Mạch điện một chiều và đặc điểm của chúng

Của cải máy phát điện một chiều chủ yếu được xác định bằng cách bật cuộn dây kích thích. Có các máy phát kích thích độc lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp:

• được kích thích độc lập: cuộn dây trường được cung cấp bởi nguồn DC bên ngoài (pin, máy phát phụ trợ nhỏ gọi là bộ kích thích hoặc bộ chỉnh lưu),

• kích thích song song: cuộn kích từ được nối song song với cuộn dây phần ứng và tải,

• kích thích nối tiếp: cuộn dây trường được kết nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng và tải,

• với kích thích hỗn hợp: có hai cuộn dây trường - song song và nối tiếp, cuộn thứ nhất được nối song song với cuộn dây phần ứng và cuộn thứ hai được nối nối tiếp với nó và tải.

Máy phát điện kích thích song song, nối tiếp và hỗn hợp là máy điện tự kích thích vì cuộn dây kích từ của chúng được cung cấp năng lượng bởi chính máy phát điện.

Kích thích máy phát điện một chiều: a — độc lập, b — song song, c — nối tiếp, d — hỗn hợp.

Tất cả các máy phát được liệt kê đều có cùng một thiết bị và chỉ khác nhau về cấu tạo của các cuộn dây kích thích. Cuộn dây kích từ độc lập và song song làm bằng dây có tiết diện nhỏ, số vòng dây lớn, cuộn dây kích từ nối tiếp làm bằng dây tiết diện lớn, số vòng dây nhỏ.

Các thuộc tính của máy phát điện một chiều được đánh giá bởi các đặc tính của chúng: nhàn rỗi, bên ngoài và điều khiển. Dưới đây chúng ta sẽ xem xét các đặc điểm này cho các loại máy phát điện khác nhau.

Máy phát điện kích từ độc lập

Một tính năng đặc trưng của máy phát có kích thích độc lập (Hình 1) là dòng điện kích thích Iv của nó không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng Ii, mà chỉ được xác định bởi điện áp Uv cung cấp cho cuộn kích thích và điện trở Rv của mạch kích thích .

Cơm. 1. Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập

Thông thường, dòng điện kích từ thấp và chiếm khoảng 2-5% dòng điện phần ứng định mức. Để điều chỉnh điện áp của máy phát, một biến trở để điều chỉnh Rpv thường được bao gồm trong mạch của cuộn dây kích thích. Trên đầu máy xe lửa, dòng điện Iv được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp Uv.

Đặc tính không tải của máy phát (Hình 2, a) — sự phụ thuộc của điện áp Uo ở chế độ không tải vào dòng điện kích thích Ib khi không có tải Rn, nghĩa là tại In = Iya = 0 và ở tốc độ quay không đổi n. Khi không tải, khi mạch tải hở, điện áp máy phát Uo bằng e. vân vân. v.Eo = cEFn.

Vì khi bỏ đặc tính tốc độ không tải thì tốc độ n được giữ nguyên nên hiệu điện thế Uo chỉ phụ thuộc vào từ thông F.Do đó, đặc tính không tải sẽ tương tự như sự phụ thuộc của từ thông F vào dòng kích thích Ia (đặc tính từ của mạch từ của máy phát điện).

Đặc tính không tải có thể dễ dàng loại bỏ bằng thực nghiệm bằng cách tăng dần dòng kích thích từ 0 đến giá trị trong đó U0 = 1,25Unom và sau đó giảm dòng kích thích về 0. Trong trường hợp này, thu được 1 nhánh tăng dần và 2 nhánh giảm dần của đặc tính. Sự phân kỳ của các nhánh này là do sự hiện diện của hiện tượng trễ trong mạch từ của máy. Khi Iw = 0 trong dây quấn phần ứng, từ thông từ dư sinh ra từ dư d, v.v. với Eost, thường là 2-4% điện áp danh định Unom.

Ở dòng điện kích thích thấp, từ thông của máy nhỏ, do đó, trong vùng này, từ thông và điện áp Uo thay đổi tỷ lệ thuận với dòng điện kích thích và phần ban đầu của đặc tính này là một đường thẳng. Khi dòng điện kích thích tăng lên, mạch từ của máy phát bão hòa và sự tăng điện áp Uo chậm lại. Dòng điện kích từ càng lớn thì độ bão hòa mạch từ của máy càng mạnh và điện áp U0 tăng càng chậm. Ở dòng điện kích thích rất cao, điện áp Uo thực tế ngừng tăng.

Đặc tính không tải cho phép bạn ước tính giá trị của các đặc tính điện áp và từ tính có thể có của máy. Điện áp danh định (được chỉ định trong hộ chiếu) cho các máy đa năng tương ứng với phần bão hòa của đặc tính ("đầu gối" của đường cong này).Trong các máy phát đầu máy yêu cầu điều chỉnh điện áp trong phạm vi rộng, cả hai phần không bão hòa đường cong và đường thẳng của đặc tính đều được sử dụng.

D. d. C. máy thay đổi tỷ lệ thuận với tốc độ n, do đó, với n2 < n1, đặc tính không tải nằm bên dưới đường cong đối với n1. Khi chiều quay của máy phát điện thay đổi thì chiều của e thay đổi. vân vân. c.Được cảm ứng trong cuộn dây phần ứng và do đó tạo ra cực tính của chổi than.

Một đặc tính bên ngoài của máy phát (Hình 2, b) là sự phụ thuộc của điện áp U vào dòng tải In = Ia ở tốc độ không đổi n và dòng kích thích Iv. Điện áp máy phát U luôn nhỏ hơn e của nó. vân vân. c.E bằng trị số hiệu điện thế giảm ở tất cả các cuộn dây mắc nối tiếp trong mạch phần ứng.

Khi tải máy phát tăng (dòng điện cuộn dây phần ứng IАЗ САМ — азЗ), điện áp máy phát giảm vì hai lý do:

1) do tăng điện áp rơi trong mạch cuộn dây phần ứng,

2) do giảm e. vân vân. là kết quả của hoạt động khử từ của từ thông phần ứng. Từ thông của phần ứng phần nào làm suy yếu từ thông chính Ф của máy phát, dẫn đến e của nó giảm nhẹ. vân vân. v. E khi tải so với e. vân vân. với Eo lúc nhàn rỗi.

Sự thay đổi điện áp trong quá trình chuyển đổi từ chế độ không tải sang tải định mức trong máy phát được xem xét là 3 — 8℅ định mức.

Nếu bạn đóng mạch ngoài ở điện trở rất thấp, nghĩa là làm ngắn mạch máy phát điện, thì điện áp của nó sẽ giảm xuống bằng không.Dòng điện trong cuộn dây phần ứng Ik trong thời gian ngắn mạch sẽ đạt đến giá trị không thể chấp nhận được tại đó cuộn dây phần ứng có thể bị cháy. Ở máy công suất thấp, dòng điện ngắn mạch có thể gấp 10-15 lần dòng định mức, ở máy công suất lớn, tỷ lệ này có thể đạt tới 20-25.

Cơm. 2. Đặc điểm của máy phát điện có kích thích độc lập: a — chạy không tải, b — bên ngoài, c — điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh của máy phát (Hình 2, c) là sự phụ thuộc của dòng kích thích Iv vào dòng tải In ở điện áp không đổi U và tần số quay n. Nó chỉ ra cách điều chỉnh dòng điện kích thích để giữ cho điện áp máy phát không đổi khi tải thay đổi. Rõ ràng, trong trường hợp này, khi tải tăng, cần phải tăng dòng kích từ.

Ưu điểm của máy phát điện kích từ độc lập là khả năng điều chỉnh điện áp trong dải rộng từ 0 đến Umax bằng cách thay đổi dòng kích từ và một sự thay đổi nhỏ điện áp máy phát dưới tải. Tuy nhiên, nó yêu cầu một nguồn DC bên ngoài để cấp nguồn cho cuộn dây trường.

Máy phát điện kích từ song song.

Trong máy phát này (Hình 3, a) dòng điện cuộn dây phần ứng Iya phân nhánh vào mạch tải ngoài RH (dòng điện In) và vào cuộn dây kích thích (dòng điện Iv), dòng điện Iv đối với máy công suất trung bình và cao là 2-5 % giá trị định mức của cường độ dòng điện trong dây quấn phần ứng Máy sử dụng nguyên lý tự kích, trong đó dây quấn kích từ được cấp trực tiếp từ dây quấn phần ứng của máy phát. Tuy nhiên, chỉ có thể tự kích thích máy phát nếu một số điều kiện được đáp ứng.

1.Để bắt đầu quá trình tự kích của máy phát điện cần phải có một từ thông dư trong mạch từ của máy điện, từ thông này sinh ra e trong dây quấn phần ứng. vân vân. làng Eost. e này v.v. v. cung cấp một dòng điện khởi động qua mạch "cuộn dây phần ứng - cuộn dây kích thích".

2. Từ thông do cuộn kích từ tạo ra phải có hướng phù hợp với từ thông của từ dư. Trong trường hợp này, trong quá trình tự kích thích, dòng điện kích thích Iv và do đó từ thông Ф của máy e sẽ tăng lên. vân vân. v. E. Điều này sẽ tiếp tục cho đến khi, do sự bão hòa của mạch từ của máy, F tăng thêm và do đó E và Ib dừng lại. Sự trùng hợp về hướng của các từ thông chỉ định được đảm bảo bằng cách nối đúng cuộn dây kích thích với cuộn dây phần ứng. Nếu kết nối không chính xác, máy sẽ khử từ (từ tính dư biến mất) và e. vân vân. c.E giảm đến không.

3. Điện trở của mạch kích từ RB phải nhỏ hơn một giá trị giới hạn nào đó gọi là điện trở tới hạn. Do đó, để kích thích máy phát nhanh nhất, khi bật máy phát, nên phát hết công suất của biến trở điều chỉnh Rpv được nối nối tiếp với cuộn dây kích thích (xem Hình 3, a). Điều kiện này cũng giới hạn phạm vi điều chỉnh có thể có của dòng kích từ và do đó giới hạn điện áp của máy phát kích từ song song. Thông thường có thể giảm điện áp máy phát bằng cách tăng điện trở mạch của cuộn dây trường chỉ đến (0,64-0,7) Unom.

Cơm. 3.Sơ đồ máy phát kích từ song song (a) và các đặc tính bên ngoài của máy phát kích từ độc lập và song song (b)

Cần lưu ý rằng quá trình tự kích thích của máy phát đòi hỏi quá trình tăng e của nó. vân vân. với E và dòng điện kích thích Ib xuất hiện khi máy chạy không tải. Mặt khác, do giá trị Eost thấp và điện áp bên trong giảm trong mạch cuộn dây phần ứng lớn, điện áp đặt vào cuộn dây kích thích có thể giảm xuống gần như bằng không và dòng điện kích thích không thể tăng. Do đó, tải chỉ nên được kết nối với máy phát sau khi điện áp ở các cực của nó gần với điện áp danh định.

Khi hướng quay của phần ứng thay đổi, cực tính của chổi than thay đổi và do đó, hướng của dòng điện trong cuộn dây trường, trong trường hợp này, máy phát bị khử từ.

Để tránh hiện tượng này, khi đổi chiều quay cần chuyển dây nối cuộn kích từ với cuộn kích từ.

Đặc tính bên ngoài của máy phát (đường cong 1 trong Hình 3, b) thể hiện sự phụ thuộc của điện áp U vào dòng tải In ở các giá trị không đổi của tốc độ n và điện trở của mạch truyền động RB. Nó nằm bên dưới đặc tính bên ngoài của máy phát kích thích độc lập (đường cong 2).

Điều này được giải thích là ngoài hai nguyên nhân giống nhau làm cho điện áp giảm khi tải tăng trong máy phát điện kích từ độc lập (sụt áp trong mạch phần ứng và hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng), còn có nguyên nhân thứ ba trong được coi là máy phát - giảm dòng điện kích thích.

Do dòng điện kích thích IB = U / Rv, nghĩa là phụ thuộc vào điện áp U của máy, sau đó khi điện áp giảm, vì hai lý do này, từ thông F và e giảm. vân vân. v. máy phát điện E, dẫn đến điện áp tiếp tục giảm. Dòng điện cực đại Icr tương ứng với điểm a được gọi là tới hạn.

Khi ngắn mạch cuộn dây phần ứng, dòng điện Ic của máy phát điện kích từ song song nhỏ (điểm b), vì ở chế độ này điện áp và dòng điện kích từ bằng không. Do đó dòng điện ngắn mạch chỉ được tạo ra bởi e. vân vân. từ dư từ tính và là (0,4 ... 0,8) Inom .. Đặc tính bên ngoài được chia từ điểm a thành hai phần: phần trên — hoạt động và phần dưới — không hoạt động.

Thông thường, không phải toàn bộ phần làm việc được sử dụng mà chỉ một phần nhất định của nó được sử dụng. Hoạt động của phần ab của đặc tính ngoài không ổn định, trong trường hợp này, máy chuyển sang chế độ tương ứng với điểm b, tức là ở chế độ ngắn mạch.

Đặc tính không tải của máy phát có kích thích song song được lấy với kích thích độc lập (khi dòng điện trong phần ứng Iya = 0), do đó, nó không khác với đặc tính tương ứng của máy phát có kích thích độc lập (xem Hình. 2, một). Đặc tính điều khiển của máy phát kích từ song song có dạng giống như đặc tính điều khiển của máy phát kích từ độc lập (xem Hình 2, c).

Máy phát điện kích thích song song được sử dụng để cung cấp năng lượng cho người tiêu dùng điện trong ô tô chở khách, ô tô và máy bay, chẳng hạn như máy phát điện để chạy đầu máy điện, đầu máy diesel và toa xe lửa, và để sạc pin dự trữ.

Dòng kích thích máy phát điện

Trong máy phát điện này (Hình.4, a) dòng điện kích thích Iw bằng dòng điện tải In = Ia và điện áp thay đổi đáng kể khi dòng điện tải thay đổi. Ở chế độ chờ, một lượng khí thải nhỏ được tạo ra trong máy phát điện. vân vân. v. Eri, được tạo ra bởi dòng từ tính dư (Hình 4, b).

Khi dòng tải tăng Ii = Iv = Iya, từ thông tăng, vd. vân vân. p.và điện áp máy phát, sự gia tăng này, giống như ở các máy tự kích từ khác (máy phát kích thích song song), tiếp tục đến một giới hạn nhất định do bão hòa từ tính của máy.

Khi dòng tải tăng trên Icr, điện áp máy phát bắt đầu giảm, do từ thông kích thích do bão hòa gần như ngừng tăng, và hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng và điện áp rơi trong mạch cuộn dây phần ứng IяΣRя tiếp tục tăng . Thông thường dòng điện Icr cao hơn nhiều so với dòng điện định mức. Máy phát điện chỉ có thể hoạt động ổn định trên phần ab của đặc tính bên ngoài, tức là ở dòng tải cao hơn danh nghĩa.

Vì trong các máy phát kích thích nối tiếp, điện áp thay đổi rất nhiều khi tải thay đổi và gần bằng 0 khi vận hành không tải, nên chúng không phù hợp để cung cấp cho hầu hết người tiêu dùng điện. Chúng chỉ được sử dụng với phanh điện (biến trở) của động cơ kích thích nối tiếp, sau đó được chuyển sang chế độ máy phát.

Cơm. 4. Sơ đồ máy phát kích thích nối tiếp (a) và đặc tính bên ngoài của nó (b)

Máy phát điện kích thích hỗn hợp.

Trong máy phát điện này (Hình 5, a), thường thì cuộn dây kích thích song song là cuộn dây chính và cuộn dây nối tiếp là cuộn dây phụ.Cả hai cuộn dây đều có cùng cực và được kết nối sao cho từ thông do chúng tạo ra cộng (chuyển mạch phù hợp) hoặc trừ (chuyển mạch ngược chiều).

Một máy phát kích thích hỗn hợp, khi các cuộn dây kích từ của nó được kết nối theo thỏa thuận, cho phép đạt được điện áp xấp xỉ không đổi khi tải thay đổi. Đặc tính bên ngoài của máy phát (Hình 5, b) trong phép tính gần đúng đầu tiên có thể được biểu diễn dưới dạng tổng các đặc tính được tạo bởi mỗi cuộn dây kích thích.

Cơm. 5. Sơ đồ máy phát điện có kích từ hỗn hợp (a) và các đặc tính bên ngoài của nó (b)

Khi chỉ bật một cuộn dây song song có dòng điện kích thích Iв1 chạy qua, điện áp máy phát U giảm dần khi dòng điện tải In tăng (đường cong 1). Khi bật một cuộn dây nối tiếp, dòng điện kích thích Iw2 = In , chạy qua đó điện áp U tăng khi tăng dòng điện In (đường cong 2).

Nếu ta chọn số vòng dây của cuộn dây nối tiếp sao cho ở tải danh định, điện áp do nó tạo ra ΔUPOSOL bù cho tổng điện áp rơi ΔU, khi máy hoạt động chỉ với một cuộn dây song song thì có thể đạt được điều đó. điện áp U hầu như không thay đổi, khi dòng tải thay đổi từ giá trị không đến giá trị định mức (đường cong 3). Trong thực tế, nó thay đổi trong khoảng 2-3%.

Bằng cách tăng số vòng dây của cuộn dây nối tiếp, có thể đạt được đặc tính trong đó điện áp UHOM sẽ có nhiều điện áp Uo hơn khi không hoạt động (đường cong 4), đặc tính này cung cấp khả năng bù cho sự sụt giảm điện áp không chỉ ở điện trở trong của mạch phần ứng của máy phát mà còn trong đường dây nối nó với tải. Nếu bật cuộn dây nối tiếp sao cho từ thông do nó tạo ra hướng ngược với từ thông của cuộn dây song song (chuyển mạch ngược chiều), thì đặc tính bên ngoài của máy phát có số vòng dây nối tiếp lớn sẽ giảm mạnh (đường cong 5).

Kết nối ngược lại của cuộn dây trường nối tiếp và song song được sử dụng trong các máy phát điện hàn hoạt động trong điều kiện ngắn mạch thường xuyên. Trong các máy phát điện như vậy, trong trường hợp ngắn mạch, cuộn dây nối tiếp sẽ khử từ gần như hoàn toàn máy và giảm dòng điện ngắn mạch. đến một giá trị an toàn cho trình tạo.

Máy phát điện có cuộn dây trường với các kết nối đối diện được sử dụng trên một số đầu máy xe lửa diesel làm bộ kích thích của máy phát điện lực kéo, chúng đảm bảo sự ổn định của công suất do máy phát điện cung cấp.

Những tác nhân gây bệnh như vậy cũng được sử dụng trên đầu máy xe lửa điện một chiều. Chúng cung cấp cho cuộn dây trường của động cơ kéo hoạt động ở chế độ tái tạo trong quá trình phanh tái tạo và cung cấp các đặc tính bên ngoài khi đổ dốc.

Kích thích hỗn hợp máy phát điện là một ví dụ điển hình của điều chỉnh nhiễu loạn.

Máy phát điện một chiều thường được kết nối song song để hoạt động trong một mạng chung.Điều kiện tiên quyết để vận hành song song các máy phát có phân bố tải tỷ lệ với công suất định mức là sự đồng nhất các đặc tính bên ngoài của chúng. Khi sử dụng các máy phát có kích thích hỗn hợp, các cuộn dây nối tiếp của chúng để cân bằng dòng điện phải được nối trong một khối chung bằng một dây cân bằng.