Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Генераторы постоянного тока

Генератором постоянного тока называют вращающуюся электрическую машину, которая превращает механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока. Неподвижная часть машины постоянного тока - статор (индуктор), вращающаяся часть - ротор (якорь).

Статор состоит из станины, на внутренней поверхности которой крепятся главные и дополнительные полюса с обмотками. Главные полюса служат для создания в машине основного магнитного потока, а дополнительные - для улучшения условий коммутации машины.

Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Конце вала закреплены в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах. Для лучшего охлаждения в большинстве машин есть вентилятор.

Коллектор машины выполняют из пластин холоднокатаной меди (коллекторная медь), которые изолируют друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Для получения электрического контакта с поверхностью коллектора в машине постоянного тока является щетки. Для установления щеток в машине служит щеточный устройство. Кроме указанных частей машина имеет два подшипниковых щиты: передний (со стороны коллектора) и задний.

Для присоединения обмоток машины к электрической сети машина обеспечивается коробкой выводов, где изоляционной панели крепятся выводы концов обмоток. Лк правило панель с выводами располагают на станине.

Для понимания принципа работы коллекторной машины постоянного тока целесообразно рассмотреть работу простейшей модели машины переменного тока. Эта модель состоит из двух неподвижных в пространстве полюсов, между которыми вращается рамка, концы которой соединены с контактными кольцами, рис. 5.26.

В приведенной модели, при вращении рамки, в проводниках ab и cd индуцируется ЭДС, направление которой (для данного момента времени) определяется по правилу правой руки. Из рис. 5.26 видно, что для рассматриваемого состояния, если считать, что модель работает генератором, щетка А имеет полярность "+", а щетка В имеет полярность "-", так как в генераторе ток течет от "+" во внешнем круге в "-" . Если вернуть рамку на 180 °, видно, что полярность щеток изменится на противоположную. Таким образом, в этой модели снимается с щеток переменная во времени ЭДС. Устанавливая закон изменения ЭДС во времени, учитываем, что мгновенное значение ЭДС проводников определяется как:

Принципиальная схема машины переменного тока

Рисунок 5.26 - Принципиальная схема машины переменного тока

(5.45)

где - индукция в месте расположения проводника в данный момент времени; - Длина активной части проводника; v- линейная скорость перемещения проводника относительно поля.

Если учесть, что длина проводника , то при равномерном вращении рамки v = const ЭДС проводника . Таким образом, изменение ЭДС проводников во времени и, соответственно, изменение ЭДС на выходе генератора происходит по тому же закону, что и распределение индукции вдоль круга движения рамки на каждом полюсном разделения. Если принять, что магнитная индукция во времени изменяется по синусоидальному закону, то и ЭДС будет также изменяться по синусоидальному закону (рис. 5.27). На практике, магнитное круг машины всегда немного насыщенный, поэтому закон изменения индукции и ЭДС не соответствуют синусоидальному закону.

Изменим конструкцию модели (см. Рис. 5.26) следующим образом - заменим кольца двумя сегментами, рис. 5.28.

При вращении рамки, в проводниках ab и cd, как и в предыдущей модели (рис. 5.26), индуцируется переменная во времени ЭДС. Однако, в этой модели при любом положении рамки, щетка "А" всегда соединена с тем

Изменение Индукция и ЭДС витка в воздушном промежутке

Рисунок 5.27 - Изменение Индукция и ЭДС витка в воздушном промежутке

Принципиальная схема машины постоянного тока

Рисунок 5.28 - Принципиальная схема машины постоянного тока

проводом, который расположен под полюсом " S ", а щетка " В " - под полюсом " N ".

Таким образом, в новой модели полярность щеток не меняется, то есть при указанном на рис. 5.29 направлении вращения рамки, щетка "А" является положительной, а щетка " B " отрицательной. С помощью двух сегментов, представляющих самый коммутатор, осуществляется выпрямления переменного во времени ЭДС в постоянную. Поэтому с щеток " A " и " В " снимается ЭДС, пульсирует во времени по закону (рис. 5.29, а). Если мы наложим на якорь два витка (две катушки) под углом 90 ° друг к другу, то пульсации напряжения на щетках значительно уменьшатся (рис. 5.29, б). Подсчет показывает, что уже при восьми коллекторных пластинах на полюс пульсации напряжения на щетках не превышают 1% от среднего значения этого напряжения; поэтому ток течет по внешнему кругу, можно считать практически постоянным током.

Пульсирующая ЭДС при одном (а) и двух (б) витках на якоре

Рисунок 5.29 - пульсирующая ЭДС при одном (а) и двух (б) витках на якоре

В общем случае генераторы постоянного тока по способу возбуждения разделяют на генераторы с возбуждением от постоянных магнитов и генераторы с электромагнитным возбуждением. В настоящее время основной метод возбуждения генераторов постоянного тока - это возбуждение электромагнитным путем. Эти генераторы делят на

- Генераторы независимого возбуждения;

- Генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения - рис. 5.30. На рисунке обозначены:,-- цепь обмотки якоря; - Цепь обмотки возбуждения; U - напряжение в цепи якоря; 1 - ток нагрузки; - Ток якоря; - Напряжение на обмотке возбуждения; - Ток возбуждения.

В генераторах независимого возбуждения обмотка возбуждения подключена к независимому источнику постоянного тока. Ток возбуждения зависит только от напряжения на зажимах цепи возбуждения и сопротивления круга. Мощность теряется на возбуждение, как правило, не превышает 2-3% от мощности генератора. Независимое возбуждение достаточно распространенное и применяется в машинах низкого напряжения (4 ... 12 В), высокого напряжения (свыше 500 В), в машинах большой мощности и в тех случаях, когда нужно широкое регулирования напряжения. Согласно схеме, в общем случае и /

Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся на машины с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), рис. 5.31. На рисунке обозначены; - Цепь обмотки возбуждения. Согласно схеме,/

В генераторах параллельного возбуждения обмотка возбуждения подключена к зажимам обмотки якоря. Из схемы видно, что ток возбуждения зависит от напряжения на зажимах якоря и ток якоря

Принципиальная схема генератора независимого возбуждения

Рисунок 5.30 - Принципиальная схема генератора независимого возбуждения

равна сумме тока нагрузки 1 и тока возбуждения . Генераторы параллельного возбуждения не требуют отдельного источника тока для возбуждения и дают в пределах нормальной нагрузки достаточно устойчивую напряжение.

Генераторы последовательного возбуждения (серия сне), рис. 5.32. На рисунке обозначены:- цепь обмотки возбуждения. Согласно схеме. Из схемы видно, что ток возбужденияравен току якоря, то есть полностью зависит от нагрузки генератора. Это обстоятельство негативно влияет на рабочие характеристики генератора, так как его напряжение меняется в зависимости от тока нагрузки 1 , тогда как нужно, чтобы она оставалась более или менее постоянной. На практике такой вид возбуждения почти не применяется.

Принципиальная схема генератора параллельного

Рисунок 5.31 - Принципиальная схема генератора параллельного

Принципиальная схема генератора последовательного возбуждения

Рисунок 5.32 - Принципиальная схема генератора последовательного возбуждения

Генераторы смешанного возбуждения (компаундни), рис. 5.33. Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения параллельную () и последовательную (). Как правило, главным является параллельная обмотка, а последовательная играет роль дополнительной обмотки.

Независимо от способа возбуждения для генераторов постоянного тока справедливы следующие основные уравнения:

1. Уравнение напряжений круга якоря:

(5.46)

где U - выходное напряжение генератора;

- ЭДС обмотки якоря, - постоянная машины; р - число пар полюсов; N - число проводников обмотки якоря; а - число параллельных ветвей обмотки якоря; - Падение напряжения в цепи обмотки якоря и в обмотках, включенных последовательно с обмоткой якоря (обмотка дополнительных полюсов, компенсационная обмотка) - Ток якоря; - Активное сопротивление цепи обмотки якоря.

Из приведенного уравнения следует, что выходное напряжение генератора зависит от нагрузки, а также от частоты вращения машины n . Величину этого напряжения можно регулировать, прежде всего, изменением магнитного потока Ф на каждом полюсном деления, практически сводится к регулированию тока возбуждения.

2. Электромагнитный момент генератора определяется как:

(5.47)

где - постоянная машины.

Электромагнитный момент генератора является тормозным и в постоянном

Принципиальная схема генератора смешанного возбуждения

Рисунок 5.33 - Принципиальная схема генератора смешанного возбуждения

режиме уравновешивается крутящим моментом приводного двигателя:

(5.48)

где - крутящий момент приводного двигателя; - Электромагнитный момент генератора; - Момент холостого хода генератора соответствует механическим потерям генератора и потери в стали его якоря.

К рабочим характеристикам, описывающих генераторы в установившемся режиме работы под нагрузкой, относятся:

1. Нагрузочная характеристика при,. В частном случае при, зависимость- является характеристикой холостого хода генератора.

2. Внешняя характеристика при

( ), .

3. Регулирующая характеристика при , . В частном случае при зависимость - является характеристикой короткого замыкания генератора.

В генераторов параллельного, последовательного и смешанного возбуждения выходное напряжение образуется в процессе самовозбуждения. Процесс самовозбуждения основан на том, что в машине практически всегда существует небольшой - до 1-3% от нормального - поток остаточного намагничивания . Если мы приведем якорь во вращение с любой, например номинальной, частотой вращения, то под действием этого потока в обмотке якоря возникает небольшая ЭДС и по кругу возбуждения потечет небольшой ток, что создаст дополнительный поток намагничивания В зависимости от направления тока в обмотке возбуждения поток может быть направлен встречно относительно потока или согласовано с ним. Генератор может самовозбуждаться только при согласованном направлении обоих потоков, то есть, процесс самовозбуждения генератора может идти только в одну сторону, обусловлен направлением потока .

При согласованном направлении потоков результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению ЭДС в якоре и вызывает дальнейшее увеличение тока возбуждения и потока машины.

Таким образом, чтобы возник процесс самовозбуждения необходимы следующие условия:

1. В магнитной цепи генератора должен существовать поток остаточного намагничивания.

2. Обмотка возбуждения должна быть включена так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен согласован с потоком остаточного намагничивания.

3. Сопротивление цепи возбуждения должен быть меньше некоторого критического значения .

Необходимость выполнения последнего условия рассмотрим на примере генератора параллельного возбуждения, работающего в режиме холостого хода (рис. 5.34).

Когда генератор приводится во вращение, начинается процесс самовозбуждения. В этом переходном процессе для цепи возбуждения справедливо следующее уравнение напряжений:

(5.49)

где - мгновенное значение напряжения возбуждения; - Мгновенное значение тока возбуждения; - Сопротивление цепи возбуждения; - Активное сопротивление обмотки возбуждения; - Сопротивление регулировочного реостата в цепи возбуждения; - Индуктивность обмотки возбуждения.

Схема генератора параллельного возбуждения

Рисунок 5.34 - Схема генератора параллельного возбуждения

Когда процесс самовозбуждения закончится, то в установившемся режиме: , - установившееся значение напряжения и тока в цепи возбуждения.

Учитывая то, что для генератора параллельного возбуждения , установившееся значение напряжения и тока в цепи возбуждения можно определить по точке пересечения характеристик и .

Чтобы определить, в какой степени идет процесс самовозбуждения, предположим, что круг якоря разомкнуто, то есть , и сопротивление цепи возбуждения, обусловлен суммой ( ) остается постоянным. Предположим, что генератор возбудился до напряжения , что соответствует на характеристике холостого хода точке А (рис. 5.35). Но будет и напряжением цепи возбуждения , то есть

Согласно условию имеем:

то есть сопротивление цепи возбуждения определяется тангенсом угла, образованного осью абсцисс с прямой, проходящей через начало координат и точку напряжения, к которой машина возбудилась на холостом ходу.

Сопротивление цепи возбуждения, при котором машина уже не самовозбуждается, называют критическим сопротивлением. Так же происходит самозбу-

Самовозбуждения генератора параллельного возбуждения

Рисунок 5.35 - Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

ния и генераторов смешанного возбуждения, так как в них главным является параллельная обмотка возбуждения. При самовозбуждении генератора последовательного возбуждения внешний круг должно быть обязательно замкнутый, так как в противном случае нагрузочный ток, а стало быть, и ток возбуждения будут равны нулю.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее