Circuitos eléctricos de corriente continua y sus características.

Propiedades generador de corriente continua están determinados principalmente por la forma en que se enciende la bobina de excitación. Existen generadores de excitación independientes, paralelos, en serie y mixtos:

• Excitado independientemente: la bobina de campo está alimentada por una fuente de CC externa (una batería, un pequeño generador auxiliar llamado excitador o rectificador),

• excitación paralela: el devanado de campo está conectado en paralelo con el devanado de armadura y la carga,

• excitación en serie: el devanado de campo está conectado en serie con el devanado del inducido y la carga,

• con excitación mixta: hay dos devanados de campo: paralelo y en serie, el primero está conectado en paralelo con el devanado del inducido y el segundo está conectado en serie con él y la carga.

Los generadores paralelos, en serie y de excitación mixta son máquinas autoexcitadas porque sus devanados de campo son energizados por el propio generador.

Excitación de generadores de corriente continua: a — independiente, b — paralelo, c — en serie, d — mixto.

Todos los generadores enumerados tienen el mismo dispositivo y difieren solo en la construcción de las bobinas de excitación. Las bobinas de excitación independiente y paralela están hechas de alambre con una sección transversal pequeña, tienen una gran cantidad de vueltas, la bobina de excitación en serie está hecha de alambre con una sección transversal grande, hay una pequeña cantidad de vueltas.

Las propiedades de los generadores de CC se evalúan por sus características: inactivo, externo y de control. A continuación veremos estas características para diferentes tipos de generadores.

Generador excitado independientemente

Un rasgo característico de un generador con excitación independiente (Fig. 1) es que su corriente de excitación Iv no depende de la corriente de armadura Ii, sino que está determinada solo por el voltaje Uv suministrado a la bobina de excitación y la resistencia Rv del circuito de excitación. .

Arroz. 1. Diagrama esquemático de un generador excitado independientemente

Por lo general, la corriente de campo es baja y asciende al 2-5% de la corriente nominal del inducido. Para regular el voltaje del generador, a menudo se incluye un reóstato para regular Rpv en el circuito del devanado de excitación. En las locomotoras, la corriente Iv se regula cambiando el voltaje Uv.

Característica inactiva del generador (Fig. 2, a): la dependencia del voltaje Uo en reposo de la corriente de excitación Ib en ausencia de carga Rn, es decir, en In = Iya = 0 y con una velocidad de rotación constante n. Sin carga, cuando el circuito de carga está abierto, el voltaje del generador Uo es igual a e. etc. v. Eo = cEFn.

Dado que al eliminar la característica de velocidad de ralentí, la velocidad n se mantiene sin cambios, entonces el voltaje Uo depende solo del flujo magnético F.Por lo tanto, la característica inactiva será similar a la dependencia del flujo F de la corriente de excitación Ia (la característica magnética del circuito magnético del generador).

La característica sin carga puede eliminarse fácilmente de forma experimental aumentando gradualmente la corriente de excitación desde cero hasta el valor donde U0 = 1,25Unom y luego disminuyendo la corriente de excitación hasta cero. En este caso se obtienen 1 ramal ascendente y 2 descendentes de la característica. La divergencia de estas ramas se debe a la presencia de histéresis en el circuito magnético de la máquina. Cuando Iw = 0 en el devanado del inducido, el flujo de magnetismo remanente induce una d remanente, etc. con Eost, que suele ser 2-4% del voltaje nominal Unom.

A bajas corrientes de excitación, el flujo magnético de la máquina es pequeño, por lo tanto, en esta región, el flujo y el voltaje Uo cambian en proporción directa a la corriente de excitación, y la parte inicial de esta característica es una línea recta. A medida que aumenta la corriente de excitación, el circuito magnético del generador se satura y el aumento de voltaje Uo se ralentiza. Cuanto mayor sea la corriente de excitación, mayor será la saturación del circuito magnético de la máquina y más lento aumentará el voltaje U0. A corrientes de excitación muy altas, la tensión Uo prácticamente deja de aumentar.

La característica sin carga le permite estimar el valor de las posibles propiedades magnéticas y de voltaje de la máquina. El voltaje nominal (indicado en el pasaporte) para máquinas de propósito general corresponde a la parte saturada de la característica (la "rodilla" de esta curva).En los generadores de locomotoras que requieren una regulación de voltaje de amplio rango, se utilizan porciones no saturadas tanto curvilíneas como rectilíneas de la característica.

D. d. C. la máquina cambia en proporción a la velocidad n, por lo tanto, para n2 < n1, la característica de ralentí se encuentra debajo de la curva para n1. Cuando cambia la dirección de rotación del generador, cambia la dirección de e. etc. c) es inducido en el devanado del inducido y, por tanto, la polaridad de las escobillas.

Una característica externa del generador (Fig. 2, b) es la dependencia del voltaje U de la corriente de carga In = Ia a velocidad constante ny la corriente de excitación Iv. El voltaje del generador U siempre es menor que su e. etc. c) E por el valor de la caída de tensión en todos los devanados conectados en serie en el circuito del inducido.

A medida que aumenta la carga del generador (corriente del devanado del inducido IАЗ САМ — азЗ), el voltaje del generador disminuye por dos razones:

1) debido a un aumento en la caída de voltaje en el circuito del devanado de la armadura,

2) debido a una disminución en e. etc. como resultado de la acción desmagnetizante del flujo del inducido. El flujo magnético de la armadura debilita un poco el flujo magnético principal Ф del generador, lo que conduce a una ligera disminución de su e. etc. v. E al cargar contra e. etc. con Eo en ralentí.

El cambio de voltaje durante la transición del modo inactivo a la carga nominal en el generador considerado es de 3 a 8 ℅ del valor nominal.

Si cierra el circuito externo con una resistencia muy baja, es decir, cortocircuita el generador, entonces su voltaje cae a cero.La corriente en el devanado del inducido Ik durante un cortocircuito alcanzará un valor inaceptable en el que el devanado del inducido puede quemarse. En máquinas de baja potencia, la corriente de cortocircuito puede ser de 10 a 15 veces la corriente nominal, en máquinas de alta potencia, esta relación puede llegar a 20-25.

Arroz. 2. Características de un generador con excitación independiente: a — inactivo, b — externo, c — regulador

La característica reguladora del generador (Fig. 2, c) es la dependencia de la corriente de excitación Iv de la corriente de carga In a voltaje constante U y frecuencia de rotación n. Muestra cómo ajustar la corriente de excitación para mantener constante el voltaje del generador a medida que cambia la carga. Obviamente, en este caso, a medida que aumenta la carga, es necesario aumentar la corriente de excitación.

Las ventajas de un generador excitado independientemente son la capacidad de ajustar el voltaje en un amplio rango de 0 a Umax cambiando la corriente de excitación y un pequeño cambio en el voltaje del generador bajo carga. Sin embargo, requiere una fuente de CC externa para alimentar la bobina de campo.

Generador con excitación en paralelo.

En este generador (Fig. 3, a), la corriente del devanado del inducido Iya se ramifica en el circuito de carga externo RH (corriente In) y en el devanado de excitación (corriente Iv), la corriente Iv para máquinas de potencia media y alta es 2- 5 % del valor nominal de la corriente en el devanado del inducido La máquina utiliza el principio de autoexcitación, en el que el devanado de excitación se alimenta directamente del devanado del inducido del generador. Sin embargo, la autoexcitación del generador solo es posible si se cumplen una serie de condiciones.

1.Para iniciar el proceso de autoexcitación del generador, es necesario tener un flujo residual de magnetismo en el circuito magnético de la máquina, que induce e en el devanado del inducido. etc. pueblo de Eost. Este e.etc. v. proporciona un flujo a través del circuito "devanado de armadura - devanado de excitación" de alguna corriente de arranque.

2. El flujo magnético creado por la bobina de campo debe estar dirigido de acuerdo con el flujo magnético del magnetismo residual. En este caso, en el proceso de autoexcitación, la corriente de excitación Iv y, por lo tanto, el flujo magnético Ф de la máquina e aumentarán. etc. v. E. Esto continuará hasta que, debido a la saturación del circuito magnético de la máquina, se detenga el aumento adicional de F y, por lo tanto, de E e Ib. La coincidencia en la dirección de los flujos indicados está asegurada por la conexión correcta del devanado de excitación al devanado de armadura. Si se conecta incorrectamente, la máquina se desmagnetiza (desaparece el magnetismo residual) y e. etc. c. E disminuye a cero.

3. La resistencia del circuito de excitación RB debe ser inferior a un determinado valor límite denominado resistencia crítica. Por lo tanto, para la excitación más rápida del generador, se recomienda, cuando el generador está encendido, dar salida completa al reóstato regulador Rpv conectado en serie con la bobina de excitación (ver Fig. 3, a). Esta condición también limita el posible rango de regulación de la corriente de campo y, por lo tanto, el voltaje del generador excitado en paralelo. Por lo general, es posible reducir el voltaje del generador aumentando la resistencia del circuito del devanado de campo solo a (0.64-0.7) Unom.

Arroz. 3.Diagrama esquemático de un generador con excitación paralela (a) y características externas de generadores con excitación independiente y paralela (b)

Cabe señalar que la autoexcitación del generador requiere el proceso de aumentar su e. etc. con E y la corriente de excitación Ib se produjo cuando la máquina estaba en ralentí. De lo contrario, debido al bajo valor de Eost y la gran caída de voltaje interno en el circuito del devanado del inducido, el voltaje aplicado al devanado de excitación puede disminuir hasta casi cero y la corriente de excitación no puede aumentar. Por lo tanto, la carga debe conectarse al generador solo después de que el voltaje en sus terminales esté cerca del nominal.

Cuando cambia la dirección de rotación de la armadura, cambia la polaridad de las escobillas y por lo tanto la dirección de la corriente en el devanado de campo, en este caso el generador se desmagnetiza.

Para evitar esto, al cambiar la dirección de rotación, es necesario cambiar los cables que conectan la bobina de campo con la bobina de armadura.

La característica externa del generador (curva 1 en la Fig. 3, b) representa la dependencia del voltaje U de la corriente de carga In a valores constantes de la velocidad n y la resistencia del circuito de accionamiento RB. Se encuentra por debajo de la característica externa del generador excitado independientemente (curva 2).

Esto se explica por el hecho de que además de las mismas dos razones que hacen que el voltaje disminuya con el aumento de la carga en un generador excitado independientemente (caída de voltaje en el circuito del inducido y el efecto desmagnetizador de la reacción del inducido), hay una tercera razón en generador considerado — reducción de la corriente de excitación.

Dado que la corriente de excitación IB = U / Rv, es decir, depende del voltaje U de la máquina, entonces, con una disminución del voltaje, por estas dos razones, el flujo magnético F y e disminuyen. etc. v. generador E, lo que conduce a una mayor disminución de la tensión. La corriente máxima Icr correspondiente al punto a se denomina crítica.

Cuando el devanado del inducido está cortocircuitado, la corriente Ic del generador excitado en paralelo es pequeña (punto b), porque en este modo la tensión y la corriente de excitación son cero. Por lo tanto, la corriente de cortocircuito es creada solo por e. etc. del magnetismo residual y es (0.4 ... 0.8) Inom .. La característica externa se divide desde el punto a en dos partes: superior - trabajando e inferior - no trabajando.

Por lo general, no se usa toda la parte de trabajo, sino solo un cierto segmento de ella. El funcionamiento de la sección ab de la característica externa es inestable, en este caso la máquina pasa al modo correspondiente al punto b, es decir en modo de cortocircuito.

La característica sin carga del generador con excitación paralela se toma con excitación independiente (cuando la corriente en la armadura Iya = 0), por lo tanto, no difiere de ninguna manera de la característica correspondiente para el generador con excitación independiente (ver Fig. 2, a). La característica de control del generador con excitación paralela tiene la misma forma que la característica del generador con excitación independiente (ver Fig. 2, c).

Los generadores de excitación paralela se utilizan para alimentar consumidores eléctricos en turismos, automóviles y aeronaves, como generadores para impulsar locomotoras eléctricas, locomotoras diésel y vagones de ferrocarril, y para cargar baterías de almacenamiento.

Generador de excitación en serie

En este generador (Fig.4, a) la corriente de excitación Iw es igual a la corriente de carga In = Ia, y el voltaje varía significativamente cuando cambia la corriente de carga. En reposo, se induce una pequeña emisión en el generador. etc. v. Eri, creado por el flujo de magnetismo residual (Fig. 4, b).

A medida que aumenta la corriente de carga Ii = Iv = Iya, aumenta el flujo magnético, p. etc. p.y la tensión del generador, este aumento, como en otras máquinas autoexcitadas (generador excitado en paralelo), continúa hasta cierto límite debido a la saturación magnética de la máquina.

A medida que la corriente de carga aumenta por encima de Icr, el voltaje del generador comienza a disminuir, ya que el flujo magnético de excitación debido a la saturación casi deja de aumentar, y el efecto desmagnetizador de la reacción del inducido y la caída de voltaje en el circuito del devanado del inducido IяΣRя continúan aumentando. Por lo general, la corriente Icr es mucho más alta que la corriente nominal. El generador puede operar de manera estable solo en la parte ab de la característica externa, es decir a corrientes de carga superiores a la nominal.

Dado que en los generadores excitados en serie el voltaje varía mucho con los cambios en la carga y es cercano a cero durante la operación sin carga, no son adecuados para alimentar a la mayoría de los consumidores eléctricos. Se utilizan solo con frenado eléctrico (reostático) de motores de excitación en serie, que luego se transfieren al modo generador.

Arroz. 4. Diagrama esquemático de un generador de excitación en serie (a) y su característica externa (b)

Generador de excitación mixta.

En este generador (Fig. 5, a), la mayoría de las veces la bobina de excitación paralela es la principal y la serie es la auxiliar.Ambas bobinas tienen la misma polaridad y están conectadas de manera que los flujos magnéticos producidos por ellas se suman (conmutación concordante) o se restan (conmutación opuesta).

Un generador de excitación mixta, cuando sus devanados de campo están conectados de acuerdo, permite obtener un voltaje aproximadamente constante a medida que cambia la carga. La característica externa del generador (Fig. 5, b) puede representarse en primera aproximación como una suma de características creadas por cada bobina de excitación.

Arroz. 5. Diagrama esquemático de un generador con excitación mixta (a) y sus características externas (b)

Cuando solo se enciende un devanado paralelo, a través del cual pasa la corriente de excitación Iв1, el voltaje del generador U disminuye gradualmente al aumentar la corriente de carga In (curva 1).Cuando se enciende un devanado en serie, a través del cual la corriente de excitación Iw2 = In , la tensión U aumenta al aumentar la corriente In (curva 2).

Si elegimos el número de vueltas del devanado en serie de manera que a la carga nominal, la tensión creada por él ΔUPOSOL compense la caída de tensión total ΔU, cuando la máquina opera con un solo devanado en paralelo, entonces es posible lograr que la El voltaje U permanece casi sin cambios, cuando la corriente de carga cambia de cero al valor nominal (curva 3). En la práctica, varía entre 2-3%.

Al aumentar el número de vueltas del devanado en serie, es posible obtener una característica donde el voltaje UHOM tendrá más voltaje Uo en reposo (curva 4), esta característica proporciona compensación por la caída de voltaje no solo en la resistencia interna del circuito de armadura del generador, sino también en la línea que lo conecta a la carga. Si el devanado en serie se enciende de modo que el flujo magnético creado por él se dirija contra el flujo del devanado en paralelo (contraconmutación), entonces la característica externa del generador con una gran cantidad de vueltas del devanado en serie caerá abruptamente. (curva 5).

La conexión inversa de devanados de campo en serie y en paralelo se utiliza en generadores de soldadura que funcionan en condiciones de cortocircuitos frecuentes. En tales generadores, en caso de cortocircuito, el devanado en serie desmagnetiza casi por completo la máquina y reduce la corriente de cortocircuito. a un valor que sea seguro para el generador.

Los generadores con devanados de campo con conexiones opuestas se utilizan en algunas locomotoras diesel como excitadores de generadores de tracción, aseguran la constancia de la potencia entregada por el generador.

Dichos patógenos también se utilizan en locomotoras eléctricas de corriente continua. Alimentan los devanados de campo de los motores de tracción que funcionan en modo regenerativo durante el frenado regenerativo y proporcionan características externas de fuerte caída.

La excitación mixta del generador es un ejemplo típico de regulación de perturbaciones.

Los generadores de CC a menudo se conectan en paralelo para operar en una red común.Un requisito previo para el funcionamiento en paralelo de generadores con distribución de carga proporcional a la potencia nominal es la identidad de sus características externas. Cuando se utilizan generadores con excitación mixta, sus devanados en serie para igualar las corrientes deben conectarse en un bloque común mediante un cable de igualación.