит независимо от частоты вращения ротора при напряжении, установленном регулировкой.

Рабочая температура регулятора меняется в значительных преде­лах (от -50 до +125 °С). Сопротивление основной обмотки регулятора напряжения, выполняемой из меди, изменяется от тем­пературы (возрастает на 40% при нагреве обмотки на 100 °С). Поэ­тому при повышении температуры основной обмотки уменьшается ток в ней и, следовательно, магнитный поток. В результате регулятор начинает работать при напряжении, большем того, на которое он от­регулирован.

Температурная компенсация осуществляется следующим обра­зом.

Для уменьшения влияния температуры на работу вибрацион­ного регулятора последовательно основной обмотке регулятора, которую выполняют с меньшим сопротивлением, включают доба­вочный резистор из нихрома или константана. Сопротивление этих материалов практически не* меняется от температуры. В резуль­тате суммарное изменение сопротивления цепи основной обмотки регулятора от температуры в несколько раз уменьшится. Таким образом, возрастание регулируемого напряжения составит пример­но 10% при нагреве на 100 °С. В ряде регуляторов роль термокомпенсационного резистора выполняет ускоряющий резистор.

Для более полной термокомпенсации вместе с резистором применяют биметаллическую пластину, на которой подвешивают якорек регулятора. Биметаллическая пластина имеет два слоя. Материалы слоев обладают резко отличающимися коэффициентами теплового расширения.

Биметаллическую пластину приклепывают к якорьку и закреп­ляют на ярме регулятора. При этом слой материала с малым коэф­фициентом температурного расширения обращен к сердечнику. При повышении температуры пластина изгибается и создает усилие, направленное против усилия пружины, и таким образом способствует вступлению регулятора в работу при меньшем напря­жении. Таким образом и обеспечивается температурная компенсация.

Читайте также:  Расчет добавочного сопротивления двигателя постоянного тока

Для термокомпенсации применяют также магнитные шунты. Маг­нитный шунт МШ (см. рис. 26) представляет собой пластину из железоникелевого или иного термомагнитного сплава с магнитным сопротивлением, увеличивающимся при повышении температуры. Пластина закреплена в верхней части регулятора между сердечником и ярмом параллельно якорьку.

При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает. При низких температурах магнитное сопротивление шунта мало, и часть магнитного потока сердечника, минуя якорек, замыкается через магнитный шунт. Таким образом компенсируется изменение магнитного потока, возникающее в резуль­тате изменения сопротивления основной обмотки регулятора от температуры. Применение магнитного шунта исключает необходи­мость в термокомпенсационном резисторе и биметаллической пла­стине.

Недостатки вибрационных регуляторов состоят в следующем. Вибрирующие контакты и пружины являются основным недо­статком вибрационных регуляторов, затрудняющим их настройку и повышающим чувствительность к вибрации. В результате изменения характеристик пружин вибрационные устройства подвер­жены разрегулировкам.

Обычный вибрационный регулятор напряжения может приме­няться с генераторами, у которых сила тока возбуждения не более 1,5—1,8 А. При больших значениях силы тока значительно сокра­щается срок службы контактов.

Особенно сказываются недостатки вибрационных регуляторов при работе с генераторными установками переменного тока, у которых сила тока возбуждения значительно больше, чем у гене­раторов постоянного тока. Чтобы получить возможность использо­вать вибрационный регулятор с мощными генераторами, применя­ют следующие способы. Часто используют не один, а два регуля­тора напряжения. Для этого обмотку возбуждения генератора раз­деляют на две одинаковые по своим параметрам и параллельно включенные ветви. Сила тока каждой ветви регулируется своим регулятором. При этом сила тока, разрываемого контактами, уменьшается вдвое.

Для уменьшения силы тока разрыва применяют также двухсту­пенчатое регулирование напряжения. Двухступенчатый регулятор напряжения имеет две пары контактов и добавочный резистор с меньшим сопротивлением. Подробно работа двухступенчатого регу­лятора рассмотрена на конкретном примере. Недостатки вибрационных регуляторов вызвали в последние годы применение с мощными генераторами полупроводниковых регуляторов напряже­ния.

Полупроводниковые регуляторы напряжения. В полупроводнико­вых регуляторах сила тока возбуждения регулируется при помощи транзисторов, эмиттерноколлекторная цепь которого включена по­следовательно с обмоткой возбуждения генератора.

Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регу­лятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор переключается в закрытое состояние (разомкну­тые контакты). При понижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние (замкнутые кон­такты). В состоянии «открыт» сопротивление транзистора составляет доли ома, в состоянии «закрыт» — бесконечно большое значение. Полупроводниковые регуляторы напряжения могут выполняться контактно-транзисторными и бесконтактными.

Контактно-транзисторный регулятор (рис. 22) содержит в своей схеме вибрационное реле, управляющее транзистором Т.

Работает регулятор следующим образом. До момента достиже­ния генератором регулируемого значения напряжения Ur силы тока обмотки вибрационного реле недостаточно, чтобы контакты замкну­лись. При этом транзистор открыт, так как через него проте­кает ток базы по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер-база, резистор Rб, корпус генератора.

Через обмотку возбуждения ОВ в этом случае протекает полный ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает с возрастанием частоты вращения ротора. Полное отпирание тран­зистора осуществляется подбором сопротивления резистора Rб.

При достижении напряжением генератора регулируемого значе­ния ток в основной обмотке OO реле достигает значения, при котором реле срабатывает. При замкнутых контактах потенциалы базы и эмиттера становятся равными, так как контакты шунтиру­ют переход эмиттер — база. Вследствие этого ток базы становится равным нулю, что приводит к запиранию транзистора.

В результате запирания транзистора ток возбуждения, под­держиваемый э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, протекая через гасящий диод Дr, уменьшается. При этом уменьшается напряжение генератора Ur, контакты реле размыкаются, и тран­зистор открывается. Затем процесс повторяется.

Гасящий контур, выполняемый обычно в виде диода Дr, явля­ется обязательным элементом любого транзисторного регулятора. Если бы его не было, э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, возникающая в момент закрытого состояния транзистора и достига­ющая несколько сотен вольт, могла бы вызвать пробой коллектор­ного перехода и отказ транзистора в работе.

В контактно-транзисторном регуляторе напряжения через контакты протекает незначительный ток, благодаря чему увеличива­ется срок их службы. Однако надежность работы регулятора по-прежнему определяется усталостной прочностью и возможной разрегулировкой пружины. Указанный недостаток исключен в бес­контактных схемах регулирования напряжения.

Бесконтактный регулятор напряжения (рис. 23) содержит тран­зистор T1, который выполняет функции контактов в контактно транзисторном регуляторе. Управление транзистором T1 осуществля­ется резисторами R1, R2 и стабилитроном Д1.

При напряжении генератора меньше регулируемого значения напряжение на резисторе R1, включенном параллельно стабилитро­ну Д1, меньше значения, соответствующего пробою стабилитрона. Стабилитрон при этом не проводит ток. следовательно, ток базы транзистора T1 равен нулю. Транзистор T1 при этом закрыт, что соответствует разомкнутому состоянию контактов, а транзистор Т2 открыт.

При достижении генератором уровня напряжения, соответ­ствующего регулируемому значению, напряжение на резисторе R1 повышается до значения, при котором стабилитрон пробивается, т. е. его сопротивление в обратном направлении резко уменьша­ется. В результате возникает ток базы транзистора T1, проте­кающий по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер — база тран­зистора T1, стабилитрон Д1, резистор R2, «минус» генератора. Транзистор T1 при этом открывается, что соответствует замкнутому состоянию контактов, транзистор Т2 запирается, а ток возбуждения и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого напряже­ние на стабилитроне снижается ниже напряжения стабилизации, и он запирается, прерывая ток базы транзистора T1. Транзистор T1 запи­рается, а транзистор Т2 переключается в открытое состояние и т. д. Соотношение сопротивлений резисторов R1 и R2 определяет уровень регулируемого напряжения.

Схемы бесконтактных регуляторов, применяемых на практике, имеют ряд дополнительных элементов, улучшающих рабочие ха­рактеристики. Назначение дополнительных элементов рассмотрено на примерах схем конкретных регуляторов.

Источник

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Принцип действия генератора постоянного тока

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e1 = Blvsinw t; e2 = -Blvsinw t; , где B магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t время, w t – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinw t, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

График тока, выработанного примитивным генератором

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Ротор генератора

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

  • устройства с параллельным возбуждением;
  • альтернаторы с последовательным возбуждением;
  • устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Читайте также:  Что такое среднее значение выпрямительного тока

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

  • зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
  • характеристики внешних параметров;
  • регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Внешняя характеристика ГПТ

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Регулирование — напряжение — генератор — постоянный ток

Регулирование напряжения генераторов постоянного тока осуществляется с помощью электромагнитных вибра-ционных реле. Обычно три электромагнитных реле, осуществляющих соответственно регулирование напряжения, ограничение максимальной силы тока и отключение батареи от генератора при неработающем генераторе, объединяют в один блок, называемый реле-регулятором. [1]

Предназначены ддя регулирования напряжения генераторов постоянного тока к оборотов двигателей постоянного тока путем жзмененйя сопротивления в цепях обмоток возбуждения машин. [2]

Рассмотрим систему регулирования напряжения генератора постоянного тока , состоящую только из основных элементов, и на этом примере выясним особенности одноконтурных систем, распространив затем эти выводы на любые одноконтурные системы. [3]

Регуляторы возбуждения предназначены для регулирования напряжения генераторов постоянного тока и возбудителей машин переменного тока, а также для регулирования скорости вращения ( выше номинальной) электродвигателей постоянного тока. [5]

На рис. 35 показана схема регулирования напряжения генератора постоянного тока с помощью трехступенчатого ЭМУ продольного поля с обмоткой самовозбуждения. Генератор Г приводится во вращение дизельным двигателем ДД, генератор питает двигатель Д, связанный с рабочим механизмом. [7]

Электронный регулятор Севзапэлектромонтаж, построенный по компенсационному принципу, предназначается для регулирования напряжения генератора постоянного тока и скорости вращения шунтового электродвигателя. [9]

Выясним, как связана неточность регулирования со статизмом системы на примере регулирования напряжения генератора постоянного тока . На рис. 47 представлена характеристика зависимости напряжения генератора от тока нагрузки при автоматическом регулировании напряжения статическим регулятором. [11]

Основное преимущество угольных регуляторов напряжения состоит в том, что они допускают регулирование напряжения генераторов постоянного тока большой мощности , величина тока возбуждения которых достигает 15 а и более. [12]

Составить схему набора и рассчитать переходный процесс на модели МН-7 в системе регулирования напряжения генератора постоянного тока , принципиальная и структурная схемы которой приведены соответственно на рис. 7 — 22 и 7 — 23 при скачкообразном изменении напряжения сети переменного тока ( 1 в), от которой через выпрямительный мост питается обмотка возбуждения генератора. В системе регулирования электромашинный усилитель используется как вольтодобавочная машина. Бареттер Б, стоящий в цепи одной из обмоток управления электромашинного усилителя, является нелинейным сопротивлением, инерционностью которого можно пренебречь. Обмотки управления электромашинного усилителя У и У2 имеют одинаковые числа витков и сопротивления. Генератор работает на холостом ходу. [13]

Составить схему набора и рассчитать переходный процесс на модели МН-7 в системе регулирования напряжения генератора постоянного тока , принципиальная и структурная схемы которой приведены соответственно на рис. 11 — 23 и 11 — 24 при скачкообразном изменении напряжения сети переменного тока ( 1 в), от которой через выпрямительный мост питается обмотка возбуждения генератора. В системе регулирования электромашинный усилитель используется как вольтодобавочная машина. Бареттер Б, стоящий в цепи одной из обмоток управления электромашинного усилителя является нелинейным сопротивлением, инерционностью которого можно пренебречь. [14]

Однако часто встречаются нелинейные САР, в которых сам регулирующий орган работает в релейном режиме. Типичным примером двухпозиционного релейного регулирования с релейным режимом работы регулирующего органа является вибрационное регулирование напряжения генератора постоянного тока . [15]

Источник