Что такое внешняя характеристика генератора
Внешняя характеристика генератора
Данная характеристика показывает, как изменяется напряжение на зажимах
генератора при изменении силы тока нагрузки, то есть внешняя характеристика генератора – это зависимость напряжения на зажимах (на щётках) генератора от силы тока, протекающего в обмотке якоря. Получим уравнение этой характеристики на основании расчётной схемы генератора (рис.6.4), для чего составим уравнение электрического равновесия якорной цепи и выразим потенциал точки Я1 (jЯ1) через потенциал точки Я2 (jЯ2):
Реактивное сопротивление обмотки якоря равно нулю (Хя = 0), так как ток постоянный.
Перепишем (6.14) в следующем виде:
Полученное уравнение (6.16) представляет собой уравнение внешней характеристики генератора.
Кроме того, на основании (6.1) можем записать:
, (6.18)
где wв – число витков обмотки возбуждения.
Графически внешняя характеристика генератора (то есть зависимость
U = f (Iя )) выглядит так, как показано на рис.6.5.
Пунктирной линией на рис.6.5 показана внешняя характеристика идеального генератора, у которого Rя = 0.
Вопросы для самоконтроля
1. Запишите и расшифруйте выражение внешней характеристики генератора.
2. Изобразите качественно внешнюю характеристику генератора.
3. Укажите путь улучшения внешней характеристики генератора.
Регулирование напряжения генератора
Напряжение на зажимах генератора, как видно из (6.16), зависит от значения э.д.с., наводимой в якоре, и силы тока в обмотке якоря (силы тока нагрузки). Э.д.с.,
которая индуктируется в якоре, как видно из (6.17), зависит от значения магнитного потока и скорости вращения якоря. Магнитный поток, как видно из (6.18), зависит от силы тока в обмотке возбуждения. Следовательно, регулировать напряжение на зажимах генератора можно следующим образом:
1) изменением силы тока в обмотке возбуждения (для этого используют реостат, включённый последовательно с обмоткой возбуждения);
2) изменением скорости вращения якоря.
Вопрос для самоконтроля
1. Перечислите способы регулирования напряжения на зажимах генератора,
укажите технические средства для их реализации.
6.7. Принципиальная электрическая схема
управления генератором
В соответствии с изложенным выше составляем принципиальную электрическую схему управления генератором (рис.6.6).
На данной схеме (рис.6.6) приведены следующие обозначения:
РВ – регулировочный реостат в цепи
возбуждения;
ОВ – обмотка возбуждения;
Ш1, Ш2 – зажимы обмотки возбуждения;
Я1, Я2 – зажимы обмотки якоря;
Я – якорь генератора;
w – угловая скорость вращения
вала генератора;
РA – амперметр, измеряющий силу тока нагрузки;
РV – вольтметр, измеряющий
напряжение на зажимах генератора;
РН – реостат нагрузки.
Пример 6.1
К генератору постоянного тока независимого возбуждения при неизменной угловой скорости подводится механическая мощность равная 7,0 кВт. Генератор развивает
электродвижущую силу равную 300 В. Сопротивление обмотки якоря генератора (включая сопротивление щёток) равно 1,5 Ом. Сопротивление цепи возбуждения генератора равно 270 Ом. На зажимы цепи возбуждения подаётся напряжение равное 270 В.
К генератору подключена нагрузка сопротивлением 13,5 Ом с помощью идеальной линии электропередачи. Потери мощности в механической системе генератора составляют 1,5 % от подводимой к валу мощности. Потери мощности в магнитопроводе генератора
составляют 3,0 % от подводимой к валу мощности. Добавочные потери составляют 0,1 % от подводимой к валу мощности.
Составить расчётные схемы якорной цепи с нагрузкой и цепи возбуждения.
Определить: силу тока в якорной цепи; мощность, развиваемую генератором; потери мощности в обмотке якоря; силу тока в цепи возбуждения; потери мощности в цепи возбуждения; потери мощности в механической системе; потери мощности в магнитопроводе;
суммарные потери мощности в генераторе; мощность, отдаваемую генератором в сеть (мощность нагрузки); электрический коэффициент полезного действия генератора; коэффициент полезного действия генератора как электромеханического преобразователя; электроэнергию, которую потребит нагрузка за 100 ч.
Построить в масштабе по двум точкам внешнюю характеристику генератора.
1. Составляем расчётную схему, состоящую из якорной цепи и цепи возбуждения:
 |
2. Определяем силу тока в якорной цепи:
.
3. Определяем мощность, развиваемую генератором:
.
4. Определяем потери мощности в обмотке якоря:
.
5. Определяем силу тока в цепи возбуждения:
.
6. Определяем потери мощности в цепи возбуждения:
.
7. Определяем потери мощности в механической системе:
.
8. Определяем потери мощности в магнитопроводе:
.
9. Определяем добавочные потери мощности в генераторе:
.
10. Определяем суммарные потери мощности в генераторе:
.
11. Определяем мощность, отдаваемую генератором в сеть (мощность нагрузки):
.
12. Определяем электрический коэффициент полезного действия генератора:
.
13. Определяем коэффициент полезного действия генератора
как электромеханического преобразователя:
.
14. Определяем электроэнергию, которую потребит нагрузка за 100 ч:
.
15. Рассчитываем и строим внешнюю характеристику генератора:
U = Е – RяIя = 300 – 1,5×Iя.
Вопросы для самоконтроля
1. Составьте принципиальную электрическую схему управления генератором
постоянного тока параллельного возбуждения.
2. Поясните, как регулируется напряжение на зажимах генератора
при изменении нагрузки, используя внешнюю характеристику генератора
и принципиальную схему управления.
Задания для самоконтроля
К генератору постоянного тока независимого возбуждения при неизменной угловой скорости подводится механическая мощность равная 5,0 кВт.
Генератор развивает электродвижущую силу равную 240 В. Сопротивление
обмотки якоря генератора (включая сопротивление щёток) равно 0,5 Ом.
Сопротивление цепи возбуждения равно 220 Ом. На зажимы цепи возбуждения подаётся напряжение равное 220 В.
К генератору подключена нагрузка сопротивлением 11,5 Омс помощью идеальной линии электропередачи. Потери мощности в механической системе генератора составляют 0,5 % от подводимой к валу мощности. Потери мощности в магнитопроводе генератора составляют 1,0 %от подводимой к валу мощности. Добавочные потери мощности в генераторе составляют 0,2 % от подводимой к валу мощности.
1. Составить расчётные схемы якорной цепи с нагрузкой и цепи возбуждения.
2. Определить силу тока в якорной цепи.
3. Определить мощность, развиваемую генератором.
4. Определить потери мощности в обмотке якоря.
5. Определить силу тока в обмотке возбуждения.
6. Определить потери мощности в обмотке возбуждения
7. Определить потери мощности в механической системе.
8. Определить потери мощности в магнитопроводе.
9. Определить добавочные потери мощности в генераторе.
10. Определить суммарные потери мощности в генераторе.
11. Определить мощность, отдаваемую генератором в сеть
(мощность нагрузки).
12. Определить электрический коэффициент полезного действия генератора.
13. Определить коэффициент полезного действия генератора
как электромеханического преобразователя.
14. Построить в масштабе по двум точкам внешнюю характеристику генератора.
15. Определить напряжение на зажимах генератора
при силе тока в якорной цепи равной 10 А.
16. Определить электроэнергию, которую потребит нагрузка за 10 ч.
Что такое внешняя характеристика генератора
4.4. Генераторы постоянного тока
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают генераторы:
— с независимым возбуждением;
— с параллельным возбуждением;
— с последовательным возбуждением (сериесный);
Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.
Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.
Рис. 4.8. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением (а) и его характеристика холостого хода (б)
Характеристика холостого хода U 0 =f(I в ) при I н =0 и n=const (рис. 4.8б). Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. E ост составляет 2. 4 % от U ном.
Рис. 4.9. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора с независимым возбуждением
Внешней характеристикой называется зависимость U=f(I н ) при n=const и I н =const (рис. 4.9а). Под нагрузкой напряжение генератора
С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:
— из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении ∑r машины;
— из-за уменьшения ЭДС E в результате размагничивающего действия реакции якоря.
Величина составляет 3. 8 %.
В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 4.10а) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.
Регулировочной характеристикой генератора (рис. 4.9б) называется зависимость тока возбуждения I в от тока якоря I а при постоянном напряжении U и скорости n. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.
Рис. 4.10. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а); характер изменения ЭДС и тока возбуждения генератора в процессе возбуждения (б)
Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи.
Для режима холостого хода генератора:
Степень устойчивости рассматриваемого режима будет определяться производной:
Рис. 4.11. Внешние характеристики генераторов с независимым (верхняя кривая) и параллельным (нижняя кривая) возбуждением
Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива.
Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением.
Рис. 4.12. Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)
Внешняя характеристика (кривая 1) и характеристика холостого хода (кривая 2) изображены на рис. 4.12б. Ввиду того, что в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, такие генераторы практически не применяются. Их используют лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.
В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔU посл компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до I ном оставалось практически неизменным.
Генераторы постоянного тока имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики они снабжаются небольшой последовательной обмоткой (1-3 витка на полюс). При необходимости такие генераторы могут включаться и по схеме с независимым возбуждением.
Генераторы с независимым возбуждением используются только при большой мощности и низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотка возбуждения рассчитывается на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.
Генераторы независимого возбуждения
Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения iв, 3) ток якоря Iа или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.
Обычно генераторы работают при n = const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при n = nн = const.
Существуют пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.
Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.
Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.
Характеристика холостого хода
Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (iв) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или электродвижущей силы (э. д. с.) якоря Eа от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, P2 = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рисунка 1, а при отключенном рубильнике.
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)
| Рисунок 2. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения |
Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения U = (1,15 – 1,25) Uн (точка а кривой на рисунке 2). При уменьшении iв напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При iв = 0 генератор развивает некоторое напряжение U00 = Об (рисунок 2), обычно равное 2 – 3% от Uн, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить iв в обратном направлении, начиная с iв = 0, то при некотором iв
Внешняя, регулировочная и характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока с независимым возбуждением
Внешняя характеристика генератора
Для того чтобы снять внешнюю характеристику генератора постоянного тока с независимым возбуждением, приводим генератор во вращение, и с помощью обмотки возбуждения устанавливаем ток Iв таким, чтобы получить Uхх. Затем с помощью ключа K подключаем сопротивление нагрузки и изменяем ток в цепи якоря. Снимаем внешнюю характеристику.
Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением для получения нагрузочной, внешней и регулировочной характеристик.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Напряжение на якоре генератора у внешней характеристики снижается по тем же причинам, что и у нагрузочной характеристики.
Регулировочная характеристика генератора
Регулировочная характеристика снимается в следующей последовательности: генератор приводится во вращение от постороннего источника механической энергии, и с помощью тока в обмотке возбуждения на якоре генератора устанавливается напряжение на 20-25% меньше номинального. Делается это для того чтобы иметь возможность регулировать ток в обмотке возбуждения до номинального значения. Напряжение будет поддерживаться постоянным в течение всего опыта. Затем подключают нагрузку к обмотке якоря. Как только будет подключена нагрузка, по якорю начнет протекать ток I1. В результате протекания тока уменьшится напряжение на якоре генератора. Чтобы поднять напряжение до установленного постоянного значения, нужно увеличить ток в обмотке возбуждения, чтобы напряжение опять стало максимальным, и произвести замеры тока якоря и тока статора.
Регулировочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Регулировочная характеристика имеет две ветви: восходящую и нисходящую. В результате перемагничивания магнитной системы на нисходящей ветви требуется меньшее значение тока возбуждения при одном и том же значении тока нагрузки для установления требуемого постоянного напряжения.
Характеристика короткого замыкания генератора
Схема испытания генератора в режиме короткого замыкания такая же, как и в режиме холостого хода, но вместо вольтметра в цепи якоря нужно установить амперметр.
Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением для получения характеристики короткого замыкания.
Как только генератор, якорь которого замкнут через амперметр, будет приведен во вращение от источника механической энергии, по обмотке якоря уже при токе возбуждения равным нулю, начнет протекать ток. Этот ток вызван остаточным магнетизмом и составляет приблизительно 30-40% от номинального тока.
Из-за наличия остаточного магнетизма, категорически запрещается проводить какие-либо работы на машинах постоянного тока, у которого вращается якорь.
Увеличиваем ток в обмотке возбуждения до тех пор, пока ток в якоре не достигнет номинального значения.
На этом опыт короткого замыкания заканчивается.
Так как ток в обмотке возбуждения будет значительно меньше номинального, магнитная система будет не насыщена, и характеристика короткого замыкания представляет собой прямую линию.
Характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока с независимым возбуждением.