Circuiti elettrici in corrente continua e loro caratteristiche

Proprietà generatore di corrente continua sono principalmente determinati dal modo in cui la bobina di eccitazione è accesa. Esistono generatori di eccitazione indipendenti, paralleli, in serie e misti:

• eccitato in modo indipendente: la bobina di campo è alimentata da una sorgente CC esterna (una batteria, un piccolo generatore ausiliario chiamato eccitatore o raddrizzatore),

• eccitazione parallela: l'avvolgimento di campo è collegato in parallelo con l'avvolgimento dell'indotto e il carico,

• eccitazione in serie: l'avvolgimento di campo è collegato in serie con l'avvolgimento dell'indotto e il carico,

• con eccitazione mista: ci sono due avvolgimenti di campo: parallelo e serie, il primo è collegato in parallelo con l'avvolgimento dell'indotto e il secondo è collegato in serie con esso e il carico.

I generatori ad eccitazione parallela, in serie e mista sono macchine autoeccitate perché i loro avvolgimenti di campo sono eccitati dal generatore stesso.

Eccitazione di generatori DC: a — indipendente, b — parallelo, c — serie, d — misto.

Tutti i generatori elencati hanno lo stesso dispositivo e si differenziano solo per la costruzione delle bobine di eccitazione. Le bobine di eccitazione indipendente e parallela sono realizzate in filo di piccola sezione, hanno un gran numero di spire, la bobina di eccitazione in serie è di filo di grande sezione, c'è un piccolo numero di spire.

Le proprietà dei generatori CC sono valutate in base alle loro caratteristiche: inattivo, esterno e controllo. Di seguito esamineremo queste caratteristiche per diversi tipi di generatori.

Generatore ad eccitazione indipendente

Una caratteristica di un generatore con eccitazione indipendente (Fig. 1) è che la sua corrente di eccitazione Iv non dipende dalla corrente di armatura Ii, ma è determinata solo dalla tensione Uv fornita alla bobina di eccitazione e dalla resistenza Rv del circuito di eccitazione .

Riso. 1. Diagramma schematico di un generatore ad eccitazione indipendente

Solitamente la corrente di campo è bassa e ammonta al 2-5% della corrente di armatura nominale. Per regolare la tensione del generatore, nel circuito dell'avvolgimento di eccitazione è spesso incluso un reostato per la regolazione Rpv. Sulle locomotive la corrente Iv viene regolata variando la tensione Uv.

Caratteristica inattiva del generatore (Fig. 2, a) - la dipendenza della tensione Uo al minimo dalla corrente di eccitazione Ib in assenza di carico Rn, cioè a In = Iya = 0 e ad una velocità di rotazione costante n. A vuoto, quando il circuito di carico è aperto, la tensione del generatore Uo è pari a e. eccetera. v.Eo = cEFn.

Poiché rimuovendo la caratteristica del minimo, la velocità n viene mantenuta invariata, la tensione Uo dipende solo dal flusso magnetico F.Pertanto, la caratteristica di riposo sarà simile alla dipendenza del flusso F dalla corrente di eccitazione Ia (la caratteristica magnetica del circuito magnetico del generatore).

La caratteristica a vuoto può essere facilmente eliminata sperimentalmente aumentando gradualmente la corrente di eccitazione da zero al valore dove U0 = 1.25Unom e poi diminuendo la corrente di eccitazione a zero. In questo caso si ottengono rami ascendenti 1 e discendenti 2 della caratteristica. La divergenza di questi rami è dovuta alla presenza di isteresi nel circuito magnetico della macchina. Quando Iw = 0 nell'avvolgimento dell'armatura, il flusso del magnetismo residuo induce un residuo d, ecc. con Eost, che di solito è il 2-4% della tensione nominale Unom.

A basse correnti di eccitazione, il flusso magnetico della macchina è piccolo, quindi in questa regione il flusso e la tensione Uo cambiano in proporzione diretta alla corrente di eccitazione e la parte iniziale di questa caratteristica è una linea retta. All'aumentare della corrente di eccitazione, il circuito magnetico del generatore si satura e l'aumento della tensione Uo rallenta. Maggiore è la corrente di eccitazione, più forte è la saturazione del circuito magnetico della macchina e più lentamente aumenta la tensione U0. A correnti di eccitazione molto elevate, la tensione Uo praticamente smette di aumentare.

La caratteristica a vuoto consente di stimare il valore delle possibili proprietà di tensione e magnetiche della macchina. La tensione nominale (indicata nel passaporto) per le macchine per uso generico corrisponde alla parte satura della caratteristica (il "ginocchio" di questa curva).Nei generatori di locomotive che richiedono una regolazione della tensione ad ampio raggio, vengono utilizzate porzioni insature della caratteristica sia curvilinee che rettilinee.

D. d. C. la macchina cambia in proporzione alla velocità n, quindi, per n2 < n1, la caratteristica del minimo si trova al di sotto della curva per n1. Quando la direzione di rotazione del generatore cambia, la direzione di e cambia. eccetera. c. È indotto nell'avvolgimento dell'indotto, e quindi la polarità delle spazzole.

Una caratteristica esterna del generatore (Fig. 2, b) è la dipendenza della tensione U dalla corrente di carico In = Ia a velocità costante n e corrente di eccitazione Iv. La tensione del generatore U è sempre inferiore alla sua e. eccetera. c. E per il valore della caduta di tensione in tutti gli avvolgimenti collegati in serie nel circuito dell'indotto.

All'aumentare del carico del generatore (corrente di avvolgimento dell'indotto IАЗ САМ — азЗ), la tensione del generatore diminuisce per due motivi:

1) a causa di un aumento della caduta di tensione nel circuito di avvolgimento dell'indotto,

2) a causa di una diminuzione di e. eccetera. per effetto dell'azione smagnetizzante del flusso di armatura. Il flusso magnetico dell'armatura indebolisce in qualche modo il flusso magnetico principale Ф del generatore, il che porta a una leggera diminuzione della sua e. eccetera. v. E quando si carica contro e. eccetera. con Eo al minimo.

La variazione di tensione durante il passaggio dalla modalità inattiva al carico nominale nel generatore considerato è 3 — 8℅ del valore nominale.

Se chiudi il circuito esterno a una resistenza molto bassa, cioè cortocircuiti il ​​generatore, la sua tensione scende a zero.La corrente nell'avvolgimento dell'indotto Ik durante un cortocircuito raggiungerà un valore inaccettabile al quale l'avvolgimento dell'indotto potrebbe bruciarsi. Nelle macchine a bassa potenza, la corrente di cortocircuito può essere 10-15 volte la corrente nominale, nelle macchine ad alta potenza, questo rapporto può raggiungere 20-25.

Riso. 2. Caratteristiche di un generatore con eccitazione indipendente: a - inattivo, b - esterno, c - regolazione

La caratteristica di regolazione del generatore (Fig. 2, c) è la dipendenza della corrente di eccitazione Iv dalla corrente di carico In a tensione costante U e frequenza di rotazione n. Mostra come regolare la corrente di eccitazione per mantenere costante la tensione del generatore al variare del carico. Ovviamente in questo caso all'aumentare del carico è necessario aumentare la corrente di eccitazione.

I vantaggi di un generatore ad eccitazione indipendente sono la capacità di regolare la tensione su un ampio intervallo da 0 a Umax modificando la corrente di eccitazione e una piccola variazione della tensione del generatore sotto carico. Tuttavia, richiede una sorgente CC esterna per alimentare la bobina di campo.

Generatore con eccitazione parallela.

In questo generatore (Fig. 3, a) la corrente di avvolgimento dell'armatura Iya si dirama nel circuito di carico esterno RH (corrente In) e nell'avvolgimento di eccitazione (corrente Iv), la corrente Iv per macchine di media e alta potenza è 2- 5 % del valore nominale della corrente nell'avvolgimento dell'indotto La macchina utilizza il principio dell'autoeccitazione, in cui l'avvolgimento di eccitazione è alimentato direttamente dall'avvolgimento dell'indotto del generatore. Tuttavia, l'autoeccitazione del generatore è possibile solo se sono soddisfatte una serie di condizioni.

1.Per avviare il processo di autoeccitazione del generatore, è necessario avere un flusso residuo di magnetismo nel circuito magnetico della macchina, che induce e nell'avvolgimento dell'indotto. eccetera. villaggio di Est. Questo e. ecc. v. fornisce un flusso attraverso il circuito "avvolgimento di armatura - avvolgimento di eccitazione" di una certa corrente di avviamento.

2. Il flusso magnetico creato dalla bobina di campo deve essere diretto in accordo con il flusso magnetico del magnetismo residuo. In questo caso, nel processo di autoeccitazione, la corrente di eccitazione Iv e quindi il flusso magnetico Ф della macchina e aumenteranno. eccetera. v. E. Questo continuerà fino a quando, a causa della saturazione del circuito magnetico della macchina, l'ulteriore aumento di F e quindi di E e Ib si fermerà. La coincidenza nella direzione dei flussi indicati è assicurata dal corretto collegamento dell'avvolgimento di eccitazione all'avvolgimento di indotto. Se collegato in modo errato, la macchina si smagnetizza (scompare il magnetismo residuo) ed e. eccetera. c. E diminuisce a zero.

3. La resistenza del circuito di eccitazione RB deve essere inferiore a un certo valore limite chiamato resistenza critica. Pertanto, per l'eccitazione più rapida del generatore, si consiglia, quando il generatore è acceso, di emettere completamente il reostato di regolazione Rpv collegato in serie con la bobina di eccitazione (vedi Fig. 3, a). Questa condizione limita anche il possibile campo di regolazione della corrente di campo, e quindi della tensione del generatore eccitato in parallelo. Di solito è possibile ridurre la tensione del generatore aumentando la resistenza del circuito dell'avvolgimento di campo solo a (0,64-0,7) Unom.

Riso. 3.Schema schematico di un generatore con eccitazione parallela (a) e caratteristiche esterne dei generatori con eccitazione indipendente e parallela (b)

Va notato che l'autoeccitazione del generatore richiede il processo di aumento della sua e. eccetera. con E e la corrente di eccitazione Ib si è verificata quando la macchina era al minimo. In caso contrario, a causa del basso valore di Eost e della grande caduta di tensione interna nel circuito di avvolgimento dell'indotto, la tensione applicata all'avvolgimento di eccitazione può diminuire quasi a zero e la corrente di eccitazione non può aumentare. Pertanto, il carico dovrebbe essere collegato al generatore solo dopo che la tensione ai suoi terminali è vicina a quella nominale.

Quando cambia il senso di rotazione dell'indotto, cambia la polarità delle spazzole e quindi la direzione della corrente nell'avvolgimento di campo, in questo caso il generatore viene smagnetizzato.

Per evitare ciò, quando si cambia il senso di rotazione, è necessario invertire i fili che collegano la bobina di campo alla bobina dell'indotto.

La caratteristica esterna del generatore (curva 1 in Fig. 3, b) rappresenta la dipendenza della tensione U dalla corrente di carico In a valori costanti della velocità n e della resistenza del circuito di azionamento RB. Si trova al di sotto della caratteristica esterna del generatore ad eccitazione indipendente (curva 2).

Ciò è spiegato dal fatto che oltre agli stessi due motivi che fanno diminuire la tensione con l'aumentare del carico in un generatore eccitato in modo indipendente (caduta di tensione nel circuito dell'indotto e effetto di smagnetizzazione della reazione dell'indotto), esiste un terzo motivo in considerato generatore — riduzione della corrente di eccitazione.

Poiché la corrente di eccitazione IB = U / Rv, cioè dipende dalla tensione U della macchina, quindi con una diminuzione della tensione, per questi due motivi, il flusso magnetico F ed e diminuisce. eccetera. v. generatore E, che porta ad un'ulteriore diminuzione della tensione. La massima corrente Icr corrispondente al punto a è detta critica.

Quando l'avvolgimento dell'indotto è cortocircuitato, la corrente Ic del generatore eccitato in parallelo è piccola (punto b), perché in questa modalità la tensione e la corrente di eccitazione sono nulle. Quindi la corrente di corto circuito è creata solo da e. eccetera. dal magnetismo residuo ed è (0,4 ... 0,8) Inom .. La caratteristica esterna è divisa dal punto a in due parti: superiore - funzionante e inferiore - non funzionante.

Di solito non viene utilizzata l'intera parte funzionante, ma solo un certo segmento di essa. Il funzionamento della sezione ab della caratteristica esterna è instabile, in questo caso la macchina entra nella modalità corrispondente al punto b, cioè in modalità cortocircuito.

La caratteristica a vuoto del generatore con eccitazione parallela è presa con eccitazione indipendente (quando la corrente nell'armatura Iya = 0), quindi non differisce in alcun modo dalla corrispondente caratteristica per il generatore con eccitazione indipendente (vedi Fig. 2, a). La caratteristica di controllo del generatore con eccitazione parallela ha la stessa forma della caratteristica del generatore con eccitazione indipendente (vedi Fig. 2, c).

I generatori ad eccitazione parallela vengono utilizzati per alimentare le utenze elettriche in autovetture, automobili e aerei, come i generatori per l'azionamento di locomotive elettriche, locomotive diesel e vagoni ferroviari e per la ricarica di accumulatori.

Generatore di eccitazione in serie

In questo generatore (Fig.4, a) la corrente di eccitazione Iw è uguale alla corrente di carico In = Ia e la tensione varia notevolmente al variare della corrente di carico. Al minimo, nel generatore viene indotta una piccola emissione. eccetera. v. Eri, creato dal flusso di magnetismo residuo (Fig. 4, b).

All'aumentare della corrente di carico Ii = Iv = Iya, il flusso magnetico aumenta, ad es. eccetera. p. e tensione del generatore, questo aumento, come in altre macchine autoeccitate (generatore ad eccitazione parallela), continua fino ad un certo limite dovuto alla saturazione magnetica della macchina.

Quando la corrente di carico aumenta al di sopra di Icr, la tensione del generatore inizia a diminuire, poiché il flusso magnetico di eccitazione dovuto alla saturazione quasi smette di aumentare e l'effetto di smagnetizzazione della reazione dell'armatura e la caduta di tensione nel circuito di avvolgimento dell'armatura IяΣRя continuano ad aumentare . Di solito la corrente Icr è molto più alta della corrente nominale. Il generatore può funzionare stabilmente solo sulla parte ab della caratteristica esterna, cioè a correnti di carico superiori a quelle nominali.

Poiché nei generatori eccitati in serie la tensione varia notevolmente con le variazioni di carico ed è prossima allo zero durante il funzionamento a vuoto, non sono adatti per l'alimentazione della maggior parte delle utenze elettriche. Vengono utilizzati solo con la frenatura elettrica (reostatica) dei motori ad eccitazione in serie, che vengono quindi trasferiti in modalità generatore.

Riso. 4. Diagramma schematico di un generatore di eccitazione in serie (a) e sua caratteristica esterna (b)

Generatore di eccitazione mista.

In questo generatore (Fig. 5, a), molto spesso la bobina di eccitazione parallela è quella principale e quella in serie è quella ausiliaria.Entrambe le bobine hanno la stessa polarità e sono collegate in modo che i flussi magnetici da esse prodotti si sommano (commutazione concordante) o si sottraggono (commutazione opposta).

Un generatore ad eccitazione mista, quando i suoi avvolgimenti di campo sono collegati in accordo, consente di ottenere una tensione approssimativamente costante al variare del carico. La caratteristica esterna del generatore (Fig. 5, b) può essere rappresentata in prima approssimazione come una somma di caratteristiche create da ciascuna bobina di eccitazione.

Riso. 5. Schema schematico di un generatore con eccitazione mista (a) e sue caratteristiche esterne (b)

Quando viene acceso un solo avvolgimento parallelo, attraverso il quale passa la corrente di eccitazione Iв1, la tensione del generatore U diminuisce gradualmente con l'aumentare della corrente di carico In (curva 1).Quando viene acceso un avvolgimento in serie, attraverso il quale la corrente di eccitazione Iw2 = In , la tensione U aumenta all'aumentare della corrente In (curva 2).

Se scegliamo il numero di giri dell'avvolgimento in serie in modo tale che al carico nominale, la tensione da esso creata ΔUPOSOL compensi la caduta di tensione totale ΔU, quando la macchina funziona con un solo avvolgimento parallelo, allora è possibile ottenere che il la tensione U rimane pressoché invariata, quando la corrente di carico passa da zero al valore nominale (curva 3). In pratica, varia entro il 2-3%.

Aumentando il numero di spire dell'avvolgimento in serie è possibile ottenere una caratteristica dove la tensione UHOM avrà più tensione Uo a vuoto (curva 4), questa caratteristica compensa la caduta di tensione non solo nella resistenza interna del circuito di armatura del generatore, ma anche nella linea che lo collega al carico. Se l'avvolgimento in serie è attivato in modo tale che il flusso magnetico da esso creato sia diretto contro il flusso dell'avvolgimento in parallelo (controcommutazione), allora la caratteristica esterna del generatore con un numero elevato di spire dell'avvolgimento in serie sarà in forte calo (curva 5).

Il collegamento inverso di avvolgimenti in serie e in parallelo viene utilizzato nei generatori di saldatura che operano in condizioni di frequenti cortocircuiti. In tali generatori, in caso di cortocircuito, l'avvolgimento in serie smagnetizza quasi completamente la macchina e riduce la corrente di cortocircuito. ad un valore sicuro per il generatore.

Generatori con avvolgimenti di campo con connessioni opposte sono utilizzati su alcune locomotive diesel come eccitatrici di generatori di trazione, assicurano la costanza della potenza erogata dal generatore.

Tali agenti patogeni sono utilizzati anche su locomotive elettriche a corrente continua. Alimentano gli avvolgimenti di campo dei motori di trazione che operano in modalità rigenerativa durante la frenata rigenerativa e forniscono caratteristiche esterne in forte calo.

L'eccitazione mista del generatore è un tipico esempio di regolazione del disturbo.

I generatori CC sono spesso collegati in parallelo per funzionare in una rete comune.Un prerequisito per il funzionamento in parallelo di generatori con distribuzione del carico proporzionale alla potenza nominale è l'identità delle loro caratteristiche esterne. Quando si utilizzano generatori con eccitazione mista, i loro avvolgimenti in serie per l'equalizzazione delle correnti devono essere collegati in un blocco comune mediante un filo di equalizzazione.