Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Автор: Евгений Живоглядов. Дата публикации: 29 января 2013. Категория: Статьи.

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)

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 < 0 напряжение упадет до нуля (точка в, рисунок 2), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток iв и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток iв уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная с iв = 0. При этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. Х. х. х. имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток iв необходимо менять только в направлении, указанном на рисунке 2 стрелками, так как в противном случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю, а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рисунке 2 представляет собой расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора, и по ней можно определить коэффициент насыщения машины kμ.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет основу для исследования эксплуатационных свойств машины.

Подробно об алгоритме работы

Принцип работы генератора основан на простом физическом явлении, называемом электромагнитной индукцией. Суть в следующем: Если на многовитковую обмотку из медного провода наложить магнитное поле, меняющее направление с определенной частотой, то на выходе катушки появится переменный ток той же частоты. Остается только создать упомянутое поле вокруг обмоток статора, вырабатывающих напряжение.

На практике выработка электроэнергии происходит по следующему алгоритму:

1. Источником переменного магнитного поля автомобильного электрогенератора является самовозбуждающаяся обмотка, расположенная на роторе. Для первоначального намагничивания клиновидных втулок на них подается маломощный импульс от аккумулятора.
2. После запуска двигателя и достижения определенной частоты вращения коленчатого вала обмотки статора выделяют переменный ток, выпрямляемый силовыми диодами. С этого момента обмотка ротора питается от самого генератора, то есть происходит самовозбуждение. Внешний источник питания больше не требуется.
3. Постоянный ток с диодного моста поступает на блок реле-регулятора. Поскольку значение напряжения «скачет» вместе с оборотами двигателя, задача электроники — стабилизировать перепады в диапазоне от 13,8 до 14,7 В.
4. Кроме того, подается напряжение для подзарядки аккумуляторной батареи и бортовой сети автомобиля.

Реле регулятора напряжения может быть частью генераторной установки или использоваться как отдельный блок.

Ток в обмотках статора возникает в результате вращения переменного магнитного поля, создаваемого катушкой ротора. Чем быстрее вращается вал, тем выше выходное напряжение и частота. Преобразование в постоянный ток обеспечивается полупроводниками (диодами), установленными на пластине радиатора и приводимыми в действие приводом вентилятора.

Схема генератора бесщеточного типа позволяет питать обмотку статора без внешнего источника питания. Намагничивание стальных втулок начинается при малых скоростях вращения вала благодаря особой конструкции ротора и дополнительной катушки. Поэтому при запуске автомобиля с разряженным аккумулятором от толкача оборотов коленчатого вала достаточно, чтобы электрогенератор начал работать.

Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) I = f (iв) при U = 0 и n = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U = 0, то, согласно выражению

(уравнение напряжения U на зажимах генератора), Eа = Iа × Rа и поскольку Rа мало, то в условиях опыта э. д. с. Eа также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начать снятие х. к. з. с минимальных значений iв, чтобы ток якоря не получил недопустимо большого значения. Обычно снимают х. к. з. до I = (1,25 – 1,5) Iн. Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена, то зависимость I = f (iв) практически прямолинейна (рисунок 3). При iв = 0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток I не равен 0 и в крупных машинах близок к номинальному и даже больше его. Поэтому перед снятием х. к. з. такую машину целесообразно размагнитить, питая на холостом ходу обмотку возбуждения таким током возбуждения обратного направления, при котором будет U = 0. В размагниченной машине х. к. з. начинается с нуля (штриховая линия на рисунке 3) Если х. к. з. снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рисунке 3), то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат (штриховая линия на рисунке 3).

Маркировка клемм на корпусе

При самодиагностике мультиметром для владельца актуальна информация о том, как помечены клеммы, выведенные на коробку генератора.

Единого обозначения нет, но все производители придерживаются общих принципов:

• от выпрямителя идет «плюс», обозначенный «+», 30, V, B+ и BAT, «минус», обозначенный «-», 31, D-, B-, E, M или GRD;
• клемма 67, W, F, DF, E, EXC, FLD выходит из обмотки возбуждения;
• «плюсовой» провод от дополнительного выпрямителя к контрольной лампе имеет маркировку D+, D, WL, L, 61, IND;
• фазу можно узнать по волнистой линии, буквам R, W или STA;
• нулевая точка обмотки статора обозначается как «0» или МП;
• клемма реле регулятора для подключения к «плюсу» бортовой сети (обычно к аккумулятору) обозначается 15, В или S;
• провод выключателя зажигания должен быть подключен к клемме регулятора напряжения с маркировкой IG;
• бортовой компьютер подключается к выходу реле регулятора с обозначением F или FR.

Других обозначений нет, а вышеперечисленные отсутствуют на корпусе генератора целиком, как они встречаются на всех существующих модификациях электроприборов.

Характеристический (реактивный) треугольник

Характеристический (реактивный) треугольник определяет реакцию якоря и падение напряжение в цепи якоря. Он строится для нахождения реакции якоря по экспериментальным данным и используется также для построения некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально. Характеристический треугольник можно построить по экспериментальным данным с помощью х. х. х. и любой другой основной характеристики машины, а также по расчетным данным. Рассмотрим здесь его построение с помощью х. х. х. и х. к. з., для чего обратимся к рисунку 4, где изображены х. к. з. I = f (iв) (прямая 1) и начальная, прямолинейная часть х. х. х. U = f (iв) (прямая 2), проходящие через начало координат.

Построим характеристический треугольник для номинального тока машины Iа = I = Iн, которому на х. к. з. соответствует точка а и на оси абсцисс точка б (рисунок 4, а). Построим на прямой аб отрезок бв, равный в масштабе прямой 2 падению напряжения в цепи якоря Iн × Rа, и соединим точку в горизонтальной прямой с точкой г на х. х. х. Тогда треугольник бвг и будет характеристическим треугольником. Горизонтальный катет вг этого треугольника представляет собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения, что можно доказать следующим образом.

Отрезок 0б на рисунке 4, а равен току iв, необходимому для получения при коротком замыкании тока I = Iн. В якоре при этом должна индуктироваться э. д. с. Eа = Iн × Rа, равная отрезку гд, для чего при холостом ходе требуется ток возбуждения 0д = iве. Таким образом, разность 0б – 0д = дб = iва между действительным током iв = 0б при коротком замыкании и током iве = 0д при холостом ходе может быть обусловлена только влиянием тока в якоре и должна поэтому выражать собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения iв.

Рисунок 4, а соответствует случаю размагничивающей реакции якоря (iва больше 0), а рисунок 4, б – случаю намагничивающей реакции якоря (iва меньше 0). В последнем случае х. к. з., естественно, должна подниматься круче. Для других значений токов якоря (I ≠ Iн) катеты треугольника бвг изменяются практически пропорционально току якоря, так как нелинейность сопротивления щеточного контакта оказывает малое влияние.

Поскольку в условиях снятия х. к. з. магнитная цепь машины не насыщена, то построенный таким образом характеристический треугольник учитывает только продольную реакцию якоря, вызванную случайным или сознательным сдвигом щеток с геометрической нейтрали и отклонением коммутации от прямолинейной. При установке щеток на геометрической нейтрали катет треугольника iва = дб равен намагничивающей силе коммутационной реакции якоря (в масштабе iв) и характеризует качество коммутации (на рисунке 4, а – замедленная коммутация и на рисунке 4, б – ускоренная). Когда щетки стоят на нейтрали и коммутация прямолинейна, iва = дб = 0 и треугольник бвг вырождается в вертикальную прямую.

Для построения характеристического треугольника с учетом влияния поперечной реакции якоря можно воспользоваться х. х. х. и внешней, регулировочной или нагрузочной характеристикой. Обычно пользуются нагрузочной характеристикой.

Как устроен электрогенератор?

Основной частью устройства является корпус, состоящий из двух крышек и изготовленный из алюминиевого сплава, что обеспечивает эффективный отвод избыточного тепла. Кожух снабжен монтажным фланцем или приливом со сквозным отверстием для длинного болта (в зависимости от марки автомобиля). В целом устройство привода выглядит так:

1. Передняя и задняя крышки корпуса стянуты винтами, а с внутренней стороны к ним прикреплена неподвижная обмотка статора.
2. В торцах крышек выполнены отверстия, куда запрессовываются подшипники вала ротора. Также по бокам имеются вентиляционные отверстия, служащие для охлаждения внутренней части генератора.
3. Ротор, вращающийся внутри корпуса на подшипниках, представляет собой вал со второй обмоткой и двумя металлическими втулками с клиновидными насечками. Со стороны передней крышки к валу с помощью гайки прикручен ведущий шкив.
4. Снаружи задней крышки расположены медные контактные кольца и графитовые щетки, вставленные в специальные гнезда — щеткодержатели. Рядом на подковообразной плате собрана схема выпрямителя на диодах (иначе диодный мост).
5. Токопередающие элементы ротора (щетки, кольца) и диодная цепь закрыты снаружи защитным кожухом с многочисленными отверстиями для охлаждения. К заднему концу вала (ниже корпуса) прикреплена крыльчатка, которая нагнетает воздух через корпус агрегата.

Устройство генератора электрического тока мало изменилось с момента его изобретения. Этот блок, предназначенный для преобразования энергии вращения в электричество, отличается совершенным дизайном и высокой эффективностью. КПД устройства составляет 98-99%.

Поскольку токоведущие скользящие контакты (щетки) являются слабым звеном конструкции и быстро изнашиваются, в большинстве современных генераторов реализован бесщеточный способ передачи тока. В технологическом процессе участвуют насаженная на вал звездочка и дополнительная обмотка, соединенная изнутри с торцом хвостовой крышки.

Несмотря на кажущуюся сложность конструкции автомобильного электрогенератора, разобрать его достаточно просто. Для снятия ротора просто откручиваем кожух и винты стягивающие 2 крышки, предварительно сняв приводной шкив.

Внешняя характеристика генератора

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U = f (I) при iв = const и n = const (рисунок 5) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется. При увеличении I напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря I × Rа и уменьшения э. д. с. Eа ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря (при щетках на геометрической нейтрали). При дальнейшем увеличении I напряжение начнет падать быстрее, так как под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины.

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (iв = iвн), когда при I = Iн также U = Uн (номинальный режим). При переходе к холостому ходу (I = 0) в этом случае напряжение возрастает на вполне определенную величину ΔUн (рисунок 5), которая называется номинальным изменением напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения

Внешнюю характеристику (в левом квадранте рисунка 6) можно построить также с помощью х. х. х. (в правом квадранте рисунка 6) и характеристического треугольника. Для этого проведем на рисунке 6 вертикальную прямую аб, соответствующую заданному току iв = const. Тогда аб =0в представляет собой U при I = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.

Разместим затем на рисунке 6 характеристический треугольник где, построенный в соответствующих масштабах для I = Iн, таким образом, чтобы его вершина г лежала на х. х. х., а катет де – на прямой аб. Тогда отрезок ае = жз будет равен U при I = Iн, что можно доказать следующим образом. Если U = ае, то Eа = U + Iн × Rа = ае + ед = ад = иг и для создания такой э. д. с. при холостом ходе требуется ток возбуждения iве = 0и. При нагрузке ток возбуждения нужно увеличить на величину iва = гд = иа для компенсации размагничивающей реакции якоря. Необходимый полный ток возбуждения при этом iв = iве + iва = 0и + иа = 0а как раз соответствует заданному, что и требовалось доказать.

Если принять, что катеты, а следовательно, и гипотенуза характеристического треугольника изменяются пропорционально I, то для получения других точек внешней характеристики достаточно провести на рисунке 6 между х. х. х. и прямой аб наклонные отрезки прямых (гипотенузы новых характеристических треугольников), параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние точки этих отрезков (на прямой аб) будут определять значение U при токах

и так далее.

Перенеся эти точки по горизонтали в левый квадрант рисунка 6 для соответствующих значений I и соединив их плавной кривой, получим искомую внешнюю характеристику U = f (I).

В действительности горизонтальный катет характеристического треугольника при уменьшении U растет не пропорционально I. Поэтому реальная внешняя характеристика отклоняется от построенной несколько в сторону, как показано в левом квадранте рисунка 6 штриховой линией.

Точка внешней характеристики с U = 0 определяет значение тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Так как Rа мало, то этот ток в 5 – 15 раз превышает Iн. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникают круговой огонь, а также большие механические усилия и моменты вращения. Поэтому в условиях эксплуатации генераторы и двигатели средней и большой мощности защищаются быстродействующими автоматическими выключателями в цепи якоря, которые ограничивают длительность короткого замыкания и отключают машину от сети в течение 0,01 – 0,05 с после начала внезапного короткого замыкания. Однако эти выключатели не защищают машину при коротком замыкании внутри машины.

Если имеются опытные х. х. х. и внешняя характеристика и если известно Rа, то произведя построение на рисунке 6 в обратной последовательности, можно получить характеристические треугольники с учетом реальных условий насыщения для любых значений U и Eа.

Возможные неисправности

Автомобильный генератор относится к устройствам высокой надежности. Возможные причины его неработоспособности делятся, по источнику неполадки, на две группы.

Механические

Причина неисправностей, относящихся к этой группе – механический износ в результате эксплуатации. Механические неисправности выявляются быстро, так как сопровождаются стуком или иным шумом.

Для устранения неисправности изношенные детали заменяют рабочими.

Детали генератора, износ которых приводит к механическим неисправностям:

• шкив;
• подшипник качения;
• меднографитные щетки;
• приводной ремень.

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика iв = f (I) при U = const и n = const показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рисунок 7). С увеличением I ток iв необходимо несколько увеличивать, чтобы скомпенсировать влияние падения напряжения Iа × Rа и реакции якоря.

При переходе от холостого хода с U = Uн к номинальной нагрузке I = Iн увеличение тока возбуждения составляет 15 – 25%.

Построение регулировочной характеристики (нижний квадрант рисунка по х. х. х. (верхний квадрант рисунка и характеристическому треугольнику производится следующим образом. Для заданного U = 0а = вб = const значение iв при I = 0 определяется точкой в. Характеристический треугольник где для номинального тока расположим так, чтобы его вершины г и е находились соответственно на х. х. х. и прямой абе. Тогда отрезок 0ж = ае определяет значение iв при I = Iн, что можно доказать аналогично тому, как это делалось в случае построения внешней характеристики. Для получения других точек характеристики достаточно провести между кривой х. х. х. и прямой абе на рисунке 8 отрезки прямых, параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние концы (точки) этих отрезков будут соответствовать значениям iв для значений I, определяемых отношениями длин этих отрезков к гипотенузе ге, как и в предыдущем случае. Снеся эти точки вертикально вниз, в нижний квадрант рисунка 8, на уровень соответствующих значений I, получим точки регулировочной характеристики. С учетом изменяющихся условий насыщения реальная опытная регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный в нижнем квадранте рисунка 8 штриховой линией.

Обратным построением, если даны х. х. х. и регулировочная характеристика, можно получить характеристический треугольник.

Виды

Существует два основных типа автомобильных генераторов:

• Постоянный, уже напряжение определенной полярности создается непосредственно на обмотках;
• Переменный ток, так как все равно требуется постоянное напряжение, генератор оснащен внутренним полупроводниковым выпрямителем.

В настоящее время используется только второй тип, так как он имеет неоспоримые преимущества, кроме того, его обмотки выдают трехфазное напряжение, что позволяет легче сглаживать волны и позволяет более эффективно использовать массу и габариты устройства.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика U = f (iв) при I = const и n = const (кривая 2 на рисунке 9) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рисунке 9) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. Х. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда I = 0. Обычно нагрузочную характеристику снимают при I = Iн.

Поясним, как с помощью характеристик 1 и 2 рисунка 9 можно построить характеристический треугольник. Пусть 0а соответствует значению U, для которого желательно построить треугольник (например, U = Uн). Тогда проведем горизонтальную линию аб и от точки б на нагрузочной характеристике отложим вверх отрезок бв = I × Rа, где I – ток, при котором снята нагрузочная характеристика. Проведя из точки в горизонтальный отрезок прямой до пересечения в точке г с х. х. х., получим горизонтальный катет гв искомого треугольника гвб. Доказательство справедливости такого построения можно развивать по аналогии с доказательством построения внешней характеристики (смотрите рисунок 6).

Если построенный таким или другим способом характеристический треугольник передвигать на рисунке 9 параллельно самому себе так, чтобы его вершина г скользила по х. х. х., то его вершина б очертит нагрузочную характеристику (штриховая кривая на рисунке 9). Эта характеристика несколько разойдется с опытной характеристикой 2, так как размер катета гв будет меняться вследствие изменений условий насыщения.

Точка д на рисунке 9 соответствует короткому замыканию генератора.

Все характеристики генераторов можно изобразить как в абсолютных величинах, так и в относительных единицах. В последнем случае характеристики однотипных машин, хотя бы и разной мощности, построенные в относительных единицах, мало отличаются друг от друга.

Влияние сдвига щеток

Cдвиг щеток с геометрической нейтрали сказывается в том, что возникает продольная реакция якоря, изменяющая поток полюсов. Поток добавочных полюсов будет индуктировать э. д. с. не в коммутируемых секциях, а в рабочих секциях параллельных ветвей якоря. При повороте щеток против направления вращения якоря (рисунок 10) это вызовет увеличение э. д. с. якоря, а при сдвиге по направлению вращения – уменьшение э. д. с. В первом случае внешняя характеристика (смотрите рисунок 5) с увеличением I будет падать более круто. При наличии добавочных полюсов в обоих случаях возникает расстройство коммутации.

Влияние сдвига щеток на другие характеристики нетрудно анализировать подобным же образом.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.