Circuite electrice de curent continuu și caracteristicile acestora

Proprietăți generator de curent continuu sunt determinate în principal de modul în care este pornită bobina de excitație. Există generatoare de excitație independente, paralele, în serie și mixte:

• excitat independent: bobina de câmp este alimentată de o sursă externă de curent continuu (o baterie, un mic generator auxiliar numit excitator sau redresor),

• excitație paralelă: înfășurarea câmpului este conectată în paralel cu înfășurarea armăturii și sarcina,

• excitație în serie: înfășurarea câmpului este conectată în serie cu înfășurarea armăturii și sarcina,

• cu excitație mixtă: există două înfășurări de câmp - paralel și serie, prima este conectată în paralel cu înfășurarea armăturii, iar a doua este conectată în serie cu aceasta și sarcina.

Generatoarele paralele, în serie și cu excitație mixtă sunt mașini auto-excitate, deoarece înfășurările lor de câmp sunt alimentate de generatorul însuși.

Excitarea generatoarelor de curent continuu: a — independent, b — paralel, c — serie, d — mixt.

Toate generatoarele enumerate au același dispozitiv și diferă doar prin construcția bobinelor de excitație. Bobinele de excitație independentă și paralelă sunt realizate din sârmă cu o secțiune transversală mică, au un număr mare de spire, bobina de excitare în serie este realizată din sârmă cu o secțiune transversală mare, există un număr mic de spire.

Proprietățile generatoarelor de curent continuu sunt evaluate după caracteristicile lor: inactiv, extern și control. Mai jos ne vom uita la aceste caracteristici pentru diferite tipuri de generatoare.

Generator excitat independent

O trăsătură caracteristică a unui generator cu excitație independentă (Fig. 1) este că curentul său de excitație Iv nu depinde de curentul de armătură Ii, ci este determinat doar de tensiunea Uv furnizată bobinei de excitație și de rezistența Rv a circuitului de excitație. .

Orez. 1. Schema schematică a unui generator excitat independent

De obicei, curentul de câmp este scăzut și se ridică la 2-5% din curentul nominal al armăturii. Pentru a regla tensiunea generatorului, un reostat pentru reglarea Rpv este adesea inclus în circuitul înfășurării de excitație. La locomotive, curentul Iv este reglat prin modificarea tensiunii Uv.

Caracteristica inactiv a generatorului (Fig. 2, a) — dependența tensiunii Uo la ralanti de curentul de excitație Ib în absența sarcinii Rn, adică la In = Iya = 0 și la o viteză de rotație constantă n. La gol, când circuitul de sarcină este deschis, tensiunea generatorului Uo este egală cu e. etc. v. Eo = cEFn.

Deoarece la eliminarea caracteristicii de ralanti, viteza n este menținută neschimbată, atunci tensiunea Uo depinde numai de fluxul magnetic F.Prin urmare, caracteristica de repaus va fi similară cu dependența fluxului F de curentul de excitație Ia (caracteristica magnetică a circuitului magnetic al generatorului).

Caracteristica fără sarcină poate fi eliminată cu ușurință experimental prin creșterea treptată a curentului de excitație de la zero la valoarea unde U0 = 1,25Unom și apoi scăderea curentului de excitație la zero. În acest caz, se obțin ramuri crescătoare 1 și descrescătoare 2 ale caracteristicii. Divergența acestor ramuri se datorează prezenței histerezii în circuitul magnetic al mașinii. Când Iw = 0 în înfășurarea armăturii, fluxul de magnetism remanent induce un d remanent etc. cu Eost, care este de obicei 2-4% din tensiunea nominală Unom.

La curenți de excitație mici, fluxul magnetic al mașinii este mic, prin urmare în această regiune fluxul și tensiunea Uo se modifică direct proporțional cu curentul de excitație, iar partea inițială a acestei caracteristici este o linie dreaptă. Pe măsură ce curentul de excitație crește, circuitul magnetic al generatorului se saturează și creșterea tensiunii Uo încetinește. Cu cât curentul de excitație este mai mare, cu atât saturația circuitului magnetic al mașinii este mai puternică și tensiunea U0 crește mai încet. La curenți de excitație foarte mari, tensiunea Uo practic încetează să crească.

Caracteristica fără sarcină vă permite să estimați valoarea tensiunii posibile și a proprietăților magnetice ale mașinii. Tensiunea nominală (indicată în pașaport) pentru mașinile de uz general corespunde părții saturate a caracteristicii („genunchiul” acestei curbe).În generatoarele de locomotivă care necesită o reglare largă a tensiunii, sunt utilizate atât porțiuni nesaturate curbilinii, cât și drepte ale caracteristicii.

D. d. C. mașina se modifică proporțional cu viteza n, prin urmare, pentru n2 < n1, caracteristica de ralanti se află sub curba pentru n1. Când sensul de rotație al generatorului se schimbă, direcția lui e se schimbă. etc. c. Este indusă în înfăşurarea armăturii, şi de aici polaritatea periilor.

O caracteristică externă a generatorului (Fig. 2, b) este dependența tensiunii U de curentul de sarcină In = Ia la viteză constantă n și curentul de excitație Iv. Tensiunea generatorului U este întotdeauna mai mică decât e. etc. c. E prin valoarea căderii de tensiune în toate înfăşurările conectate în serie în circuitul armăturii.

Pe măsură ce sarcina generatorului crește (curent de înfășurare a armăturii IАЗ САМ — азЗ), tensiunea generatorului scade din două motive:

1) din cauza creșterii căderii de tensiune în circuitul de înfășurare a armăturii,

2) datorită scăderii e. etc. ca urmare a acţiunii demagnetizatoare a fluxului de armătură. Fluxul magnetic al armăturii slăbește oarecum fluxul magnetic principal Ф al generatorului, ceea ce duce la o scădere ușoară a ei. etc. v. E la încărcare împotriva e. etc. cu Eo la ralanti.

Modificarea tensiunii în timpul trecerii de la modul inactiv la sarcina nominală în generatorul considerat este de 3 - 8℅ din valoarea nominală.

Dacă închideți circuitul extern la o rezistență foarte scăzută, adică scurtcircuitați generatorul, atunci tensiunea acestuia scade la zero.Curentul din înfășurarea armăturii Ik în timpul unui scurtcircuit va atinge o valoare inacceptabilă la care înfășurarea armăturii se poate arde. La mașinile de putere mică, curentul de scurtcircuit poate fi de 10-15 ori mai mare decât curentul nominal, la mașinile de mare putere, acest raport poate ajunge la 20-25.

Orez. 2. Caracteristicile unui generator cu excitație independentă: a — inactiv, b — extern, c — reglator

Caracteristica de reglare a generatorului (Fig. 2, c) este dependența curentului de excitație Iv de curentul de sarcină In la tensiune constantă U și frecvența de rotație n. Acesta arată cum să reglați curentul de excitație pentru a menține constantă tensiunea generatorului pe măsură ce sarcina se modifică. Evident, în acest caz, pe măsură ce sarcina crește, este necesară creșterea curentului de excitație.

Avantajele unui generator excitat independent sunt capacitatea de a regla tensiunea pe o gamă largă de la 0 la Umax prin modificarea curentului de excitație și o mică modificare a tensiunii generatorului sub sarcină. Cu toate acestea, necesită o sursă externă de curent continuu pentru a alimenta bobina de câmp.

Generator cu excitație paralelă.

În acest generator (Fig. 3, a) curentul înfășurării armăturii Iya se ramifică în circuitul de sarcină extern RH (curent In) și în înfășurarea de excitație (curent Iv), curentul Iv pentru mașinile de putere medie și mare este de 2-5. % din valoarea nominală a curentului în înfășurarea armăturii Mașina folosește principiul autoexcitației, în care înfășurarea de excitație este alimentată direct din înfășurarea armăturii generatorului. Cu toate acestea, autoexcitarea generatorului este posibilă numai dacă sunt îndeplinite un număr de condiții.

1.Pentru a începe procesul de autoexcitare al generatorului, este necesar să existe un flux rezidual de magnetism în circuitul magnetic al mașinii, care induce e în înfășurarea armăturii. etc. satul Eost. Aceasta e. etc. v. asigură un flux prin circuitul „înfăşurare de armătură - înfăşurare de excitaţie” a unui curent de pornire.

2. Fluxul magnetic creat de bobina de câmp trebuie direcționat în conformitate cu fluxul magnetic al magnetismului rezidual. În acest caz, în procesul de autoexcitare, curentul de excitație Iv și deci fluxul magnetic Ф al mașinii e va crește. etc. v. E. Aceasta va continua până când, din cauza saturației circuitului magnetic al mașinii, creșterea în continuare a F și, prin urmare, E și Ib se oprește. Coincidența în direcția fluxurilor indicate este asigurată de conectarea corectă a înfășurării de excitație la înfășurarea armăturii. Dacă este conectat incorect, mașina se demagnetizează (magnetismul rezidual dispare) și e. etc. c. E scade la zero.

3. Rezistența circuitului de excitație RB trebuie să fie mai mică decât o anumită valoare limită numită rezistență critică. Prin urmare, pentru cea mai rapidă excitare a generatorului, se recomandă, atunci când generatorul este pornit, să ieșiți complet reostatul de reglare Rpv conectat în serie cu bobina de excitare (vezi Fig. 3, a). Această condiție limitează, de asemenea, domeniul posibil de reglare a curentului de câmp și, prin urmare, tensiunea generatorului excitat în paralel. De obicei, este posibil să se reducă tensiunea generatorului prin creșterea rezistenței circuitului înfășurării de câmp numai la (0,64-0,7) Unom.

Orez. 3.Schema schematică a unui generator cu excitație paralelă (a) și caracteristicile externe ale generatoarelor cu excitație independentă și paralelă (b)

Trebuie remarcat faptul că autoexcitarea generatorului necesită procesul de creștere a e. etc. cu E și curentul de excitație Ib a apărut când mașina era la ralanti. În caz contrar, din cauza valorii scăzute a lui Eost și a căderii mari de tensiune internă în circuitul înfășurării armăturii, tensiunea aplicată înfășurării de excitație poate scădea până la aproape zero și curentul de excitație nu poate crește. Prin urmare, sarcina trebuie conectată la generator numai după ce tensiunea la bornele acestuia este aproape de cea nominală.

Când se schimbă sensul de rotație al armăturii, se modifică polaritatea periilor și deci direcția curentului în înfășurarea câmpului, în acest caz generatorul este demagnetizat.

Pentru a evita acest lucru, la schimbarea sensului de rotație, este necesar să comutați firele care conectează bobina de câmp la bobina armăturii.

Caracteristica externă a generatorului (curba 1 în Fig. 3, b) reprezintă dependența tensiunii U de curentul de sarcină In la valori constante ale vitezei n și rezistenței circuitului de acționare RB. Se află sub caracteristica externă a generatorului excitat independent (curba 2).

Acest lucru se explică prin faptul că, pe lângă aceleași două motive care determină scăderea tensiunii odată cu creșterea sarcinii într-un generator excitat independent (căderea de tensiune în circuitul armăturii și efectul de demagnetizare al reacției armăturii), există un al treilea motiv în considerat generator — reducerea curentului de excitaţie.

Deoarece curentul de excitație IB = U / Rv, adică depinde de tensiunea U a mașinii, atunci cu o scădere a tensiunii, din aceste două motive, fluxul magnetic F și e scade. etc. v. generator E, care duce la o scădere suplimentară a tensiunii. Curentul maxim Icr corespunzător punctului a se numește critic.

Când înfășurarea armăturii este scurtcircuitată, curentul Ic al generatorului excitat în paralel este mic (punctul b), deoarece în acest mod tensiunea și curentul de excitație sunt zero. Prin urmare, curentul de scurtcircuit este creat doar de e. etc. din magnetismul rezidual și este (0,4 ... 0,8) Inom .. Caracteristica exterioară se împarte din punctul a în două părți: superioară — de lucru și inferioară — nefuncțională.

De obicei, nu se folosește întreaga parte de lucru, ci doar un anumit segment al acesteia. Funcționarea secțiunii ab a caracteristicii exterioare este instabilă, în acest caz mașina intră în modul corespunzător punctului b, adică. în regim de scurtcircuit.

Caracteristica fără sarcină a generatorului cu excitație paralelă este luată cu excitație independentă (când curentul în armătură Iya = 0), prin urmare nu diferă în niciun fel de caracteristica corespunzătoare pentru generatorul cu excitație independentă (vezi Fig. 2, a). Caracteristica de control a generatorului cu excitație paralelă are aceeași formă ca și caracteristica generatorului cu excitație independentă (vezi Fig. 2, c).

Generatoarele cu excitație paralelă sunt utilizate pentru alimentarea consumatorilor de energie electrică din mașini de pasageri, automobile și avioane, cum ar fi generatoarele pentru conducerea locomotivelor electrice, locomotivelor diesel și vagoanelor și pentru încărcarea bateriilor de stocare.

Generator de excitație în serie

În acest generator (Fig.4, a) curentul de excitație Iw este egal cu curentul de sarcină In = Ia, iar tensiunea variază semnificativ atunci când curentul de sarcină se modifică. La ralanti, în generator este indusă o mică emisie. etc. v. Eri, creat de fluxul de magnetism rezidual (Fig. 4, b).

Pe măsură ce curentul de sarcină crește Ii = Iv = Iya, fluxul magnetic crește, de ex. etc. p. și tensiunea generatorului, această creștere, ca și la alte mașini autoexcitate (generator excitat paralel), continuă până la o anumită limită datorită saturației magnetice a mașinii.

Pe măsură ce curentul de sarcină crește peste Icr, tensiunea generatorului începe să scadă, deoarece fluxul magnetic de excitație datorat saturației aproape încetează să crească, iar efectul de demagnetizare al reacției armăturii și căderea de tensiune în circuitul de înfășurare a armăturii IяΣRя continuă să crească . De obicei, curentul Icr este mult mai mare decât curentul nominal. Generatorul poate funcționa stabil doar pe partea ab a caracteristicii externe, adică. la curenți de sarcină mai mari decât cei nominali.

Deoarece la generatoarele excitate în serie, tensiunea variază foarte mult cu modificările sarcinii și este aproape de zero în timpul funcționării fără sarcină, acestea nu sunt potrivite pentru alimentarea majorității consumatorilor electrici. Ele sunt utilizate numai cu frânarea electrică (reostatică) a motoarelor cu excitație în serie, care sunt apoi transferate în modul generator.

Orez. 4. Schema schematică a unui generator de excitație în serie (a) și caracteristica sa externă (b)

Generator mixt de excitație.

În acest generator (Fig. 5, a), cel mai adesea bobina de excitație paralelă este cea principală, iar cea în serie este cea auxiliară.Ambele bobine sunt de aceeași polaritate și sunt conectate astfel încât fluxurile magnetice produse de acestea să adauge (comutație concordantă) sau să scadă (comutație opusă).

Un generator cu excitație mixtă, atunci când înfășurările sale de câmp sunt conectate în acord, permite obținerea unei tensiuni aproximativ constantă pe măsură ce sarcina se modifică. Caracteristica externă a generatorului (Fig. 5, b) poate fi reprezentată în prima aproximare ca o sumă de caracteristici create de fiecare bobină de excitație.

Orez. 5. Schema schematică a unui generator cu excitație mixtă (a) și caracteristicile sale externe (b)

Când este pornită o singură înfășurare paralelă, prin care trece curentul de excitație Iв1, tensiunea generatorului U scade treptat odată cu creșterea curentului de sarcină In (curba 1). Când este pornită o înfășurare în serie, prin care curentul de excitație Iw2 = In , tensiunea U creste cu cresterea curentului In (curba 2).

Dacă alegem numărul de spire ale înfășurării în serie astfel încât la sarcina nominală, tensiunea creată de aceasta ΔUPOSOL să compenseze căderea totală de tensiune ΔU, atunci când mașina funcționează cu o singură înfășurare paralelă, atunci este posibil să se realizeze ca tensiunea U rămâne aproape neschimbată, când curentul de sarcină trece de la zero la valoarea nominală (curba 3). În practică, variază între 2-3%.

Prin creșterea numărului de spire ale înfășurării în serie, este posibil să se obțină o caracteristică în care tensiunea UHOM va avea mai multă tensiune Uo la ralanti (curba 4), această caracteristică asigură compensarea căderii de tensiune nu numai în rezistența internă a circuitul de armătură al generatorului, dar și în linia care îl conectează la sarcină. Dacă înfășurarea în serie este pornită astfel încât fluxul magnetic creat de aceasta să fie îndreptat împotriva fluxului înfășurării paralele (contra comutație), atunci caracteristica externă a generatorului cu un număr mare de spire a înfășurării în serie va scădea brusc. (curba 5).

Conectarea inversă a înfășurărilor de câmp în serie și paralelă este utilizată la generatoarele de sudare care funcționează în condiții de scurtcircuite frecvente. În astfel de generatoare, în cazul unui scurtcircuit, înfășurarea în serie demagnetizează aproape complet mașina și reduce curentul de scurtcircuit. la o valoare sigură pentru generator.

Generatoarele cu infasurari de camp cu legaturi opuse sunt folosite pe unele locomotive diesel ca excitatoare ale generatoarelor de tractiune, acestea asigurand constanta puterii furnizate de generator.

Astfel de agenți patogeni sunt utilizați și pe locomotivele electrice cu curent continuu. Acestea alimentează înfășurările de câmp ale motoarelor de tracțiune care funcționează în modul regenerativ în timpul frânării regenerative și oferă caracteristici externe de scădere abruptă.

Excitația mixtă a generatorului este un exemplu tipic de reglare a perturbațiilor.

Generatoarele de curent continuu sunt adesea conectate în paralel pentru a funcționa într-o rețea comună.O condiție prealabilă pentru funcționarea în paralel a generatoarelor cu distribuție a sarcinii proporțională cu puterea nominală este identitatea caracteristicilor externe ale acestora. Când se utilizează generatoare cu excitație mixtă, înfășurările lor în serie pentru curenți de egalizare trebuie conectate într-un bloc comun printr-un fir de egalizare.