DC generátor je elektrický stroj, který přeměňuje mechanickou energii na stejnosměrnou elektrickou energii.
Provoz generátoru stejnosměrného proudu je založen na zákonu elektromagnetické indukce. Předpokládejme, že magnetické pole, které vytváří permanentní magnet, se otáčí kolem své osy ve vodivém obvodu s rovnoměrnou úhlovou rychlostí. Dvě stejné vertikální strany obvodu znázorněné na obrázku níže jsou aktivní, protože je protínají magnetické siločáry.
Obrázek 1. Obrys. Author24 – online výměna studentských prací
Článek: Princip a podmínky samobuzení stejnosměrného generátoru
Samostatně stejné vodorovné čáry uvažovaného obrysu jsou neaktivní, protože je neprotínají magnetické čáry, kloužou po vodorovných stranách a nevzniká v nich elektromotorická síla. Na každé aktivní straně obvodu je indukována elektromotorická síla, která je definována následovně:
$e2 = B*l*v*sin(wt+n) = -B*l*v*sinwt$
kde: e1 a e2 – okamžité hodnoty elektromotorických sil, které se indukují na každé aktivní straně obvodu; B – magnetická indukce; l je délka každé aktivní strany uvažovaného obvodu; v – lineární rychlost otáčení každé aktivní strany obvodu; t – čas; wt, wt+п – uhlí, pod nímž aktivní strany uvažovaného okruhu protínají magnetické čáry magnetického pole.
Vzhledem k tomu, že elektromotorické síly aktivních stran obvodu působí ve vzájemné shodě, celková elektromotorická síla indukovaná v uvažovaném obvodu se vypočítá takto:
Můžeme tedy dojít k závěru, že elektromotorická síla indukovaná v obvodu se mění podle sinusového zákona. V závislosti na způsobu připojení vinutí se stejnosměrné generátory dělí na:
- samobuzené generátory, které zahrnují generátory se sériovým, paralelním a smíšeným buzením,
- generátory s nezávislým buzením.
Mezi hlavní charakteristiky stejnosměrného generátoru patří počet otáček kotvy, elektromotorická síla, elektrický budicí proud, elektrické napětí na vstupu a výstupu, zatížení, charakteristika naprázdno, dále zátěžová a regulační charakteristika.
Princip a podmínky samobuzení stejnosměrného generátoru
Samobuzení stejnosměrného generátoru je založeno na skutečnosti, že magnetický systém stroje, je-li zmagnetizován, je schopen dlouhodobě udržovat malý magnetický tok zbytkového magnetismu jader rámu a pólů – asi 2-3% z celkového toku. Níže uvedený obrázek ukazuje schéma zapojení a charakteristiky paralelně buzeného stejnosměrného generátoru.
Obrázek 2. Schéma a charakteristiky paralelně buzeného stejnosměrného generátoru. Author24 – online výměna studentských prací
Při otáčení kotvy indukuje tok ve vinutí kotvy zbytkovou elektromotorickou sílu, v důsledku čehož zde vzniká malý elektrický proud. Pokud má magnetomotorická síla budícího vinutí stejný směr jako tok zbytkového magnetismu, pak se tok hlavních pólů zvětšuje. To způsobí zvýšení elektromotorické síly generátoru, v důsledku čehož se zvýší elektrický budicí proud. Toto bude pokračovat, dokud nebude napětí generátoru vyváženo poklesem napětí v budicím obvodu, tj.
kde Iв – proud v budicím obvodu; rв – odpor budícího obvodu.
Na obrázku je klidová charakteristika generátoru – křivka 1 a závislost úbytku napětí na budícím proudu – křivka 2. Bod A odpovídá ukončení procesu samobuzení, protože je u něj splněna podmínka. Úhel sklonu přímky OA k ose úsečky se určí z trojúhelníku OAB takto:
$(mu/mi)*tga = U0/Iв = rв$
kde mi je měřítko elektrického proudu; mu je stupnice napětí.
Z tohoto vzorce vyplývá, že úhel sklonu přímky Iв-в k ose x je úměrný odporu budícího obvodu. Ale při určité hodnotě odporu reostatu dosáhne odpor budícího obvodu takové hodnoty, při které se závislost Iвrв = F(Iв) stane tečnou k přímočaré volnoběhové charakteristice – křivka 3. Za takových podmínek se generátor sám -rozrušit.
Samobuzení generátoru je možné pouze při otáčkách, které jsou větší než kritické, což vyplývá z charakteristiky samobuzení daného generátoru, což je závislost napětí generátoru v klidovém stavu na otáčkách. a s konstantním odporem budícího obvodu, tj.
$U0 = F(n), přičemž rв = const$
Obrázek 3. Charakteristika. Author24 – online výměna studentských prací
V důsledku analýzy charakteristik samobuzení uvedených výše můžeme dojít k závěru, že pro n menší než ncr dochází s procesem zvyšování rychlosti otáčení stejnosměrného generátoru k mírnému zvýšení napětí, což je způsobeno zbytkovým magnetizace. Proces samobuzení začíná při n menším než ncr. V tomto případě je zvýšení rychlosti otáčení charakterizováno prudkým zvýšením napětí generátoru. Pokud se však rychlost otáčení blíží jmenovité hodnotě, pak se nárůst napětí zpomalí, tento jev je způsoben magnetickým nasycením stroje. Kritická rychlost otáčení závisí na odporu budícího obvodu, a proto se s rostoucím také zvyšuje. Řídicí a zatěžovací charakteristiky uvažovaného DC generátoru se téměř v ničem neliší od podobných charakteristik nezávislých budicích generátorů.
Proces samobuzení je založen na jevu zbytkové magnetizace feromagnetických materiálů, ze kterých je vyroben magnetický obvod stroje. Při výrobě generátorů jsou hlavní póly stroje speciálně magnetizovány stejnosměrným proudem. Tento postup zajišťuje, že ve stroji je malý zbytkový magnetický tok, jehož hodnota je 2 % jmenovité hodnoty hlavního toku. Zvažme podstatu procesu na příkladu generátoru s metodou paralelního buzení. K samobuzení generátoru dochází při nepřítomnosti proudu ve spotřebitelském obvodu, tj. v klidovém režimu. Ve vinutí rotující kotvy se indukuje zbytek, který je přiveden na svorky budícího vinutí. Pod vlivem zbytkového budícího vinutí v obvodu protéká proud, který vytváří přídavný magnetický tok. Směr přídavného toku se musí shodovat ve směru se zbytkovým magnetickým tokem stroje, tj. zesilovat jej. Zvýšení celkového magnetického toku vede ke zvýšení EMF ve vinutí kotvy a následně i napětí na svorkách generátoru. Proces samobuzení končí, když se pokles napětí v budicím vinutí rovná EMF kotvy. Vzhledově se volnoběžné otáčky a regulační charakteristiky generátoru s paralelním buzením neliší od podobných charakteristik stroje pracujícího s nezávislým buzením. Vnější charakteristika generátoru s paralelním buzením je nižší než odpovídající charakteristika generátoru s nezávislým buzením. To je vysvětleno poklesem budícího proudu, když napětí klesá s rostoucím proudem zátěže. Ve jmenovitém režimu je snížení napětí 3 % jmenovité hodnoty. Sériové budicí generátory nenašly široké uplatnění kvůli proměnlivosti výstupního napětí při změně zatěžovacího proudu. Z tohoto důvodu nejsou jejich charakteristiky v tomto kurzu diskutovány. Generátory smíšeného buzení se používají v instalacích s nízkým výkonem, kde je žádoucí vyhnout se výrazným změnám napětí při odpojování nebo připojování jednotlivých spotřebičů. Dvě budicí vinutí takového generátoru jsou spojena tak, že se jejich magnetické toky sčítají. Vhodnou volbou počtu závitů sériového vinutí je možné kompenzovat úbytek napětí na vnitřním odporu generátoru a od reakce kotvy a poskytnout požadované napětí v určitých mezích změny zatěžovacího proudu.
Způsob buzení magnetického pole hlavních pólů generátorů, při kterém vinutí hlavních pólů přijímá energii z vinutí kotvy (rotoru). (Oproti samobuzení při nezávislém buzení jsou vinutí hlavních pólů napájena externím zdrojem proudu.) Samobuzení se nejčastěji používá u generátorů stejnosměrného proudu. Při spouštění samobuzeného generátoru vzniká počáteční proud v budícím vinutí v důsledku EMF indukovaného ve vinutí kotvy zbytkovým magnetickým polem hlavních pólů. Pro udržení samobuzení je nutné, aby počáteční proud toto pole posílil. Dodatečný magnetický tok zvyšuje EMF kotvy a v důsledku toho proud ve vinutí hlavních pólů. V důsledku magnetického nasycení magnetického obvodu však stejné přírůstky rostoucího budícího proudu odpovídají stále menším přírůstkům magnetického toku. Proces samobuzení pokračuje, dokud EMF kotvy nepřekročí pokles napětí v budicím vinutí. Při určité hodnotě magnetického toku nastává elektrická rovnováha a další nárůst magnetického toku, emf kotvy a budícího proudu se zastaví. Samobuzení lze provést, když odpor budícího vinutí nepřekročí známou mezní hodnotu v závislosti na elektrických parametrech generátoru.
Samobuzení se používá s paralelním, sériovým a smíšeným (paralelně-sériovým) zapojením vinutí hlavních pólů vzhledem k vinutí kotvy. Pro vytvoření zbytkového magnetického toku v samobuzeném stroji, který z nějakého důvodu ztratil zbytkovou magnetizaci hlavních pólů, prochází budicím vinutím proud požadovaného směru, který je přijímán z vnějšího zdroje.
25.Co určuje rychlost otáčení stejnosměrného motoru a jak ji lze upravit?
Z posledního výrazu je vidět, že rychlost otáčení stejnosměrného motoru je úměrná použitému napětí a nepřímo úměrná magnetickému toku.
Změnou napětí dodávaného do motoru a také změnou budícího proudu motoru pomocí nastavovacího reostatu zahrnutého v budicím obvodu můžete změnit rychlost otáčení motoru.
