Stromkreise mit Gleichstrom und ihre Eigenschaften

Eigenschaften Gleichstromgenerator werden hauptsächlich durch die Art und Weise bestimmt, wie die Erregerspule eingeschaltet wird. Es gibt unabhängige, parallele, serielle und gemischte Erregergeneratoren:

• unabhängig erregt: Die Feldspule wird von einer externen Gleichstromquelle (einer Batterie, einem kleinen Hilfsgenerator, der als Erreger oder Gleichrichter bezeichnet wird) gespeist.

• Parallelerregung: Die Feldwicklung ist parallel zur Ankerwicklung und der Last geschaltet,

• Reihenerregung: Die Feldwicklung ist mit der Ankerwicklung und der Last in Reihe geschaltet,

• mit gemischter Erregung: Es gibt zwei Feldwicklungen – parallel und in Reihe, die erste ist parallel zur Ankerwicklung geschaltet und die zweite ist in Reihe mit ihr und der Last geschaltet.

Parallel-, Reihen- und gemischterregte Generatoren sind selbsterregte Maschinen, da ihre Feldwicklungen vom Generator selbst mit Energie versorgt werden.

Erregung von Gleichstromgeneratoren: a – unabhängig, b – parallel, c – in Reihe, d – gemischt.

Alle aufgeführten Generatoren verfügen über das gleiche Gerät und unterscheiden sich lediglich im Aufbau der Erregerspulen. Die Spulen der unabhängigen und parallelen Erregung bestehen aus Draht mit kleinem Querschnitt, sie haben eine große Anzahl von Windungen, die Spule der Reihenerregung besteht aus Draht mit großem Querschnitt, es gibt eine kleine Anzahl von Windungen.

Die Eigenschaften von Gleichstromgeneratoren werden anhand ihrer Eigenschaften bewertet: Leerlauf, extern und Steuerung. Im Folgenden betrachten wir diese Eigenschaften für verschiedene Generatortypen.

Unabhängig erregter Generator

Ein charakteristisches Merkmal eines Generators mit unabhängiger Erregung (Abb. 1) besteht darin, dass sein Erregerstrom Iv nicht vom Ankerstrom Ii abhängt, sondern nur durch die der Erregerspule zugeführte Spannung Uv und den Widerstand Rv des Erregerkreises bestimmt wird .

Reis. 1. Schematische Darstellung eines unabhängig erregten Generators

Normalerweise ist der Feldstrom gering und beträgt 2-5 % des Nennankerstroms. Um die Spannung des Generators zu regeln, wird häufig ein Rheostat zur Regelung von Rpv in den Stromkreis der Erregerwicklung einbezogen. Bei Lokomotiven wird der Strom Iv durch Änderung der Spannung Uv geregelt.

Leerlaufcharakteristik des Generators (Abb. 2, a) – die Abhängigkeit der Spannung Uo im Leerlauf vom Erregerstrom Ib ohne Last Rn, also bei In = Iya = 0 und bei konstanter Drehzahl n. Im Leerlauf, bei geöffnetem Lastkreis, ist die Generatorspannung Uo gleich e. usw. v. Eo = cEFn.

Da beim Entfernen der Leerlaufkennlinie die Drehzahl n unverändert bleibt, hängt die Spannung Uo nur vom magnetischen Fluss F ab.Daher ähnelt die Leerlaufcharakteristik der Abhängigkeit des Flusses F vom Erregerstrom Ia (der magnetischen Charakteristik des Magnetkreises des Generators).

Die Leerlaufcharakteristik kann experimentell leicht beseitigt werden, indem der Erregerstrom schrittweise von Null auf den Wert U0 = 1,25Unom erhöht und dann der Erregerstrom auf Null verringert wird. In diesem Fall werden aufsteigend 1 und absteigend 2 Zweige der Kennlinie erhalten. Die Divergenz dieser Zweige ist auf das Vorhandensein einer Hysterese im Magnetkreis der Maschine zurückzuführen. Wenn Iw = 0 in der Ankerwicklung, induziert der Fluss des remanenten Magnetismus ein remanentes d usw. mit Eost, der üblicherweise 2-4 % der Nennspannung Unenn beträgt.

Bei niedrigen Erregerströmen ist der magnetische Fluss der Maschine klein, daher ändern sich in diesem Bereich Fluss und Spannung Uo direkt proportional zum Erregerstrom, und der Anfangsteil dieser Kennlinie ist eine Gerade. Mit zunehmendem Erregerstrom gerät der Magnetkreis des Generators in die Sättigung und der Spannungsanstieg Uo verlangsamt sich. Je größer der Erregerstrom, desto stärker ist die Sättigung des Magnetkreises der Maschine und desto langsamer steigt die Spannung U0 an. Bei sehr hohen Erregerströmen steigt die Spannung Uo praktisch nicht mehr an.

Mithilfe der Leerlaufkennlinie können Sie den Wert der möglichen Spannung und magnetischen Eigenschaften der Maschine abschätzen. Die Nennspannung (im Reisepass angegeben) für Allzweckmaschinen entspricht dem gesättigten Teil der Kennlinie (dem „Knie“ dieser Kurve).In Lokomotivgeneratoren, die eine Spannungsregelung über einen weiten Bereich erfordern, werden sowohl krummlinige als auch geradlinige ungesättigte Teile der Kennlinie verwendet.

D. d. C. Die Maschine ändert sich proportional zur Drehzahl n, daher liegt für n2 < n1 die Leerlaufkennlinie unterhalb der Kurve für n1. Wenn sich die Drehrichtung des Generators ändert, ändert sich auch die Richtung von e. usw. c. Wird in der Ankerwicklung induziert und damit die Polarität der Bürsten.

Ein äußeres Merkmal des Generators (Abb. 2, b) ist die Abhängigkeit der Spannung U vom Laststrom In = Ia bei konstanter Drehzahl n und Erregerstrom Iv. Die Generatorspannung U ist immer kleiner als ihr e. usw. c. E durch den Wert des Spannungsabfalls in allen im Ankerkreis in Reihe geschalteten Wicklungen.

Mit zunehmender Generatorlast (Ankerwicklungsstrom IАЗ САМ – азЗ) sinkt die Generatorspannung aus zwei Gründen:

1) aufgrund eines Anstiegs des Spannungsabfalls im Ankerwicklungskreis,

2) aufgrund eines Rückgangs von e. usw. infolge der entmagnetisierenden Wirkung des Ankerflusses. Der Magnetfluss des Ankers schwächt den Hauptmagnetfluss Ф des Generators etwas, was zu einer leichten Abnahme seines e führt. usw. v. E beim Laden gegen e. usw. mit Eo im Leerlauf.

Die Spannungsänderung beim Übergang vom Leerlaufmodus zur Nennlast beträgt im betrachteten Generator 3 bis 8℅ der Nennlast.

Wenn Sie den externen Stromkreis sehr niederohmig schließen, also den Generator kurzschließen, sinkt seine Spannung auf Null.Der Strom in der Ankerwicklung Ik erreicht während eines Kurzschlusses einen unzulässigen Wert, bei dem die Ankerwicklung durchbrennen kann. Bei Maschinen mit geringer Leistung kann der Kurzschlussstrom das 10- bis 15-fache des Nennstroms betragen, bei Maschinen mit hoher Leistung kann dieses Verhältnis das 20- bis 25-fache erreichen.

Reis. 2. Eigenschaften eines Generators mit unabhängiger Erregung: a – Leerlauf, b – extern, c – Regelung

Die Regelcharakteristik des Generators (Abb. 2, c) ist die Abhängigkeit des Erregerstroms Iv vom Laststrom In bei konstanter Spannung U und Rotationsfrequenz n. Es zeigt, wie der Erregerstrom angepasst wird, um die Generatorspannung bei Laständerungen konstant zu halten. Offensichtlich ist es in diesem Fall mit zunehmender Last erforderlich, den Erregerstrom zu erhöhen.

Die Vorteile eines unabhängig erregten Generators liegen in der Möglichkeit, die Spannung über einen weiten Bereich von 0 bis Umax durch Änderung des Erregerstroms und einer kleinen Änderung der Generatorspannung unter Last anzupassen. Es ist jedoch eine externe Gleichstromquelle erforderlich, um die Feldspule mit Strom zu versorgen.

Generator mit Parallelerregung.

Bei diesem Generator (Abb. 3, a) verzweigt sich der Ankerwicklungsstrom Iya in den externen Lastkreis RH (Strom In) und in die Erregerwicklung (Strom Iv), der Strom Iv für Maschinen mittlerer und hoher Leistung beträgt 2-5 % des Nennwerts des Stroms in der Ankerwicklung. Die Maschine nutzt das Prinzip der Selbsterregung, bei dem die Erregerwicklung direkt von der Ankerwicklung des Generators gespeist wird. Eine Selbsterregung des Generators ist jedoch nur möglich, wenn eine Reihe von Bedingungen erfüllt sind.

1.Um den Selbsterregungsprozess des Generators zu starten, ist ein Restmagnetismus im Magnetkreis der Maschine erforderlich, der in der Ankerwicklung e induziert. usw. Dorf Ost. Dieses E. usw. v. sorgt dafür, dass durch den Stromkreis „Ankerwicklung – Erregerwicklung“ ein gewisser Anlaufstrom fließt.

2. Der von der Feldspule erzeugte magnetische Fluss muss entsprechend dem magnetischen Fluss des Restmagnetismus ausgerichtet sein. In diesem Fall erhöht sich im Prozess der Selbsterregung der Erregerstrom Iv und damit der magnetische Fluss Ф der Maschine e. usw. v. E. Dies wird so lange andauern, bis aufgrund der Sättigung des Magnetkreises der Maschine der weitere Anstieg von F und damit von E und Ib aufhört. Die Übereinstimmung der Richtung der angegebenen Flüsse wird durch den korrekten Anschluss der Erregerwicklung an die Ankerwicklung sichergestellt. Bei falschem Anschluss entmagnetisiert sich die Maschine (Restmagnetismus verschwindet) und z. usw. c. E sinkt auf Null.

3. Der Widerstand des RB-Erregerkreises muss unter einem bestimmten Grenzwert liegen, der als kritischer Widerstand bezeichnet wird. Für eine möglichst schnelle Erregung des Generators wird daher empfohlen, beim Einschalten des Generators den in Reihe mit der Erregerspule geschalteten Regelrheostat Rpv vollständig auszugeben (siehe Abb. 3, a). Diese Bedingung begrenzt auch den möglichen Regelbereich des Feldstroms und damit der Spannung des parallel erregten Generators. Normalerweise ist es möglich, die Generatorspannung zu reduzieren, indem der Stromkreiswiderstand der Feldwicklung nur auf (0,64–0,7) Unenn erhöht wird.

Reis. 3.Schematische Darstellung eines Generators mit paralleler Erregung (a) und äußere Eigenschaften von Generatoren mit unabhängiger und paralleler Erregung (b)

Es ist zu beachten, dass die Selbsterregung des Generators den Prozess der Erhöhung seines e erfordert. usw. mit E und Erregerstrom Ib trat im Leerlauf der Maschine auf. Andernfalls kann es aufgrund des niedrigen Wertes von Eost und des großen internen Spannungsabfalls im Ankerwicklungskreis dazu kommen, dass die an der Erregerwicklung anliegende Spannung auf nahezu Null sinkt und der Erregerstrom nicht ansteigen kann. Daher sollte die Last erst dann an den Generator angeschlossen werden, wenn die Spannung an seinen Klemmen nahe dem Nennwert liegt.

Wenn sich die Drehrichtung des Ankers ändert, ändert sich die Polarität der Bürsten und damit die Richtung des Stroms in der Feldwicklung, in diesem Fall wird der Generator entmagnetisiert.

Um dies zu vermeiden, ist es beim Ändern der Drehrichtung erforderlich, die Drähte zu vertauschen, die die Feldspule mit der Ankerspule verbinden.

Die äußere Kennlinie des Generators (Kurve 1 in Abb. 3, b) stellt die Abhängigkeit der Spannung U vom Laststrom In bei konstanten Werten der Drehzahl n und des Widerstands des Antriebskreises RB dar. Sie liegt unterhalb der äußeren Kennlinie des unabhängig erregten Generators (Kurve 2).

Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass es zusätzlich zu den gleichen zwei Gründen, die dazu führen, dass die Spannung bei zunehmender Last in einem unabhängig erregten Generator abnimmt (Spannungsabfall im Ankerkreis und die entmagnetisierende Wirkung der Ankerreaktion), einen dritten Grund gibt betrachteter Generator – Reduzierung des Erregerstroms.

Da der Erregerstrom IB = U / Rv, also von der Spannung U der Maschine abhängt, nimmt mit abnehmender Spannung aus diesen beiden Gründen der magnetische Fluss F und e ab. usw. v. Generator E, was zu einem weiteren Spannungsabfall führt. Der dem Punkt a entsprechende maximale Strom Icr wird als kritisch bezeichnet.

Wenn die Ankerwicklung kurzgeschlossen ist, ist der Strom Ic des parallel erregten Generators klein (Punkt b), da in diesem Modus die Spannung und der Erregerstrom Null sind. Daher wird der Kurzschlussstrom nur durch z. usw. vom Restmagnetismus und beträgt (0,4 ... 0,8) Inom .. Die äußere Charakteristik wird ab Punkt a in zwei Teile geteilt: oberer – arbeitender und unterer – nicht arbeitender.

Normalerweise wird nicht der gesamte Arbeitsteil genutzt, sondern nur ein bestimmter Abschnitt davon. Der Betrieb des Abschnitts ab der externen Kennlinie ist instabil, in diesem Fall geht die Maschine in den Modus über, der Punkt b entspricht, d.h. im Kurzschlussmodus.

Die Leerlaufkennlinie des Generators mit Parallelerregung wird bei unabhängiger Erregung ermittelt (wenn der Strom im Anker Iya = 0) und unterscheidet sich daher in keiner Weise von der entsprechenden Kennlinie für den Generator mit unabhängiger Erregung (siehe Abb. 2, a). Die Steuerkennlinie des Generators mit paralleler Erregung hat die gleiche Form wie die Kennlinie des Generators mit unabhängiger Erregung (siehe Abb. 2, c).

Parallelerregte Generatoren werden zur Versorgung elektrischer Verbraucher in Personenkraftwagen, Automobilen und Flugzeugen eingesetzt, beispielsweise Generatoren zum Antrieb von Elektrolokomotiven, Diesellokomotiven und Triebwagen sowie zum Laden von Akkumulatoren.

Reihenerregungsgenerator

In diesem Generator (Abb.4, a) Der Erregerstrom Iw ist gleich dem Laststrom In = Ia und die Spannung variiert erheblich, wenn sich der Laststrom ändert. Im Leerlauf wird im Generator eine kleine Emission induziert. usw. v. Eri, erzeugt durch den Fluss des Restmagnetismus (Abb. 4, b).

Mit zunehmendem Laststrom Ii = Iv = Iya nimmt der magnetische Fluss zu, z.B. usw. p. und Generatorspannung, dieser Anstieg setzt sich, wie bei anderen selbsterregten Maschinen (parallelerregter Generator), aufgrund der magnetischen Sättigung der Maschine bis zu einer gewissen Grenze fort.

Wenn der Laststrom über Icr ansteigt, beginnt die Generatorspannung zu sinken, da der Erregermagnetfluss aufgrund der Sättigung fast nicht mehr zunimmt und die entmagnetisierende Wirkung der Ankerreaktion und der Spannungsabfall im Ankerwicklungskreis IяΣRя weiter zunehmen. Normalerweise ist der Strom Icr viel höher als der Nennstrom. Der Generator kann nur auf einem Teil ab der äußeren Kennlinie stabil arbeiten, d.h. bei Lastströmen über dem Nennwert.

Da bei reihenerregten Generatoren die Spannung bei Laständerungen stark schwankt und im Leerlauf nahe Null liegt, sind sie für die Versorgung der meisten elektrischen Verbraucher ungeeignet. Sie werden nur beim elektrischen (rheostatischen) Bremsen von Reihenerregungsmotoren eingesetzt, die dann in den Generatorbetrieb überführt werden.

Reis. 4. Schematische Darstellung eines Reihenerregergenerators (a) und seiner äußeren Charakteristik (b)

Gemischter Erregergenerator.

In diesem Generator (Abb. 5, a) ist meistens die parallele Erregerspule die Hauptspule und die Reihenspule die Hilfsspule.Beide Spulen haben die gleiche Polarität und sind so verbunden, dass sich die von ihnen erzeugten magnetischen Flüsse addieren (konkordantes Schalten) oder subtrahieren (entgegengesetztes Schalten).

Ein Generator mit gemischter Erregung ermöglicht bei übereinstimmender Verschaltung seiner Feldwicklungen die Erzielung einer annähernd konstanten Spannung bei Laständerungen. Die äußere Charakteristik des Generators (Abb. 5, b) kann in erster Näherung als Summe der von jeder Erregerspule erzeugten Charakteristiken dargestellt werden.

Reis. 5. Schematische Darstellung eines Generators mit gemischter Erregung (a) und seiner äußeren Eigenschaften (b)

Wenn nur eine Parallelwicklung eingeschaltet ist, durch die der Erregerstrom Iв1 fließt, nimmt die Generatorspannung U mit zunehmendem Laststrom In allmählich ab (Kurve 1). Wenn eine Reihenwicklung eingeschaltet ist, durch die der Erregerstrom Iw2 = In fließt, die Spannung U steigt mit steigendem Strom In (Kurve 2).

Wenn wir die Anzahl der Windungen der Reihenwicklung so wählen, dass bei Nennlast die von ihr erzeugte Spannung ΔUPOSOL den gesamten Spannungsabfall ΔU kompensiert, wenn die Maschine mit nur einer Parallelwicklung arbeitet, dann ist es möglich, dies zu erreichen Die Spannung U bleibt nahezu unverändert, wenn der Laststrom von Null auf den Nennwert wechselt (Kurve 3). In der Praxis schwankt sie innerhalb von 2-3 %.

Durch Erhöhen der Windungszahl der Reihenwicklung ist es möglich, eine Kennlinie zu erhalten, bei der die Spannung UHOM im Leerlauf mehr Spannung Uo aufweist (Kurve 4). Diese Kennlinie bietet einen Ausgleich für den Spannungsabfall nicht nur im Innenwiderstand der Ankerkreis des Generators, sondern auch in der Verbindungsleitung zur Last. Wird die Reihenwicklung so eingeschaltet, dass der von ihr erzeugte magnetische Fluss dem Fluss der Parallelwicklung entgegengerichtet ist (Gegenkommutierung), dann fällt die äußere Kennlinie des Generators bei vielen Windungen der Reihenwicklung stark ab (Kurve 5).

Die umgekehrte Verbindung von Reihen- und Parallelfeldwicklungen wird in Schweißgeneratoren verwendet, die unter Bedingungen häufiger Kurzschlüsse arbeiten. Bei solchen Generatoren entmagnetisiert die Reihenwicklung im Kurzschlussfall die Maschine nahezu vollständig und reduziert den Kurzschlussstrom. auf einen für den Generator ungefährlichen Wert.

Bei manchen Diesellokomotiven werden als Erreger von Traktionsgeneratoren Generatoren mit gegensinnig angeschlossenen Feldwicklungen eingesetzt, sie sorgen für die Konstanz der vom Generator abgegebenen Leistung.

Auch bei elektrischen Gleichstromlokomotiven kommen solche Erreger zum Einsatz. Sie speisen die Feldwicklungen von Traktionsmotoren, die beim regenerativen Bremsen im Rekuperationsmodus arbeiten, und sorgen für steil abfallende äußere Kennlinien.

Die gemischte Generatorerregung ist ein typisches Beispiel für die Störungsregulierung.

Gleichstromgeneratoren werden häufig parallel geschaltet, um in einem gemeinsamen Netzwerk zu arbeiten.Voraussetzung für den Parallelbetrieb von Generatoren mit einer zur Nennleistung proportionalen Lastverteilung ist die Identität ihrer äußeren Eigenschaften. Bei der Verwendung von Generatoren mit gemischter Erregung müssen deren Reihenwicklungen zum Ausgleich der Ströme durch eine Ausgleichsleitung in einem gemeinsamen Block verbunden werden.