билеты_ЭМ / 10.Генератор постоянного тока с независимым возбуждением принцип действия, характеристики. Генератор независимого возбуждения постоянного токабилеты_ЭМ / 10.Генератор постоянного тока с независимым возбуждением принцип действия, характеристики10.Генератор постоянного тока с независимым возбуждением: принцип действия, характеристики.
Генератор с независимым возбуждением. В генераторе этого типа (рис. 8.43) ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iа, который равен току нагрузки Iн . Ток Iв определяется только положением регулировочного реостата Rp.в , включенного в цепь обмотки возбуждения: (8.56)
где Uв — напряжение источника питания; Rв — сопротивление обмотки возбуждения; Rp.в — сопротивление регулировочного реостата Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1 — 3 % от номинального тока якоря. Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная. Характеристикой холостого хода (рис. 8.44, а) называют зависимость U0 = f(Iв) при Iн = 0 и n =const. При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U0 на зажимах обмотки якоря равно ЭДС Е0 = сеФn. Частота вращения якоря n поддерживается неизменной, и напряжение при холостом ходе зависит только от магнитного потока Ф, т. е. тока возбуждения Iв . Поэтому характеристика U0 = f(Iв ) подобна магнитной характеристике Ф = f(Iв ). Характеристику холостого хода легко получить экспериментально. Для этого сначала устанавливают ток возбуждения таким, чтобы U0 ≈ l,25Uном , затем уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличивают его до прежнего значения. При этом
получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики, которые выходят из одной точки. Расхождение ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная ЭДС Еост , которая составляет 2—4 % от Uном . Внешней характеристикой (рис. 8.44,б) называют зависимость U = f(Iн ) при n = const и Iв = const. Врежиме нагрузки напряжение генератора (8.57) U = Е -Iа ΣRa , где ΣRa — сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной). С увеличением нагрузки на уменьшение напряжения U влияют: 1) падение напряжения во внутреннем сопротивлении ΣRa машины; 2) уменьшение ЭДС Е в результате размагничивающего действия реакции якоря. Изменение напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода (8.58) Δu = (U0 - Uном )/Uном . Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет 5-15%.
Нагрузочной характеристикой (рис. 8.45, а) называют зависимость U = f(Iв ) при n = const и Iн = const.Нагрузочная характеристика при Iн = Iном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 1), которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iн = 0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении ΣRa машины. Достоинством генераторовс независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от нуля до Uмах путем изменения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения под нагрузкой. Однако для питания обмотки возбуждения таких генераторов требуются внешние источники постоянного тока. Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. Независимо от значения напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В для упрощения регулирующей аппаратуры.
2 studfiles.net Общие сведения о генераторах постоянного токаХотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока широко используются в различных промышленных, транспортных и других установках (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и так далее). В этих случаях генераторы постоянного тока обычно приводятся во вращение электродвигателями переменного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбужденияРазличаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением (рисунок 1, а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. Генераторы последнего типа изготавливаются только на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы с электромагнитным возбуждением. В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе. Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3 – 5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая – к машинам мощностью около 1 кВт. Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рисунок 1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рисунок 1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рисунок 1, г). Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают намагничивающую силу одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть намагничивающей силы возбуждения (65 – 80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.
Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя) На рисунке 1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от реостата возбуждения) подключен за последовательной обмоткой возбуждения ("длинный шунт"), однако этот конец может быть присоединен и непосредственно к якорю ("короткий шунт"). Существенной разницы в этих вариантах соединения нет, так как падение напряжения в последовательной обмотке составляет только 0,2 – 1,0% от Uн и ток iв мал. Обычно применяется соединение, изображенное на рисунке 1, г. В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения составляет 1 – 5% от номинального тока якоря Iан или тока нагрузки Iн = Iан – iв. В генераторах последовательного возбуждения эти токи равны друг другу: iв = Iа = I и падение напряжения на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет 1 – 5% от Uн. Обмотки возбуждения у генераторов параллельного возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у генераторов последовательного возбуждения – относительно малое число витков большого сечения. В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока возбуждения включают реостаты Rр.в (рисунок 1, а, б, и г). Крупные машины постоянного тока работают с независимым возбуждением. Машины малой и средней мощности большей частью имеют параллельное или смешанное возбуждение. Генераторы с последовательным возбуждением менее распространены.
Энергетическая диаграммаЭнергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения представлена на рисунке 2. Получаемая от первичного двигателя механическая мощность P1 за вычетом потерь механических pмх, магнитных pмг и добавочных pд преобразуется в якоре в электромагнитную мощность Pэм. Мощность Pэм частично тратится на электрические потери pэла в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), а остальная часть этой мощности представляет собой полезную мощность P2, отдаваемую потребителям. Потери на возбуждение pв в генераторе независимого возбуждения покрываются за счет постороннего источника тока. На основании изложенного для генератора независимого возбуждения имеем уравнение мощностей
Можно написать также следующее уравнение мощностей:
Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для других типов генераторов. Уравнение вращающих моментовЕсли все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря Ω = 2 × π × n то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:
Здесь
представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,
– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и
– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности. В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения
где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M0 + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин < 0, он действует в направлении вращения и является движущим, поддерживая вращение за счет уменьшения кинетической энергии вращающихся масс. Таким образом, в общем случае, при n ≠ const,
Момент соответствующий статическим силам, называют статическим моментом. Поэтому можно также написать
Уравнение напряженияУравнение напряжения U на зажимах генератора имеет вид
где
представляет собой э. д. с. якоря, rа – сопротивление всех последовательно соединенных обмоток цепи якоря, а 2 × ΔUщ – падение напряжение в контактном слое щеток обеих полярностей. Обычно для упрощения вычислений вводят постоянное сопротивление щеточных контактов
и вместо выражения (11) пользуются уравнением
где – полное сопротивление якоря. Вследствие непостоянства переходного сопротивления щеток уравнение (14) является несколько приближенным, но погрешность незначительна. Для угольных и графитных щеток берется 2 × ΔUщ = 2 В и для металлографитных щеток 2 × ΔUщ = 0,6 В. В режиме генератора всегда U меньше Eа. Установка щеток в нейтральОбычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Установка щеток на нейтраль производится индуктивным способом – путем включения и выключения постоянного тока в обмотке возбуждения неподвижной машины и наблюдения за показаниями вольтметра или гальванометра, присоединенного к щеткам. Щеточная траверса устанавливается и закрепляется в положении, при котором отклонение стрелки прибора при включении и выключении тока возбуждения равно нулю или минимально. Лучше иметь прибор с нулем посредине шкалы. Ток в обмотке возбуждения не должен превышать примерно 10% от номинального во избежание индуктирования больших э. д. с. самоиндукции, способных повредить изоляцию обмотки возбуждения. Можно также установить щетки в таком положении, когда при холостом ходе у генератора напряжение максимально или у двигателя скорость вращения минимальна. Однако этот способ является более грубым. Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с. www.electromechanics.ru 2.Генератор постоянного тока с независимым возбуждением.Схема включения ГПТ независимого возбуждения представлена ниже. Реостат, включенный в цепь возбуждения дает возможность регулировать ток в обмотке возбуждения, а следовательно и основной магнитный поток машины. Свойства ГПТ анализируют с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости следующих основных величин:1)Напряжение на зажимах; 2)Ток возбуждения iB; 3)Ток якоря IA или ток нагрузки I; 4)Скорость вращения n. Обычно генераторы работают при n=const, поэтому характеристики определяются при постоянной частоте вращения. Существует 5 основных характеристик: 1. ХХ; 2.КЗ; 3.Внешняя; 4.Регулировочная; 5.Нагрузочная. Все характеристики могут быть определены экспериментальным и расчетным путем. Характеристики.
Основной недостаток генераторов независимого возбуждения – этот необходимость в постороннем источнике постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами. 3.Реакция якоря в машинах постоянного тока.При нагрузке машины () обмотка якоря создает собственное магнитное поле. Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле. Действие поля якоря на поле индуктора называется реакцией якоря. Реакция якоря в машине постоянного тока определяется положением щеток относительно линии геометрической нейтрали.Линия геометрической нейтрали–это линия, проходящая через ось вращения якоря в радиальном направлении посередине между двумя соседними главными полюсами. Поперечная реакция якоря. При наличии тока в обмотке возбуждения и отсутствии тока в обмотке якоря (=0) в машине существует только магнитное поле индуктора, картина которого изображена на рис.а. Линия геометрической нейтрали 1-1 в этом случае одновременно является и линией физической нейтрали, так как индукция поля индуктора равна нулю в тех же точках на поверхности якоря, через которые проходит линия геометрической нейтрали. При наличии тока в обмотке якоря и отсутствии тока в обмотке возбуждения (= 0) и установке щеток на линии геометрической нейтрали1-1, ось поля якоря направлена по поперечной оси индуктора и действует поперечная реакция якоря (рис.б). Если по обмоткам возбуждения и якоря протекают токи, то существуют одновременно поле индуктора и поле якоря. Как следует из рис. в, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе в обратную сторону. Под воздействием поперечной реакции якоря линия физической нейтрали поворачивается из положения 1-1 на некоторый угол β в положение 2-2, которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе - в обратную. Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с линии геометрической нейтрали на 90 эл. град.(рис. г), то ось поля якоря направлена по продольной оси индуктора и действует поле продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока якоря оказывает на поле индуктора намагничивающее или размагничивающее действие. Общий случай. В случае если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на некоторый угол =90 эл. град., в машине существуют как поперечная, так и продольная (намагничивающая или размагничивающая) составляющие реакции якоря. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины. Для оценки влияния реакции якоря необходимо рассмотреть распределения индукции магнитных потоков индуктора и якоря в воздушном зазоре, и на основе их провести анализ результирующего магнитного поля (рис ниже). Распределение индукции магнитного поля индуктора (1) является симметричным относительно оси полюсов, близким к трапецеидальному. Распределение МДС обмотки якоря (2) имеет наибольшее значение на линии геометрической нейтрали, а по оси полюсов - равна нулю. Однако распределение магнитной индукции поля якоря (3) в зазоре совпадает с распределением МДС якоря лишь в пределах полюсных наконечников. В междуполюсном промежутке магнитная индукция поля якоря резко уменьшается, что объясняется большим магнитным сопротивлением. Распределение индукции результирующего поля в воздушном зазоре получено путем суммирования распределений (1) и (3) и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи (4). Если магнитная цепь машины насыщена, то происходит не только искажение распределения индукции результирующего поля (5), но и уменьшение по величине. Реакция якоря в машине постоянного тока оказывает отрицательное влияние. За счет искажения магнитного поля возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами, что ухудшает условия коммутации. В случае уменьшения индукции результирующего поля ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент. Эффективным средством борьбы с вредным влиянием реакции якоря является применение компенсационной обмотки. Компенсационная обмотка укладывается в пазы полюсных наконечников и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС Fк была противоположна по направлению МДС обмотки якоря Fа. Компенсационная обмотка равномерно распределяется по поверхности полюсных наконечников главных полюсов. При наличии компенсационной обмотки магнитное поле машины при переходе из режима холостого хода к нагрузке остается практически неизменным. studfiles.net Генератор независимого возбужденияСхема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 13, а. Реостат rрг,включенный в цепь возбуждения, дает возможность регулировать ток Iв в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем.
Рис. 13. Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генератора независимого возбуждения
Характеристика холостого хода.При снятии характеристики U0=¦(Iв) генератор работает в режиме х.х. (Iа= 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения Iв от нулевого значения до +Iв = 0а, при котором напряжение х.х. U0= 1,15Uном. Получают данные для построения кривой 1 (рис. 13, б). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до –Iв = 0b. Полученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается выше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагничивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от –Iв = 0b до Iв = 0, а затем увеличивают его до значения +Iв = 0а. В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагничивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, получим расчетную характеристику х.х. Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока сталь машины насыщается, и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость U0=f(Iв) повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины и дает возможность судить о магнитных свойствах машины. Нагрузочная характеристика генератора.Эта характеристика выражает зависимость напряжения U на выходе генератора от тока возбуждения Iв при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС, поэтому нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характеристики холостого хода 2 (рис. 14). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению Uном,отложить вверх отрезок аb, равный IаSr,и провести горизонтально отрезок bc до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим abc – треугольник реактивный (характеристический). Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбуждения Iв1 = Iв.ном напряжение на выводах U0 = de; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генератора снизится до значения Uном = ae. Таким образом, отрезок da выражает значение напряжения DU = U0- Uномпри Iв1 = Iв.ном. Напряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего влияния реакции якоря. Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения IаSr, можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: Ea=U + IaSr.На рис. 14 эта ЭДС представлена отрезком be. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (be < de), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок c¦ представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме х.х. для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения Iв2 < Iв1. Следовательно, отрезок fe,равный разности токов возбуждения Iв1 – Iв2, представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря.
Рис. 14. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения
Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке: падение напряжения в цепи якоря определяет катет ab = IaSr (28.7) ток возбуждения Iв1 – Iв2, компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря, определяет катет
где Fqdи Fad– величины, определяющие размагничивающее действие реакции якоря по поперечной и продольной осям; wв.к – число витков в полюсной катушке обмотки возбуждения. Реактивный треугольник а'b'с' построен для другого значения тока возбуждения Iв3. Сторона а'b' треугольника осталась неизменной (a'b' = ab), что объясняется неизменностью тока нагрузки, но сторона b'с' уменьшилась b'с' < bc), так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнитной цепи генератора, а следовательно, и размагничивающее действие реакции якоря. Внешняя характеристика генератора.Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I. При снятии данных для построения внешней характеристики генератор приводят во вращение с номинальной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. (I = 0), снимают показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения rв и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными. На рис. 15, а представлена внешняя характеристика генератора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора понижается; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оцени вается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:
Обычно для генератора независимого возбуждения DUном = 5¸10%. Регулировочная характеристика генератора.Характеристика Iв= f(I) показывает, как следует менять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной (n = const). При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения устанавливают ток Iв0, при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восходящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 15, б). Постепенно уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответствующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 15, б). Нисходящая ветвь регулировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характеристикой генератора.
Рис. 15. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора независимого возбуждения
Основной недостаток генераторов независимого возбуждения – это необходимость в постороннем источнике энергии постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.
Похожие статьи:poznayka.org Генераторы постоянного тока независимого возбуждения — КиберПедияГенераторы постоянного тока используются в качестве регулируемых источников напряжения в различных системах автоматики. Наиболее часто они используются в системах регулируемого электропривода постоянного тока. Генератор - это электромеханический преобразователь энергии. Он преобразует механическую энергию, поступающую на его вал от приводного двигателя, в электрическую энергию постоянного тока. Конструктивные особенности генераторов подробно рассматриваются в /3/. Достоинства преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока: - линейность преобразования управляющего сигнала в выходную ЭДС в широком диапазоне его изменения; - хорошая перегрузочная способность; - отсутствие искажений напряжения питающей сети переменного тока от работы генератора и возможность работы с высоким коэффициентом мощности. Недостатки агрегата: - существенная инерционность при отработке сигнала управления по каналу возбуждения генератора; - плохие массогабаритные показатели и значительные затраты на его установку; - вибрация и шум при работе агрегата; - относительно невысокий результирующий КПД из-за многократного преобразования энергии. У генераторов общего назначения перегрузочная способность по току равна 2 при длительности перегрузки до 3 с и равна 1,5 при продолжительности перегрузки до 60 с. Регулировать выходную ЭДС генератора можно двумя способами: изменением напряжения на обмотке возбуждения и изменением скорости вращения вала генератора. Регулирование изменением скорости вращения очень редко используется в схемах автоматики и здесь рассматриваться не будет. Схема включения генератора при регулировании его выходного напряжения изменением напряжения возбуждения приведена на рис. 2.1, а.а - принципиальная схема; б - структурная схема
На рис. 2.1 приняты следующие обозначения: G - обмотка якоря генератора; ОВ - независимая обмотка возбуждения; Н - цепь нагрузки генератора; uв - напряжение возбуждения; iв - ток возбуждения; wг - угловая скорость вращения вала генератора; Ф - поток возбуждения от намагничивающей силы на один полюс генератора; uг - напряжение на выходе генератора; i - ток якоря генератора; uв(p) - изображение по Лапласу напряжения возбуждения; ег(p) - изображение по Лапласу выходной ЭДС генератора; Wг(p) - передаточная функция генератора по Лапласу; 1 и 2 - зажимы для подключения источника напряжения возбуждения; 3 и 4 - зажимы для подключения цепи нагрузки генератора. Рассмотрим характеристики генератора независимого возбуждения при общепринятых в инженерных расчетах допущениях, полагая, что петля гистерезиса характеристики намагничивания генератора достаточно узка и ее не учитываем; насыщением магнитных цепей генератора и реакцией якоря пренебрегаем; скорость вала генератора считаем постоянной; влиянием вихревых токов, увеличивающих инерционность цепи возбуждения, пренебрегаем. Также пренебрегаем влиянием индуктивности якорной цепи генератора на его выходное напряжение. При таких допущениях процессы в генераторе описываются системой линейных уравнений: (2.1) где Lв - индуктивность цепи возбуждения; Rв - активное сопротивление цепи возбуждения; k = pN/(2pa) - конструктивная постоянная машины; p - число пар полюсов; а - число пар параллельных ветвей якорной обмотки; N - число активных проводников якорной обмотки; Rя - активное сопротивление якорной цепи; kв - коэффициент, связывающий поток возбуждения на один полюс с током цепи возбуждения, Вб/А. Индуктивность цепи возбуждения находится по формуле , где DФ и DF - приращение магнитного потока и соответствующее ему приращение намагничивающей силы на один полюс, которые можно определить по линейному рабочему участку кривой намагничивания генератора; Wв - число витков обмотки возбуждения на один полюс; ав - число параллельных ветвей обмотки возбуждения; s - коэффициент, учитывающий рассеяние магнитного потока полюсов. По кривой намагничивания также определяется коэффициент В установившемся режиме diв /dt = 0 и соответственно для статического режима уравнения (2.1) преобразуются к виду: (2.2) Прописными буквами в данных уравнениях обозначены токи и напряжения в установившемся режиме. Из (2.2) может быть найдено выражение для расчета статического значения выходной координаты генератора (2.3) где kг = kkвwг /Rв - коэффициент усиления генератора. Принимая в (2.3) за аргумент напряжение возбуждения Uв, а за параметр - возмущающее воздействие в виде тока якоря I, получим семейство характеристик управления, которое приведено на рис. 2.2, а. Если за аргумент принять ток I, а за параметр - напряжение Uв, то получим семейство внешних характеристик, приведенное на рис. 2.2, б. Рис. 2.2. Статические характеристики генератора: а - управления; б - внешние Если в качестве выходной величины принято напряжение генератора uг, как следует из рис. 2.2, а, то характеристики управления будут неоднозначны. Неоднозначность обусловлена наличием падения напряжения на сопротивлении якорной цепи генератора. Неоднозначность характеристик управления будет исключена, если в качестве выходной координаты элемента рассматривать ЭДС генератора, как показано на рис. 2.2, б. При таком представлении генератора сопротивление его якорной цепи можно рассматривать в составе цепи внешней нагрузки генератора. При таком представлении генератора характеристика управления единственная, и ее формула имеет вид , Рис. 2.3. Статические характеристики генератора как источника ЭДС: а - управления; б - внешние
Введя для обозначения операции дифференцирования символ p, то есть , и полагая, что на холостом ходу i = 0, а uг = ег, систему (2.1) можно записать в виде Из последней системы после несложных преобразований может быть получена передаточная функция генератора по входной величине uв в операторном виде: , где Tв = Lв/Rв - электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения. Система (2.1) имеет неизменные во времени коэффициенты. Поэтому при нулевых начальных условиях передаточная функция генератора по Лапласу с точностью до обозначений совпадает с операторной передаточной функцией и равна . (2.4) Как следует из передаточной функции (2.4), процессы в генераторе по управлению соответствуют апериодическому звену первого порядка, которое имеет переходную характеристику вида
Переходная характеристика приведена на рис. 2.4, б. На рис. 2.4, а приведены частотные характеристики генератора: кривая L(w) - амплитудно-частотная характеристика, кривая j(w) – фазово-частотная характеристика. Как следует из графика переходной характеристики, быстродействие генератора при отработке управляющего воздействия Uв определяется величиной постоянной времени цепи возбуждения Tв. Увеличение активного сопротивления цепи возбуждения Rв увеличивает быстродействие, но при этом возрастают активные потери электрической энергии на этом сопротивлении. Снижение быстродействия генератора из-за эффекта вихревых токов может быть учтено путем увеличения электромагнитной постоянной времени цепи возбуждения Tв на 10 – 15 % . Представление различных генераторов постоянного тока как элементов систем автоматики более подробно рассмотрено в /1/.
Вопросы для самопроверки 1. Какое преобразование энергии осуществляется генератором постоянного тока при его работе в генераторном режиме? 2. Назовите основные достоинства преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока. 3. Назовите основные недостатки преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока. 4. Как можно регулировать выходную ЭДС генератора постоянного тока? 5. Перечислите основные допущения, при которых генератор постоянного тока можно считать линейным звеном? 6. Что обусловливает неоднозначность характеристик управления генератора постоянного тока для случая, когда выходной координатой будет напряжение на обмотке якоря? 7. Что необходимо принять за выходную координату генератора постоянного тока для того, чтобы исключить неоднозначность характеристик управления? 8. Какова жесткость внешних характеристик генератора постоянного тока в случае, когда выходной координатой будет ЭДС генератора? 9. Какому элементарному звену структурной схемы соответствует передаточная функция генератора постоянного тока, когда в качестве выходной координаты звена рассматривается ЭДС обмотки якоря, а в качестве входной - напряжение на обмотке возбуждения? 10. Какие электрические параметры генератора определяют быстродействие генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения? 11. Как влияет на быстродействие генератора постоянного тока наличие вихревых токов в элементах конструкции генератора? 12. Какой вид имеет формула передаточной функции генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения? 13. Какой вид имеет формула переходной характеристики генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения? 14. Какой вид имеет формула для расчета электромагнитной постоянной времени обмотки возбуждения генератора постоянного тока? 15. Чему равна частота среза логарифмической амплитудной частотной характеристики генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения? 16. Как можно уменьшить электромагнитную постоянную времени обмотки возбуждения генератора постоянного тока?
Электромашинные усилители Электромашинные усилители (ЭМУ) используются в качестве регулируемых источников напряжения в различных системах автоматики, обычно в системах регулируемого электропривода постоянного тока. ЭМУ- это электромеханический преобразователь энергии. Он преобразует механическую энергию, поступающую на его вал от приводного двигателя, в электрическую энергию постоянного тока. Конструктивные особенности ЭМУ рассматриваются в /1/. По сравнению с генераторами постоянного тока независимого возбуждения ЭМУ имеют более высокое значение коэффициента усиления мощности сигнала управления. Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля. ЭМУ поперечного поля без поперечной подмагничивающей обмотки приведен на рис. 2.5. Номинальная мощность таких усилителей может быть до 20 кВт. Статор такого ЭМУ выполняют неявнополюсным. В пазах статора помещают одну или несколько обмоток управления ОУ, компенсационную обмотку ОК, обмотку добавочных полюсов ОДП. Якорь ЭМУ поперечного поля отличается от якоря обычной машины постоянного тока лишь наличием на его коллекторе двух пар щеток: поперечных 1-1 и продольных 2-2. Поперечные щетки замыкаются накоротко. ЭМУ поперечного поля мощностью до 1500 Вт выполняют в одном корпусе с приводным электродвигателем. Если подвести к одной из обмоток управления ОУ небольшую мощность Pу = UуIу и создать поток управления Фу, то при вращении якоря в этом потоке в его проводниках наводится ЭДС Eкз, максимальное значение которой окажется на поперечных щетках 1-1. Так как щетки 1-1 замкнуты накоротко, даже под действием небольшой Eкз возникает значительный ток Iкз. Последний, проходя по проводникам якоря, вызовет соответствующий поток Фкз, который наводит в тех же самых проводниках якоря выходную ЭДС Eэму, наибольшее значение которой оказывается на продольных щетках 2-2. Так как Iкз и Фкз на один-два порядка больше, чем Фу, величина ЭДС Eэму значительна. Если к выводам 4-4 подключить нагрузку, то под действием ЭДС Eэму во внешней цепи и по обмотке якоря потечет ток Iэму. Намагничивающая сила, создаваемая этим током, вызовет поток реакции якоря Фр, направленный против потока управления Фу. Если действие потока реакции якоря не устранить, поток Фу будет уменьшен, что приведет к резкому снижению Eкз, а следовательно, и Фкз, то есть ЭМУ не сможет отдать в нагрузку сколько-нибудь существенную мощность. Для того чтобы поток Фр не размагнитил машину, последовательно с обмоткой якоря включают компенсационную обмотку ОК.Ток, протекающий по компенсационной обмотке, создаст поток Фк, компенсирующий поток Фр. Степень компенсации можно изменять путем изменения сопротивления, шунтирующего компенсационную обмотку. Обмотка добавочных полюсов ОДПпредназначается для улучшения коммутации под щетками 2-2.
Усиление мощности в ЭМУ происходит в две ступени. На первой ступени происходит усиление от мощности Pу = IуUу до Pкз = EкзIкз на второй - от Pкз до Pэму = EэмуIэму. Результирующий коэффициент усиления мощности kp = (Pкз / Pу)(Pэму / Pкз) = Pэму /Pу= kP1kP2, где kP1=Pкз /Pу; kP2=Pэму / Pкз - коэффициенты усиления на отдельных ступенях. Коэффициент kp практически может достигать значения 10000, причем kP1 всегда меньше kP1. Результирующий коэффициент усиления мощности может быть выражен и в виде kp = kuki, где ku = Eэму / Uу; ki = Iэму / Iу- соответственно коэффициенты усиления напряжения и тока. Для обеспечения максимального постоянства коэффициентов усиления во всех рабочих режимах магнитная система ЭМУ делается ненасыщенной. В конструкцию ЭМУ может вводиться дополнительная подмагничивающая обмотка, которая располагается на статоре и включается в цепь тока поперечных щеток 1-1. Наличие этой обмотки при одной и той же выходной мощности снижает требуемое значение тока короткозамкнутых щеток, в связи с чем номинальная мощность усилителя может быть увеличена до 100 кВт. Гистерезис магнитной цепи ЭМУ, вследствие больших значений коэффициентов усиления, ведет к появлению неоднозначности в характеристиках управления и внешних характеристиках, что показано на рис. 2.5 б, в. Для уменьшения неоднозначности регулировочных и внешних характеристик и снижения замедляющего действия вихревых токов, индуктируемых при изменении магнитного потока, магнитная система ЭМУ выполняется из листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм с узкой петлей гистерезиса. Неоднозначность характеристик может быть уменьшена при введении отрицательной обратной связи по выходному напряжению ЭМУ с помощью одной из обмоток управления или путем введения специальной размагничивающей обмотки, питаемой переменным током. Такая обмотка наматывается вокруг спинки статора. При таких мероприятиях характеристики управления и внешние характеристики при инженерных расчетах могут аппроксимироваться прямыми линиями. В режиме холостого хода в предположении линейности характеристики управления в рассматриваемом диапазоне изменения координат динамика ЭМУ, например, по первой обмотке управления, описывается передаточной функцией , где Δeэму (p), Δuу1(p) - изображение приращения выходной ЭДС ЭМУ и соответствующе-го ему приращения напряжения первой обмотки управления; kэму1=(ΔEэму/ΔIу1)(1/Rу1) - коэффициент усиления по напряжению первой обмотки, определяемый по аппроксимированной характеристике управления; Rу1 = Rоу1+Rд1 - активное сопротивление цепи с первой обмоткой управления; Rоу1- собственное активное сопротивление первой обмотки управления; Rд1 - внешнее добавочное сопротивление в цепи первой обмотки управления; Tу1 = Lоу1 / Rу1 и Tкз = Lя / Rя - электромагнитные постоянные времени соответственно цепи с первой обмоткой управления и короткозамкнутой цепи; Lоу1 - собственная индуктивность первой обмотки управления; Lя - индуктивность обмотки якоря; Rя - активное сопротивление обмотки якоря. Следует иметь в виду, что приведенная передаточная функция ЭМУ справедлива только при одной задействованной в работе обмотке управления. Обычно ЭМУ в схемах автоматики имеют несколько обмоток управления, образующих замкнутые через источники управляющих сигналов контуры, по которым могут замыкаться токи в переходных режимах в цепях управления. Эти токи возникают под действием ЭДС взаимоиндукции, наводящихся в обмотках при изменении тока в любой из них, так как они связаны общим магнитным потоком. По правилу Ленца индуктируемые токи препятствуют изменению тока в любой из обмоток, происходящего под действием изменения напряжения управления, приложенного к этой обмотке. Это ведет к ухудшению быстродействия ЭМУ и, соответственно, к увеличению электромагнитных постоянных времени обмоток управления. При этом эквивалентная постоянная времени любой из n обмоток управления будет определяться по формуле , где Tоуi = Lоуi / Rоуi - электромагнитная постоянная времени i-й обмотки управления. Здесь Lоуi - собственная индуктивность i-й обмотки управления; Rоуi- собственное активное сопротивление i-й обмотки управления; Rуi - активное сопротивление цепи i-й обмотки управления; i - номер обмотки управления. Если на вход ЭМУ подают одновременно n управляющих напряжений, каждое из этих напряжений на свою обмотку управления, то приведенное к первой обмотке результирующее напряжение управления Δu'у1: , где Δuуi - изменение напряжения на i-й обмотке управления; wуi - число витков i-й обмотки управления. Для обеспечения хорошего запаса устойчивости систем автоматики, в которых используется ЭМУ, подбором значения Rш устанавливается недокомпенсация реакции якоря, при которой падение напряжения на эквивалентном внутреннем сопротивлении якорной цепи и цепи усилителя при номинальном токе якоря лежит в пределах 5 – 10 % от номинального выходного напряжения. Конструкция ЭМУ, их работа и характеристики более подробно изложены в работах /2, 3/. Вопросы для самопроверки
1. Какое преобразование энергии осуществляется электромашинным усилителем? 2. В качестве каких элементов систем автоматики используются электромашинные усилители поперечного поля? 3. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля без подмагничивающей обмотки? 4. Что удобно считать выходной и входной координатами электромашинного усилителя поперечного поля? 5. Сколько ступеней усиления мощности управляющего сигнала имеет электромашинный усилитель поперечного поля? 6. Каких значений может достигать коэффициент усиления мощности управляющего сигнала электромашинного усилителя поперечного поля? 7. Что такое коэффициент усиления напряжения электромашинного усилителя поперечного поля? 8. Что такое коэффициент усиления тока электромашинного усилителя поперечного поля? 9. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля с подмагничивающей обмоткой? 10. Какой процесс в магнитной цепи электромашинного усилителя поперечного поля обусловливает неоднозначность его характеристик управления? 11. Какие мероприятия позволяют уменьшить неоднозначность характеристик управления электромашинного усилителя поперечного поля? 12. Какой вид имеет передаточная функция электромашинного усилителя поперечного поля, когда входное напряжение управления подается только на первую обмотку управления, а выходная координата - ЭДС продольных щеток? 13. Что происходит с эквивалентной электромагнитной постоянной времени любой из обмоток управления в случае, если кроме нее источники управляющих напряжений подключены и к другим обмоткам управления электромашинного усилителя? 14. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи короткозамкнутых щеток электромашинного усилителя поперечного поля? 15. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи любой обмотки управления электромашинного усилителя поперечного поля?
cyberpedia.su Системы возбуждения генераторов постоянного тока. Характеристики генератора независимого возбужденияПоиск ЛекцийПо способу возбуждения Г постоянного тока делятся на : 1) Г независимого возбуждения – обмотка питается от независимого источника. Относится магнито-электрический Г.
2) Г параллельного возбуждения
3)Г последовательного возбуждения – протекает большой ток
4) Г смешанного возбуждения
Характеристики Г независимого возбуждения: 1) х-ка х.х. Расчётная х.х.х. поводится как средняя линия между нисходящими и восходящими линиями петли гистерезиса.
2) х-ка к.з. n=nH=const
3)нагрузочная х-ка – зависимость напряжения от тока возбуждения при постоянном токе якоря. Ia=Iaн=const НХ имеент такую же форму, как х.х.х. Это объясняется падением напряжения в обмотке якоря и размагничив. действием реакции якоря.
4) внешняя х-ка Iв=Iвн=const Напряжение на зажимах Г при увеличении тока возб-я уменьшается из-за увеличивающегося падения напряжения якоря IaRa и размагничивающего действия реакции якоря.
5) регулировочная х-ка – зависимость Iв(Ia) при U=const=Uном. Показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении тока якоря напряжение оставалось постоянным.
2- при щётках, сдвинутых против направления движения Г. Ток возб-я увеличивается при увеличении тока якоря. МДС возб-я компенсирует падение напряжения в якоре и размагничивающее действие реакции якоря. 2. Способы пуска синхронного двигателя Способы пуска: 1) асинхронный пуск при номинальном или пониженном напряжении 2) пуск с помощью разгонного Д-ля небольшой мощности 3) частотный или синхронный пуск Асинхронный пуск. На роторе Д находится обмотка возбуждения и пусковая обмотка. Пусковая обмотка – это короткозамкнутая обмотка, аналогична обмотке типа беличья клетка. Она располагается в полюсных наконечниках Д и создаёт вращающ. м-т при пуске. В установившемся режиме эти обмотки являются демпферной (успокоительной). Обеспечив успокоение колебаний ротора, с Д при действии возмущений. Успокоительная обмотка также имеется в СГ, также выполняет функцию успокоения колебаний.
Rв – регулировочный реостат (регулятор в цепи возбуждения) Rг – дугогасительный реостат ОВВ – обмотка возбуждения возбудителя. Перед пуском переключатель П ставится в положение 1 и обм. возбуждения замыкается на гасительное сопротивление обмотки статора подключ. к сети выкл-ями В и Д-ем разгоняется в асинхронном режиме. После того, как частота вращения ротора достигнет подсинхронной величины (0,95 от nном), переключатель переводится в положение 2, в обмотку возб-я подается постоянный ток, двигатель втягивается в синхронизм. Гасительное сопротивление нужно для того, чтобы избежать пробоя изоляции. При разомкнутой обмотке возб-я в ней в процессе пуска наводится большая ЭДС. СД снабжают так же, как и Г, автоматом форсировки возб-я для повышения устойчивости работы. Прямой асинхронный пуск возможен, если пусковой ток Д < допустимого тока сети. 1) Iп<Iс.доп 2)Mп>Mс Если первое условие не выполняется, то применяется пуск при пониженном напряжении – реакторный или трансформаторный (при ↓U изменяется пусковой ток и пусковой момент). Для пуска небольших СД применяют схему пуска с наглухо подключенным возбудителем без гасительного сопротивления и без переключателя. В процессе пуска по этой схеме возбудитель В возбуждается при частоте вращения n≈0,5nном и дальнейший разгон Д сопровождается непрерывными толчками момента и тока. Пуск с помощью разгонного Д-ля. Разгонный Д – АД небольшой мощности находится на одном валу с СД. Он разгоняет СД до подсинхронной скорости, затем обмотка статора СД подключается к сети и в обмотке возб-я подаётся постоянный ток. Частотный пуск СД с самого начала возбуждения обмотка статора подключается к сети через пр-ль частоты. Частота плавно повышается от 0 до номин., при этом происход. плавный пуск, а величина ускорения может регулир. в зависимости от требований механизма, который приводят СД-лем.
Билет № 6 (18) poisk-ru.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
(28.8)
(28.9)
