Elektrische circuits van gelijkstroom en hun kenmerken

Eigenschappen DC-generator worden voornamelijk bepaald door de manier waarop de bekrachtigingsspoel wordt ingeschakeld. Er zijn onafhankelijke, parallelle, serie- en gemengde excitatiegeneratoren:

• onafhankelijk opgewonden: de veldspoel wordt gevoed door een externe gelijkstroombron (een batterij, een kleine hulpgenerator die een exciter of gelijkrichter wordt genoemd),

• parallelle excitatie: de veldwikkeling is parallel verbonden met de ankerwikkeling en de belasting,

• serie-excitatie: de veldwikkeling is in serie geschakeld met de ankerwikkeling en de belasting,

• met gemengde excitatie: er zijn twee veldwikkelingen - parallel en in serie, de eerste is parallel verbonden met de ankerwikkeling en de tweede is in serie daarmee verbonden en de belasting.

Parallelle, serie- en gemengde excitatiegeneratoren zijn zelfopgewekte machines omdat hun veldwikkelingen worden bekrachtigd door de generator zelf.

Excitatie van DC-generatoren: a - onafhankelijk, b - parallel, c - serie, d - gemengd.

Alle vermelde generatoren hebben hetzelfde apparaat en verschillen alleen in de constructie van de excitatiespoelen. De spoelen van onafhankelijke en parallelle excitatie zijn gemaakt van draad met een kleine doorsnede, ze hebben een groot aantal windingen, de spoel van serie-excitatie is gemaakt van draad met een grote doorsnede, er is een klein aantal windingen.

De eigenschappen van DC-generatoren worden beoordeeld aan de hand van hun kenmerken: inactief, extern en gecontroleerd. Hieronder zullen we deze kenmerken bekijken voor verschillende soorten generatoren.

Onafhankelijk opgewekte generator

Een karakteristiek kenmerk van een generator met onafhankelijke excitatie (Fig. 1) is dat de excitatiestroom Iv niet afhangt van de ankerstroom Ii, maar alleen wordt bepaald door de spanning Uv die wordt geleverd aan de excitatiespoel en de weerstand Rv van het excitatiecircuit .

Rijst. 1. Schematisch diagram van een onafhankelijk aangeslagen generator

Meestal is de veldstroom laag en bedraagt ​​deze 2-5% van de nominale ankerstroom. Om de spanning van de generator te regelen, wordt vaak een reostaat voor regeling Rpv opgenomen in het circuit van de bekrachtigingswikkeling. Bij locomotieven wordt de stroom Iv geregeld door de spanning Uv te veranderen.

Inactieve karakteristiek van de generator (Fig. 2, a) — de afhankelijkheid van de spanning Uo bij inactiviteit van de excitatiestroom Ib bij afwezigheid van belasting Rn, dat wil zeggen bij In = Iya = 0 en bij een constant toerental n. Bij nullast, wanneer het belastingscircuit open is, is de generatorspanning Uo gelijk aan e. enz. v.Eo = cEFn.

Omdat bij het verwijderen van de karakteristiek van stationair toerental de snelheid n ongewijzigd blijft, hangt de spanning Uo alleen af ​​​​van de magnetische flux F.Daarom zal de inactieve karakteristiek vergelijkbaar zijn met de afhankelijkheid van de flux F van de excitatiestroom Ia (de magnetische karakteristiek van het magnetische circuit van de generator).

De nullastkarakteristiek kan eenvoudig experimenteel worden geëlimineerd door de bekrachtigingsstroom geleidelijk te verhogen van nul tot de waarde waarbij U0 = 1,25 Unom en vervolgens de bekrachtigingsstroom te verlagen tot nul. In dit geval worden 1 stijgende en 2 dalende takken van het kenmerk verkregen. De divergentie van deze takken is te wijten aan de aanwezigheid van hysteresis in het magnetische circuit van de machine. Wanneer Iw = 0 in de ankerwikkeling, induceert de flux van remanent magnetisme een remanente d, enz. met Eost, dat is meestal 2-4% van de nominale spanning Unom.

Bij lage excitatiestromen is de magnetische flux van de machine klein, daarom veranderen in dit gebied de flux en spanning Uo recht evenredig met de excitatiestroom, en het eerste deel van deze karakteristiek is een rechte lijn. Naarmate de excitatiestroom toeneemt, verzadigt het magnetische circuit van de generator en vertraagt ​​​​de stijging van de spanning Uo. Hoe groter de bekrachtigingsstroom, hoe sterker de verzadiging van het magnetische circuit van de machine en hoe langzamer de spanning U0 toeneemt. Bij zeer hoge bekrachtigingsstromen stopt de spanning Uo praktisch met stijgen.

Met de nullastkarakteristiek kunt u de waarde van de mogelijke spanning en magnetische eigenschappen van de machine inschatten. De nominale spanning (aangegeven in het paspoort) voor machines voor algemeen gebruik komt overeen met het verzadigde deel van de karakteristiek (de "knie" van deze curve).In locomotiefgeneratoren die een spanningsregeling met een breed bereik vereisen, worden zowel kromlijnige als rechtlijnige onverzadigde delen van de karakteristiek gebruikt.

D. d. C. de machine verandert evenredig met het toerental n, dus voor n2 < n1 ligt de stationairkarakteristiek onder de curve voor n1. Wanneer de draairichting van de generator verandert, verandert de richting van e. enz. c. Wordt geïnduceerd in de ankerwikkeling, en dus de polariteit van de borstels.

Een extern kenmerk van de generator (Fig. 2, b) is de afhankelijkheid van de spanning U van de belastingsstroom In = Ia bij constante snelheid n en excitatiestroom Iv. De generatorspanning U is altijd kleiner dan zijn e. enz. C. E door de waarde van de spanningsval in alle in serie geschakelde wikkelingen in het ankercircuit.

Naarmate de generatorbelasting toeneemt (stroom van de ankerwikkeling IАЗ САМ — азЗ), neemt de generatorspanning om twee redenen af:

1) als gevolg van een toename van de spanningsval in het ankerwikkelcircuit,

2) door een afname van e. enz. als gevolg van de demagnetiserende werking van de ankerflux. De magnetische flux van het anker verzwakt enigszins de magnetische hoofdflux Ф van de generator, wat leidt tot een lichte afname van de e. enz. v. E bij laden tegen e. enz. met Eo inactief.

De spanningsverandering tijdens de overgang van inactieve modus naar nominale belasting in de beschouwde generator is 3 - 8 ℅ van de nominale waarde.

Als u het externe circuit met een zeer lage weerstand sluit, dat wil zeggen de generator kortsluit, daalt de spanning tot nul.De stroom in de ankerwikkeling Ik tijdens een kortsluiting zal een onaanvaardbare waarde bereiken waarbij de ankerwikkeling kan doorbranden. In machines met laag vermogen kan de kortsluitstroom 10-15 keer de nominale stroom zijn, in machines met hoog vermogen kan deze verhouding 20-25 bedragen.

Rijst. 2. Kenmerken van een generator met onafhankelijke excitatie: a - inactief, b - extern, c - regulerend

De regelkarakteristiek van de generator (Fig. 2, c) is de afhankelijkheid van de bekrachtigingsstroom Iv van de belastingsstroom In bij constante spanning U en rotatiefrequentie n. Het laat zien hoe de bekrachtigingsstroom kan worden aangepast om de generatorspanning constant te houden als de belasting verandert. Het is duidelijk dat in dit geval, naarmate de belasting toeneemt, de excitatiestroom moet worden verhoogd.

De voordelen van een onafhankelijk aangeslagen generator zijn de mogelijkheid om de spanning over een breed bereik van 0 tot Umax aan te passen door de bekrachtigingsstroom en een kleine verandering in de generatorspanning onder belasting te wijzigen. Er is echter een externe DC-bron nodig om de veldspoel van stroom te voorzien.

Generator met parallelle excitatie.

In deze generator (Fig. 3, a) vertakt de ankerwikkelstroom Iya zich in het externe belastingscircuit RH (stroom In) en in de bekrachtigingswikkeling (stroom Iv), de stroom Iv voor machines met gemiddeld en hoog vermogen is 2- 5 % van de nominale waarde van de stroom in de ankerwikkeling.De machine maakt gebruik van het principe van zelfexcitatie, waarbij de bekrachtigingswikkeling rechtstreeks wordt gevoed vanuit de ankerwikkeling van de generator. Zelfexcitatie van de generator is echter alleen mogelijk als aan een aantal voorwaarden wordt voldaan.

1.Om het zelfexcitatieproces van de generator te starten, is het noodzakelijk om een ​​resterende flux van magnetisme in het magnetische circuit van de machine te hebben, die e induceert in de ankerwikkeling. enz. dorp Oost. Deze e.enz. v. zorgt voor een stroom door het circuit "ankerwikkeling - bekrachtigingswikkeling" van een startstroom.

2. De magnetische flux die door de veldspoel wordt gecreëerd, moet worden gericht in overeenstemming met de magnetische flux van het restmagnetisme. In dit geval zal tijdens het proces van zelfexcitatie de excitatiestroom Iv en dus de magnetische flux Ф van de machine e toenemen. enz. v. E. Dit gaat door totdat, vanwege de verzadiging van het magnetische circuit van de machine, de verdere toename van F en dus E en Ib stopt. Het samenvallen in de richting van de aangegeven fluxen wordt verzekerd door de juiste aansluiting van de bekrachtigingswikkeling op de ankerwikkeling. Bij een verkeerde aansluiting demagnetiseert de machine (restmagnetisme verdwijnt) en e. enz. C. E neemt af tot nul.

3. De weerstand van het RB-bekrachtigingscircuit moet kleiner zijn dan een bepaalde grenswaarde, de kritische weerstand. Daarom wordt voor de snelste excitatie van de generator aanbevolen om, wanneer de generator is ingeschakeld, de regelweerstand Rpv volledig uit te voeren die in serie is geschakeld met de excitatiespoel (zie figuur 3, a). Deze voorwaarde beperkt ook het mogelijke regelbereik van de veldstroom, en daarmee de spanning van de parallel-geëxciteerde generator. Het is meestal mogelijk om de generatorspanning te verlagen door de circuitweerstand van de veldwikkeling alleen te verhogen tot (0,64-0,7) Unom.

Rijst. 3.Schematisch diagram van een generator met parallelle excitatie (a) en externe kenmerken van generatoren met onafhankelijke en parallelle excitatie (b)

Opgemerkt moet worden dat zelfexcitatie van de generator het proces vereist van het verhogen van de e. enz. met E en bekrachtigingsstroom Ib trad op toen de machine stationair draaide. Anders kan, vanwege de lage waarde van Eost en de grote interne spanningsval in het ankerwikkelcircuit, de spanning die wordt toegepast op de bekrachtigingswikkeling afnemen tot bijna nul en kan de bekrachtigingsstroom niet toenemen. Daarom moet de belasting pas op de generator worden aangesloten nadat de spanning op de klemmen de nominale spanning benadert.

Wanneer de draairichting van het anker verandert, verandert de polariteit van de borstels en daarmee de stroomrichting in de veldwikkeling, in dit geval wordt de generator gedemagnetiseerd.

Om dit te voorkomen, is het bij het veranderen van de draairichting noodzakelijk om de draden die de veldspoel verbinden met de ankerspoel om te wisselen.

Externe karakteristiek van de generator (curve 1 in Fig. 3, b) vertegenwoordigt de afhankelijkheid van de spanning U van de belastingsstroom In bij constante waarden van de snelheid n en de weerstand van het aandrijfcircuit RB. Het ligt onder de externe karakteristiek van de onafhankelijk aangeslagen generator (kromme 2).

Dit wordt verklaard door het feit dat naast dezelfde twee redenen die ervoor zorgen dat de spanning afneemt met toenemende belasting in een onafhankelijk aangeslagen generator (spanningsval in het ankercircuit en het demagnetiserende effect van de ankerreactie), er een derde reden is in beschouwd generator — vermindering van de excitatiestroom.

Aangezien de excitatiestroom IB = U / Rv, dat wil zeggen, afhangt van de spanning U van de machine, neemt bij een afname van de spanning om deze twee redenen de magnetische flux F en e af. enz. v. generator E, wat leidt tot een verdere afname van de spanning. De maximale stroom Icr die overeenkomt met punt a wordt kritisch genoemd.

Wanneer de ankerwikkeling wordt kortgesloten, is de stroom Ic van de parallel geëxciteerde generator klein (punt b), omdat in deze modus de spanning en de excitatiestroom nul zijn. Daarom wordt de kortsluitstroom alleen gecreëerd door e. enz. van restmagnetisme en is (0,4 ... 0,8) Inom .. Het externe kenmerk is verdeeld vanaf punt a in twee delen: bovenste - werkend en onderste - niet-werkend.

Meestal wordt niet het hele werkende deel gebruikt, maar slechts een bepaald segment ervan. De werking van sectie ab van de externe karakteristiek is onstabiel, in dit geval gaat de machine in de modus die overeenkomt met punt b, d.w.z. in kortsluitmodus.

De nullastkarakteristiek van de generator met parallelle excitatie wordt genomen met onafhankelijke excitatie (wanneer de stroom in het anker Iya = 0), daarom verschilt deze op geen enkele manier van de overeenkomstige karakteristiek voor de generator met onafhankelijke excitatie (zie Fig. 2, a). De regelkarakteristiek van de generator met parallelle excitatie heeft dezelfde vorm als de karakteristiek van de generator met onafhankelijke excitatie (zie figuur 2, c).

Parallel opgewekte generatoren worden gebruikt om elektrische verbruikers in personenauto's, auto's en vliegtuigen van stroom te voorzien, zoals generatoren voor het aandrijven van elektrische locomotieven, diesellocomotieven en treinwagons, en voor het opladen van accu's.

Serie Excitatie Generator

In deze generator (fig.4, a) de bekrachtigingsstroom Iw is gelijk aan de belastingsstroom In = Ia, en de spanning varieert aanzienlijk wanneer de belastingsstroom verandert. Bij inactiviteit wordt een kleine emissie in de generator geïnduceerd. enz. v. Eri, gecreëerd door de stroom van restmagnetisme (Fig. 4, b).

Naarmate de belastingsstroom toeneemt Ii = Iv = Iya, neemt de magnetische flux toe, b.v. enz. p.- en generatorspanning gaat deze toename, net als bij andere self-excited machines (parallel-excited generator), tot een bepaalde limiet door vanwege de magnetische verzadiging van de machine.

Naarmate de belastingsstroom boven Icr stijgt, begint de generatorspanning af te nemen, omdat de excitatie magnetische flux als gevolg van verzadiging bijna niet meer toeneemt, en het demagnetiserende effect van de ankerreactie en de spanningsval in het ankerwikkelcircuit IяΣRя blijven toenemen . Gewoonlijk is de huidige Icr veel hoger dan de nominale stroom. De generator kan alleen stabiel werken op deel ab van het externe kenmerk, d.w.z. bij belastingsstromen hoger dan nominaal.

Aangezien bij in serie geschakelde generatoren de spanning sterk varieert met veranderingen in de belasting en bijna nul is tijdens onbelaste werking, zijn ze ongeschikt om de meeste elektrische verbruikers van stroom te voorzien. Ze worden alleen gebruikt bij elektrisch (rheostatisch) remmen van in serie geschakelde motoren, die vervolgens worden overgeschakeld naar generatormodus.

Rijst. 4. Schematisch diagram van een serie-excitatiegenerator (a) en zijn externe karakteristiek (b)

Gemengde excitatiegenerator.

In deze generator (Fig. 5, a) is meestal de parallelle excitatiespoel de hoofdspoel en de seriespoel de hulpspoel.Beide spoelen hebben dezelfde polariteit en zijn zo verbonden dat de magnetische fluxen die door hen worden geproduceerd optellen (concordante schakeling) of aftrekken (tegengestelde schakeling).

Een generator met gemengde excitatie, wanneer de veldwikkelingen in overeenstemming zijn aangesloten, maakt het mogelijk een ongeveer constante spanning te verkrijgen als de belasting verandert. De externe karakteristiek van de generator (fig. 5, b) kan in de eerste benadering worden weergegeven als een som van karakteristieken gecreëerd door elke excitatiespoel.

Rijst. 5. Schematisch diagram van een generator met gemengde excitatie (a) en zijn externe kenmerken (b)

Wanneer slechts één parallelle wikkeling wordt ingeschakeld, waardoor de bekrachtigingsstroom Iв1 passeert, neemt de generatorspanning U geleidelijk af met toenemende belastingsstroom In (curve 1).Wanneer één seriewikkeling wordt ingeschakeld, waardoor de bekrachtigingsstroom Iw2 = In , de spanning U neemt toe met toenemende stroom In (kromme 2).

Als we het aantal windingen van de seriewikkeling zo kiezen dat bij de nominale belasting de spanning die erdoor wordt gecreëerd ΔUPOSOL compenseert voor de totale spanningsval ΔU, wanneer de machine werkt met slechts één parallelle wikkeling, dan is het mogelijk om te bereiken dat de spanning U blijft vrijwel ongewijzigd wanneer de belastingsstroom verandert van nul naar de nominale waarde (curve 3). In de praktijk varieert het binnen 2-3%.

Door het aantal windingen van de seriewikkeling te vergroten, is het mogelijk om een ​​karakteristiek te verkrijgen waarbij de spanning UHOM meer spanning Uo zal hebben bij inactiviteit (curve 4), deze karakteristiek biedt compensatie voor de spanningsval, niet alleen in de interne weerstand van de ankercircuit van de generator, maar ook in de verbindingsleiding met de belasting. Als de seriewikkeling wordt ingeschakeld zodat de daardoor gecreëerde magnetische flux wordt gericht tegen de flux van de parallelle wikkeling (tegencommutatie), dan zal het externe kenmerk van de generator met een groot aantal windingen van de seriewikkeling steil dalen (bocht 5).

Omgekeerde verbinding van serie- en parallelle veldwikkelingen wordt gebruikt in lasgeneratoren die werken onder omstandigheden van frequente kortsluiting. In dergelijke generatoren demagnetiseert de seriewikkeling in het geval van kortsluiting de machine bijna volledig en vermindert de kortsluitstroom. naar een waarde die veilig is voor de generator.

Generatoren met veldwikkelingen met tegengestelde aansluitingen worden op sommige diesellocomotieven gebruikt als exciters van tractiegeneratoren, ze zorgen voor de constantheid van het door de generator geleverde vermogen.

Dergelijke ziekteverwekkers worden ook gebruikt op elektrische gelijkstroomlocomotieven. Ze voeden de veldwikkelingen van tractiemotoren die in regeneratieve modus werken tijdens regeneratief remmen en zorgen voor sterk dalende externe kenmerken.

Generator-gemengde excitatie is een typisch voorbeeld van storingsregulering.

DC-generatoren zijn vaak parallel geschakeld om in een gemeenschappelijk netwerk te werken.Een voorwaarde voor parallel bedrijf van generatoren met een belastingsverdeling die evenredig is met het nominale vermogen, is de identiteit van hun uiterlijke kenmerken. Bij gebruik van generatoren met gemengde excitatie moeten hun seriewikkelingen voor vereffeningsstromen in een gemeenschappelijk blok worden aangesloten door middel van een vereffeningsdraad.