Generador de corriente continua

Un generador de CC es una máquina eléctrica que convierte la energía mecánica en energía eléctrica de CC .

El principio de funcionamiento de los generadores de corriente

El principio de funcionamiento del generador se basa en la ley de inducción electromagnética : la inducción de una fuerza electromotriz en un circuito rectangular (estructura de alambre) ubicado en un campo magnético giratorio uniforme .

Supongamos que un campo magnético uniforme creado por un imán permanente gira alrededor de su eje en un circuito conductor (estructura de alambre) con una velocidad angular uniforme . Dos lados verticales iguales del contorno (ver figura) están activos , ya que están atravesados por las líneas magnéticas del campo magnético. Dos lados horizontales del contorno iguales por separado no están activos, ya que las líneas magnéticas del campo magnético no los cruzan, las líneas magnéticas se deslizan a lo largo de los lados horizontales, la fuerza electromotriz no se forma en ellos. $\omega$

En cada uno de los lados activos del circuito se induce una fuerza electromotriz cuyo valor viene determinado por la fórmula:

$e_{1}=Blv\sen\omega t$ y , donde $e_{2}=Blv\sin(\omega t+$ $\Pi$ $)=-Blv\sin \omega t$

$e_{1}$ y - valores instantáneos de las fuerzas electromotrices inducidas en los lados activos del circuito, en voltios ; $e_{2}$

$B$ - inducción magnética del campo magnético en voltios - segundos por metro cuadrado ( T , Tesla );

$yo$ - la longitud de cada uno de los lados activos del contorno en metros ;

$v$ - velocidad lineal con la que giran los lados activos del contorno, en metros por segundo;

$t$ — tiempo en segundos ;

$\ omega t$ y son los ángulos en los que las líneas magnéticas se cruzan con los lados activos del contorno. ${\ estilo de visualización \ omega t+}$ $\Pi$

Dado que las fuerzas electromotrices inducidas en los lados activos del circuito actúan de acuerdo entre sí, la fuerza electromotriz resultante inducida en el circuito,

será igual , es decir, la fuerza electromotriz inducida en el circuito cambia según una ley sinusoidal . $e=2Blv\sin\omega t$

Si un campo magnético uniforme gira en el circuito con una velocidad angular uniforme, entonces se induce en él una fuerza electromotriz sinusoidal .

Características y disposición de los generadores de corriente continua

En los generadores de CC, los imanes que crean un campo magnético y se denominan bobinas de excitación son estacionarios y giran bobinas en las que se induce una fuerza electromotriz y de las que se toma corriente. Otra característica principal es el método de eliminación de corriente de las bobinas, que se basa en el hecho de que si los extremos de los lados activos del circuito están conectados no a anillos colectores (como se hace en los alternadores ), sino a medios anillos con espacios aislados entre ellos (como se muestra en la Figura 2 ), entonces el marco con corriente dará un voltaje eléctrico rectificado al circuito externo .

Cuando el contorno gira, los semianillos también giran con él alrededor de su eje común. La recogida actual de las medias anillas se realiza mediante cepillos . Dado que los cepillos están inmóviles, alternativamente entran en contacto con uno u otro medio anillo. El intercambio de semianillos ocurre en el momento en que la fuerza electromotriz sinusoidal en el circuito pasa por su valor cero. Como resultado, cada cepillo mantiene su polaridad sin cambios. Si hay algún voltaje sinusoidal en los medios anillos, entonces en los cepillos ya se rectifica (en este caso, pulsante). En la práctica, los generadores de CC no usan un circuito de alambre, sino un número significativamente mayor de ellos, la salida de cada extremo de cada circuito está conectada a su propia placa de contacto, separada de las placas vecinas por espacios de aislamiento. La combinación de placas de contacto y espacios de aislamiento se denomina colector , la placa de contacto se denomina placa colectora . Todo el conjunto conjunto (captador, escobillas y portaescobillas) se denomina conjunto escobillas-colector . El material del que está hecho el aislante entre las placas colectoras se selecciona de manera que su dureza sea aproximadamente igual a la dureza de las placas colectoras (para un desgaste uniforme ). Por regla general, se utiliza micanita ( mica prensada ). Las placas colectoras suelen estar hechas de cobre .

El esqueleto ( estator ) del generador se llama yugo . Los núcleos de electroimán están unidos al yugo , tapas con cojinetes en los que gira el eje del generador. El yugo está hecho de material ferromagnético ( acero fundido ). Las bobinas de excitación están montadas en los núcleos de los electroimanes . Para dar a las líneas magnéticas del campo magnético la dirección necesaria, los núcleos de los electroimanes se suministran con piezas polares . Los electroimanes alimentados por corriente continua (corriente de excitación ) crean un campo magnético en el generador . La bobina de excitación consta de bobinas de alambre de cobre aislado enrolladas en un marco. Los devanados de las bobinas de excitación están conectados entre sí en serie de tal manera que dos núcleos adyacentes cualesquiera tengan polaridad magnética opuesta.

La parte giratoria del generador ( rotor ) se llama ancla . El núcleo de la armadura está hecho de acero eléctrico. Para evitar pérdidas por corrientes de Foucault, el núcleo del inducido se ensambla a partir de láminas de acero dentadas individuales, que forman depresiones (ranuras). Se coloca un devanado de ancla (energía) en las depresiones. En los generadores de baja potencia, el devanado del inducido está hecho de alambre de cobre aislado, en los generadores de alta potencia, de tiras de cobre rectangulares. Para que, bajo la acción de las fuerzas centrífugas, el devanado del ancla no se arranque de las ranuras, se fija al núcleo con vendajes. El devanado del inducido se aplica al núcleo de modo que cada dos conductores activos conectados directamente y en serie entre sí se encuentren bajo diferentes polos magnéticos. El devanado se llama onda , si el cable pasa alternativamente debajo de todos los polos y regresa al polo original, y loop , si el cable, pasando debajo del polo "norte" y luego debajo del polo "sur" vecino, regresa al primero "Polo Norte.

Para que las placas colectoras y las placas aislantes de micanita (mica) entre ellas no sean arrancadas de sus zócalos por las fuerzas centrífugas, tienen un soporte de cola de milano en la parte inferior .

Los cepillos suelen estar hechos de grafito . El número mínimo de escobillas en un generador de CC es dos: uno es el polo positivo del generador (escobilla positiva), el otro es el polo negativo (escobilla negativa). En los generadores multipolares, el número de pares de escobillas suele ser igual al número de pares de polos, lo que garantiza el mejor rendimiento del generador. Las escobillas de la misma polaridad (escobillas del mismo nombre) están conectadas eléctricamente entre sí.

El cepillo se superpone a dos o tres placas colectoras al mismo tiempo, esto reduce las chispas en el colector debajo de los cepillos (mejora la conmutación).

El portaescobillas asegura que el lado cóncavo de las escobillas esté constantemente presionado contra la superficie cilíndrica del colector.

Reacción de anclaje

Si el generador de CC no está cargado (generador inactivo), entonces el campo magnético del estator (devanados de campo) es simétrico con respecto al eje de los polos S - N y el neutro geométrico (indicado en la figura Plano neutro normal ). Cuando el generador está cargado, una corriente eléctrica fluye a través de su devanado de armadura y crea su propio campo magnético. Los campos magnéticos del estator y el rotor se superponen y forman el campo magnético resultante.

Donde la armadura, durante su rotación, se encuentra con el polo del electroimán (imán) del estator, el campo resultante es más débil, donde se escapa, es más fuerte. Esto se explica por el hecho de que en el primer caso los campos magnéticos tienen diferentes direcciones y en el segundo son iguales. Si no hay saturación magnética de acero en los circuitos magnéticos, entonces se considera que el flujo magnético resultante no ha cambiado en magnitud.

Sin embargo, según la configuración, el flujo magnético resultante ha cambiado significativamente, cuanto más se carga el generador y mayor es la saturación magnética del acero en los circuitos magnéticos, más fuerte se manifiesta la reacción del inducido y hay una ligera disminución en la flujo magnético.

Como resultado , la fuerza electromotriz del generador disminuye y se observan chispas debajo de las escobillas del colector.

En la práctica, la reacción del ancla se combate:

utilizando polos magnéticos adicionales que compensan los campos magnéticos de la armadura;
desplazando las escobillas del neutro geométrico ( plano neutro normal ) detrás del neutro físico ( plano neutro real ), colocándolas y girándolas a un cierto ángulo (indicado en la figura Plano de conmutación ), que evita chispas debajo de las escobillas.

Fuerza electromotriz de un generador DC

Suponga que en un campo magnético bipolar , cuyo flujo magnético es igual a, la armadura del generador gira con un número constante de revoluciones . El número de todos los conductores activos ubicados en la superficie cilíndrica de la armadura y que cruzan el flujo magnético durante la rotación es igual a . $\Fi$ $norte$ $z$

El valor promedio de la fuerza electromotriz inducida en cada uno de los conductores activos de la armadura es , donde $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi$

norte

- el número de revoluciones de la armadura por minuto;

\Fi

es el flujo magnético de los polos en Weber ;

mi

es la fuerza electromotriz inducida en voltios .

Los conductores activos de la armadura del generador están conectados en serie entre sí, se agrega la fuerza electromotriz inducida en ellos. En una máquina de dos polos, siempre hay un par de ramas paralelas del devanado del inducido, por lo que el valor promedio de la FEM en el devanado del inducido es , $E={\frac {n}{60}}\times 2\Phi \times {\frac {z}{2}}$

o , donde es el número de todos los conductores activos en la armadura del generador. $E=z\Phi {\frac {n}{60))$ $z$

El valor medio de la fuerza electromotriz inducida en el generador es directamente proporcional a la magnitud del flujo magnético , al número de revoluciones del inducido por minuto y al número de conductores activos del inducido. $\Fi$ $norte$ $z$

Si un generador multipolar tiene, por ejemplo, polos y su devanado de armadura consiste en ramas paralelas, entonces el valor promedio de la fuerza electromotriz inducida del generador es ${\ estilo de visualización 2p}$ $2a$

E={\frac {n}{60}}\times \Phi \times {\frac {z}{2a}}\times 2p

, o .

E={\frac {p}{a}}z\Phi {\frac {n}{60}}

Potencia de generadores de corriente continua

La potencia eléctrica total desarrollada por el generador de CC es igual al producto de la fuerza electromotriz del generador y la corriente total de su devanado de armadura: $mi$ $I a}$

P=EI_{a}

Si la FEM del generador se mantiene constante, entonces su potencia eléctrica total será proporcional a la corriente . $I a}$

De acuerdo con la fórmula EMF del generador : $E={\frac {p}{a}}z\Phi {\frac {n}{60}}$

En igualdad de condiciones, la potencia eléctrica total del generador aumenta con un aumento en el número de revoluciones de su armadura y un aumento en el número de sus polos.

La potencia útil entregada por el generador al circuito externo es igual al producto de la tensión eléctrica en los terminales del generador por la cantidad de corriente enviada por el generador al circuito externo: , donde $P_1$ $tu$ $yo$ $P_{1}=IU$

P_1

- potencia útil en vatios ;

tu

- tensión en voltios ;

yo

- corriente en amperios .

Eficiencia de generadores DC

La relación entre la potencia útil y la potencia total desarrollada por el generador se denomina eficiencia eléctrica , donde $P_1$ $PAGS$ ${\ estilo de visualización \ eta _ {e}}$

{\ estilo de visualización \ eta _ {e}}

— coeficiente de rendimiento ( eficiencia );

P_1

— potencia útil;

PAGS

- poder completo.

La eficiencia eléctrica del generador depende de su modo de operación. La eficiencia eléctrica es más alta con carga normal, por lo que el generador siempre debe estar completamente cargado (no siempre). Tiene la eficiencia más baja en reposo, cuando la corriente en el circuito externo es cero.

Si el generador está sobrecargado, su eficiencia disminuirá debido al aumento de las pérdidas por calentar el devanado del inducido.

Los generadores potentes tienen una mayor eficiencia eléctrica que los de baja potencia, en promedio, la eficiencia eléctrica es de alrededor del 90%.

La eficiencia industrial es la relación entre la potencia útil desarrollada por el generador y la potencia mecánica que el motor desarrolla sobre su eje, haciendo girar el inducido del generador: (es decir, cuánto costó y cuánto regaló)

\eta_{m}={\frac{P_{1}}{P}}

, dónde

\eta_{m}

— eficiencia industrial;

P_1

- potencia útil desarrollada por el generador;

PAGS

- potencia mecánica desarrollada por el motor primario sobre el eje.

La eficiencia industrial, además de las pérdidas eléctricas en el generador, tiene en cuenta todas las pérdidas mecánicas y magnéticas, por lo que es inferior a la eficiencia eléctrica.

Clasificación de los generadores de corriente continua según el método de su excitación

Dependiendo de cómo se conecten los devanados de excitación a la armadura, los generadores se dividen en:

generadores con excitación independiente ;
generadores con autoexcitación;
- generadores con excitación paralela , o generadores shunt [1] ;
- generadores con excitación secuencial , o generadores en serie [1] ;
- generadores con excitación mixta , o generadores compuestos [1] ;

Los generadores de baja potencia a veces se fabrican con imanes permanentes . Las principales características de tales generadores son similares a las de los generadores con excitación independiente.

Las principales magnitudes que caracterizan el funcionamiento de los generadores de corriente continua son:

fuerza electromotriz , $mi$
tensión eléctrica en los terminales del generador , $tu$
carga ( corriente eléctrica suministrada por el generador al consumidor) , $yo$
corriente de excitación , $yo_{v}$
revoluciones del inducido por minuto . $norte$

La relación entre dos cantidades básicas cualesquiera que caracterizan el funcionamiento de un generador se denomina característica del generador .

Las principales características del generador son las características:

movimiento ocioso;
Carga externa);
ajustando

Generadores con excitación independiente

En un generador de CC con excitación independiente, el devanado de campo no está conectado eléctricamente al devanado de armadura. Está alimentado por corriente continua de una fuente externa de energía eléctrica, como una batería ; Los generadores potentes tienen un pequeño generador excitador en un eje común . La corriente de excitación es independiente de la corriente de armadura , que es igual a la corriente de carga . Por lo general, la corriente de excitación es pequeña y asciende a 1 ... 3% de la corriente nominal de armadura. Un reóstato de regulación ( reóstato de excitación) está conectado en serie con el devanado de excitación . Cambia la magnitud de la corriente de excitación , regulando así la fuerza electromotriz . $yo_{v}$ $I a}$ $yo$ $yo_{v}$ $mi$

La característica de ralentí muestra la dependencia de la tensión eléctrica de la corriente de excitación a una velocidad constante . El generador está desconectado del circuito externo (sin carga). En la corriente de excitación, el EMF del generador no es igual a cero, pero es 2 ... 4% de . Esta fuerza electromotriz se denomina FEM inicial o residual, debido a la presencia de magnetismo residual en el circuito magnético del generador. Luego, a medida que aumenta la corriente de excitación, aumenta la EMF, cambiando de acuerdo con una curva que se asemeja a la curva de magnetización de los materiales ferromagnéticos. $U_{0}=f(I_{v})$ $tu$ $yo_{v}$ ${\ estilo de visualización n = constante}$ ${\ estilo de visualización I_ {v} = 0}$ $E_{ost}$ $tu$

La FEM del generador inicialmente crece rápidamente (una sección de la característica), cambiando de acuerdo con una ley lineal. Esto se explica por el hecho de que a valores bajos de la corriente de excitación, el acero del generador está débilmente magnetizado, su resistencia magnética es baja debido a la permeabilidad magnética relativamente alta del acero. ${\ estilo de visualización ab}$

Con un aumento adicional en la corriente de excitación, se viola la relación lineal entre ella y el EMF del generador (sección de la característica). Esto se explica por el hecho de que a medida que aumenta la corriente de excitación, comienza a afectar el fenómeno de la saturación magnética del acero. $bc$

Con un aumento adicional en la corriente de excitación ( sección característica), se produce una fuerte saturación magnética en el acero del generador. La permeabilidad magnética del acero se vuelve pequeña y, por el contrario, aumenta la resistencia magnética del acero. La discrepancia entre las ramas entrante y descendente de la característica se explica por la presencia de histéresis magnética en el circuito magnético de la máquina. $cd$

La característica externa es la dependencia en y . Bajo carga, la tensión del generador , donde es la suma de las resistencias de todos los devanados conectados en serie en el circuito del inducido (inducido, polos adicionales y devanado de compensación). $U=f(I_{\text{n)))$ ${\ estilo de visualización n = constante}$ $I_{v}=const$ $U=E-{I_{a}}\Sigma r$ ${\ estilo de visualización \ Sigma r}$

Cuando el generador está normalmente excitado, es decir, a un número normal de revoluciones del inducido por minuto, tiene una FEM nominal, puede cargarse con corriente conectando consumidores de energía eléctrica a él.

Un generador cargado crea una corriente en el circuito , donde $I={\frac{E}{r+R))$

yo

- carga del generador en amperios;

mi

es la fuerza electromotriz del generador en voltios;

r

- resistencia del devanado del inducido en ohmios;

R

- resistencia equivalente de la sección externa del circuito (consumidores de electricidad).

La tensión en los terminales del generador , es decir, es igual a la fuerza electromotriz del generador sin caída de tensión en el devanado del inducido del generador. ${\displaystyle U=E-{Ir))$ $mi$ ${\ estilo de visualización {ir}}$

En corriente (modo inactivo), el voltaje en las terminales del generador es igual a su fuerza electromotriz: , donde es el voltaje de circuito abierto del generador. $yo=0$ $U=U_{xx}=E$ ${\ Displaystyle U_ {xx}}$

A medida que aumenta la carga, el voltaje en sus terminales disminuye por dos razones: $yo$ $tu$

por la caída de tensión en la resistencia interna de la máquina; ${\ estilo de visualización r+R}$
debido a la disminución de EMF como resultado de la acción desmagnetizante de la reacción del inducido. $mi$

La característica de regulación de un generador de CC es la dependencia de la corriente de excitación de la carga (corriente) a voltaje constante y velocidad constante . $yo_{v}$ $yo$ $U=constante$ ${\ estilo de visualización n = constante}$

En reposo, el generador tiene una corriente de excitación mínima . Luego, a medida que aumenta la carga, también aumenta la corriente de excitación . Para mantener un voltaje constante en las terminales del generador, es necesario aumentar su fuerza electromotriz , lo que se logra aumentando la corriente de excitación . $yo=0$ $yo_{vo}$ $yo_{v}$ $tu$ $mi$ $yo_{v}$

Cuanto mayor es la saturación magnética del acero del generador, más empinada se eleva, en otras condiciones idénticas, la gráfica de la característica de control. Esto se explica por el hecho de que al aumentar la corriente en el devanado del inducido, aumenta el efecto desmagnetizador de la reacción del inducido y, para compensarlo, es necesario aumentar la corriente de excitación.

La ventaja de los generadores de CC con excitación independiente radica en su buena característica externa, ya que la corriente de excitación es independiente de la tensión en los terminales del generador.

La desventaja de tales generadores es la necesidad de tener una fuente externa de energía eléctrica que suministre corriente continua al devanado de excitación.

Los generadores de CC con excitación independiente se utilizan principalmente en instalaciones de alta corriente de alta potencia.

Generadores excitados en paralelo

En un generador con excitación en paralelo, el devanado de excitación está conectado a través de un reóstato de ajuste en paralelo con el devanado del inducido. Para el funcionamiento normal de los consumidores de electricidad, es necesario mantener un voltaje constante en las terminales del generador, a pesar de un cambio en la carga total. Esto se hace regulando la corriente de excitación.

Los reóstatos de excitación tienen, por regla general, contactos inactivos , con los que puede cortocircuitar el devanado de excitación "a usted mismo". Esto es necesario cuando el devanado de excitación está apagado. Si el devanado de excitación se apaga rompiendo su circuito, entonces el campo magnético que se desvanece creará una EMF de autoinducción muy grande que puede atravesar el aislamiento del devanado y desactivar el generador. En el caso de un cortocircuito del devanado de excitación, cuando se apaga, la energía del campo magnético que se desvanece se convierte en calor sin dañar el devanado de excitación, ya que la FEM de autoinducción no excederá el voltaje nominal en el generador terminales.

Un generador de CC con excitación en paralelo alimenta su propio devanado de campo y no necesita una fuente externa de energía eléctrica. La autoexcitación del generador solo es posible en presencia de magnetismo residual en los núcleos de los electroimanes, por lo tanto, están hechos de acero fundido y después de que el generador deja de funcionar, se conserva el magnetismo residual. Dado que el devanado de excitación está conectado a sus terminales, cuando la armadura gira en su devanado, el flujo de magnetismo residual induce una FEM y la corriente comienza a fluir a través del devanado de excitación. Si el devanado de excitación está conectado correctamente, de modo que su flujo magnético se dirija "a lo largo del camino" con el flujo magnético del magnetismo residual, entonces el flujo magnético total aumenta, aumentando la FEM , el flujo magnético y la corriente de excitación . La máquina se autoexcita y comienza a trabajar de manera estable con , , dependiendo del valor de resistencia del circuito de excitación. $E_{ost}$ $\Fi$ $mi$ $\Fi$ $yo_{v}$ ${I_{v}}=const$ $E=constante$ $R=constante$

Sin embargo, el proceso de aumento de la fuerza electromotriz del generador (el proceso de autoexcitación del generador) no progresa, es decir, la FEM del generador no aumenta indefinidamente. Cada vez, el crecimiento de la FEM inducida del generador está limitado por uno u otro límite. Para hacer esto, es necesario considerar la característica del generador de ralentí. $mi$

Característica de ralentí del generador con excitación paralela

La figura muestra la característica de ralentí de un generador con excitación paralela, es decir, la curva de dependencia del voltaje en los terminales de la corriente de excitación a un número constante de revoluciones de la armadura y a una resistencia constante del circuito de excitación . $U_{v}$ $yo_{v}$ $norte$ $R$

Al mismo tiempo, se muestra un gráfico de la dependencia de la caída de voltaje en el circuito de excitación del generador con la corriente de excitación . Esta dependencia es lineal, ya que , donde es la resistencia constante total del devanado de excitación y el reóstato de excitación. $U_{v}$ $yo_{v}$ $U_{v}={I_{v}}R$ $R$

A valores pequeños de la corriente de excitación, la fuerza electromotriz es mayor que la caída de tensión en el devanado de excitación: . $yo_{v}$ $mi$ $U_{v}$ ${\ Displaystyle E> {U_ {v}}}$

En este caso, el generador suministra corriente a su devanado de excitación. Se produce un proceso normal de autoexcitación, es decir, con un aumento de la corriente de excitación, aumenta la fuerza electromotriz y la tensión en el devanado de excitación, lo que a su vez conlleva un aumento de la corriente de excitación . Sin embargo, la tasa de crecimiento de la fuerza electromotriz y el voltaje es diferente. A medida que aumenta la corriente de excitación, la tasa de crecimiento de EMF disminuye y la tasa de crecimiento de voltaje no cambia. A un cierto valor de la corriente de excitación, el voltaje se vuelve igual a la fuerza electromotriz : $yo_{v}$ $mi$ $U_{v}$ $yo_{v}$ $mi$ $U_{v}$ $yo^{\principal}{_{v))$ $U^{\principal}{_{v))$ $E^{\principal}{_{v))$

$U^{\principal}{_{v}}=E^{\principal}{_{v}}$ . A una corriente de excitación igual a los gráficos de la fuerza electromotriz y el voltaje se cruzan. Con un mayor aumento en la corriente de excitación, los gráficos teóricamente deberían divergir, sin embargo, en este caso, la FEM debería volverse menor que el voltaje , lo cual es imposible , ya que el voltaje es parte de la fuerza electromotriz y no puede ser mayor que ella. $yo_{v}$ $mi$ $U_{v}$ $mi$ $U_{v}$ $U_{v}$ $mi$

El valor de la corriente de excitación es su valor límite a un número constante de revoluciones ya una resistencia constante del circuito de excitación . Para el modo inactivo del generador: , donde es la inductancia total de los devanados de campo y armadura. $yo^{\principal}{_{v))$ ${\ estilo de visualización n = constante}$ $R=constante$ $E={i_{B}}{R_{B}}+L{{d{i_{B}}} \sobre {dt}}$ $L$

La pendiente de la recta que expresa la dependencia de la tensión en los terminales del generador con la corriente de excitación depende de la resistencia del circuito de excitación y, por tanto, de la resistencia del reóstato de derivación presente en el circuito de excitación. Cuanto mayor sea esta resistencia, mayor será la dependencia directa de las subidas y menor la corriente de excitación, se producirá la intersección de las gráficas de dependencia y de la corriente de excitación . $U_{v}$ $yo_{v}$ $U_{v}$ $yo_{v}$ $U_{v}$ $mi$ $yo_{v}$

El proceso de autoexcitación de un generador con excitación en paralelo dura hasta que la corriente de excitación alcanza un cierto valor límite a las revoluciones normales dadas del inducido del generador y la fuerza electromotriz llega a ser igual a su valor nominal. $yo_{v}$ $mi$

Si el devanado de excitación del generador está conectado incorrectamente al devanado del inducido, entonces el generador no se excitará, ya que la corriente de excitación crea un flujo magnético dirigido hacia el flujo magnético residual y la máquina se desmagnetizará.

Luego, deberá desconectar el devanado de excitación del generador, conectarlo correctamente a una fuente de CC (batería), magnetizar y ensamblar correctamente el circuito eléctrico del generador.

Característica externa : Cuando el generador está al ralentí, el voltaje en sus terminales es máximo . Luego, con un aumento en la carga del generador , el voltaje en sus terminales comienza a caer, algo más rápido que el de un generador con excitación independiente. Esto se debe al hecho de que el voltaje disminuye no solo como resultado de la creciente influencia de la reacción del inducido y la caída de voltaje en el devanado del inducido, sino también debido al hecho de que con una disminución del voltaje en los terminales del generador, su corriente de excitación disminuye y, en consecuencia, disminuye el EMF. ${\ Displaystyle U_ {xx}}$ $yo$ $tu$ $tu$

Si hay una disminución en la resistencia eléctrica del consumidor, entonces, por lo tanto, hay un aumento en la carga . Sin embargo, si la resistencia de la carga llega a ser críticamente baja, la corriente del generador alcanzará su valor crítico, en el cual comenzará una fuerte disminución en el voltaje. Como regla general, la corriente crítica del generador es aproximadamente 2-2,5 veces la corriente nominal. En el modo de cortocircuito , la resistencia se vuelve igual a cero, la corriente del generador se vuelve igual a la corriente de cortocircuito. El modo de cortocircuito no causa un gran peligro para el generador con excitación paralela, ya que en este caso el EMF disminuye bruscamente a un valor residual . Sin embargo, la transición a través del modo de corriente crítica está acompañada por fuertes chispas debajo de las escobillas del colector debido a la sobrecarga excesiva del generador y, por lo tanto, no es deseable. $yo$ $E_{ost}$

La característica reguladora de un generador con excitación paralela es la dependencia de la corriente de excitación de la carga del generador (corriente de armadura) a voltaje constante y velocidad constante . Para generadores de excitación en serie, la corriente de excitación es igual a la corriente de armadura . Por lo tanto, en ralentí, cuando se induce EMF residual . $yo_{v}$ $I a}$ $tu$ $norte$ $yo_{v}$ $I a}$ $I_{v}=I_{a}=I=0$ $E_{ost}$

La característica de control de un generador con excitación paralela tiene casi la misma forma que la de un generador con excitación independiente. Esta curva es casi recta al principio, pero luego se dobla hacia arriba, debido a la influencia de la saturación del circuito magnético de la máquina. Sin embargo, con la misma carga, la corriente en el devanado del inducido del generador con excitación paralela es mayor que la corriente en el devanado del inducido del generador con excitación independiente, por el valor de la corriente de excitación . Por lo tanto, en un generador con excitación en paralelo, en todas las demás condiciones idénticas, la caída de voltaje en el devanado del inducido del generador y la reacción del inducido son mayores, lo que requiere una corriente de excitación mayor. La característica de control se eleva más empinada que la de un generador con excitación independiente. $E_{ost}$

Los generadores de excitación en paralelo no temen los cortocircuitos . Con un cortocircuito, la corriente en el circuito externo aumenta bruscamente, por lo tanto, aumenta la corriente en el devanado del inducido del generador. Como resultado, la caída de voltaje en el devanado del inducido aumenta bruscamente, a su vez, el voltaje en los terminales del generador disminuye, la corriente de excitación disminuye, la FEM del generador y la corriente en el devanado del inducido disminuyen. Todos estos procesos ocurren tan rápido que la corriente de cortocircuito a corto plazo no tiene tiempo para calentar los cables del devanado del inducido.

No se necesita una fuente externa de energía eléctrica que suministre corriente continua al devanado de excitación para generadores con excitación en paralelo.

Los generadores de CC con excitación paralela se utilizan en tecnología de comunicaciones para alimentar instalaciones de radio, unidades de carga y en máquinas de soldadura móviles .

Generadores excitados en serie

Los generadores de CC excitados en serie tienen un devanado de excitación conectado en serie con el devanado del inducido.

La corriente en el devanado de excitación es igual a la corriente (carga) del generador :. $yo_{v}$ $yo$ $yo_{v}=yo$

Dado que la carga en reposo es cero, entonces la corriente de excitación es cero, por lo tanto, la característica inactiva , es decir, la dependencia del voltaje en los terminales del generador de la corriente de excitación a una velocidad constante en este generador, no se puede eliminar . $yo$ $yo_{v}$ $tu$ $yo_{v}$ ${\ estilo de visualización n = constante}$

El voltaje eléctrico en las terminales de un generador excitado en serie al ralentí es solo un pequeño porcentaje del nominal, se debe a la acción del campo magnético del magnetismo residual del acero del generador. $tu$

Para excitar el generador, es necesario conectarle un circuito externo (consumidor de electricidad), creando así una condición para la aparición de corriente en el devanado de excitación.

Característica externa : el voltaje en los terminales del generador primero aumenta con la carga (sección de la curva) y luego comienza a disminuir. Esto se explica de la siguiente manera: al principio, con un aumento en la carga , la corriente de excitación también aumenta , ya que . En consecuencia, aumenta la fuerza electromotriz y la tensión en los terminales del generador. Sin embargo, a medida que aumenta la carga, el voltaje en sus terminales comienza a caer, porque la caída de voltaje dentro del devanado del inducido se vuelve cada vez más notoria. Además, la fuerza electromotriz del generador aumenta muy poco a medida que aumenta la saturación magnética del acero del generador, por lo tanto, a pesar de su ligero aumento, la tensión en los terminales del generador después de cierta carga límite comienza a disminuir. $tu$ $yo$ ${\ estilo de visualización 0-a}$ $yo$ $yo_{v}$ $yo_{v}=yo$ $mi$ $tu$ $yo$ $tu$ ${\ estilo de visualización Ir}$ $mi$ $yo$

Es imposible eliminar la característica de regulación de un generador con excitación en serie , porque cuando cambia la carga del generador, es imposible seleccionar su corriente de excitación de tal manera que mantenga constante la magnitud del voltaje en las terminales del generador.

La desventaja de un generador con excitación en serie es una dependencia pronunciada del voltaje de la carga . Debido a esto, los generadores excitados en serie rara vez se utilizan en la práctica, ya que la mayoría de los consumidores de electricidad requieren un voltaje estrictamente definido para su funcionamiento normal. $tu$ $yo$

Los generadores con excitación secuencial solo se pueden usar en condiciones de estricta constancia de carga, por ejemplo, para alimentar ventiladores eléctricos, bombas eléctricas y accionamientos eléctricos de máquinas herramienta.

Generadores de excitación mixta

En un generador de excitación mixta, existen dos devanados de excitación: el principal (conectado en paralelo al devanado del inducido, consiste en un gran número de vueltas de alambre delgado) y el auxiliar (conectado en serie al devanado del inducido, consiste en un número relativamente pequeño de vueltas de alambre relativamente grueso). Se incluye un reóstato de excitación en el circuito de devanado de excitación paralelo , con la ayuda del cual se regula la corriente de excitación en este devanado.

La presencia de devanados de excitación en paralelo y en serie en el generador permite combinar en él las características de los generadores con excitación en paralelo y en serie.

Característica de ralentí

Dado que el generador está en ralentí desconectado del circuito externo, su carga es cero . La corriente de excitación en el devanado de excitación en serie también es cero. La característica sin carga de un generador de CC de excitación mixta es similar a la de un generador de CC de excitación paralela. ${\ estilo de visualización I = 0}$

El proceso de autoexcitación de un generador con excitación mixta es el mismo que el de un generador DC con excitación en paralelo, ya que el devanado de excitación en serie no participa en la autoexcitación del generador debido a la ausencia de corriente de excitación en en este momento.

Característica externa

El tipo de característica externa de un generador con excitación mixta depende de la relación de los flujos magnéticos de los devanados de excitación en paralelo y en serie, así como de la dirección de los flujos magnéticos creados por estos devanados.

Cuando el generador está al ralentí, el voltaje en sus terminales es igual al voltaje nominal . Cuando se enciende la carga y su posterior crecimiento, el voltaje comienza a cambiar. ${\ estilo de visualización I = 0}$ $Naciones Unidas}$

El gráfico 1 se refiere a generadores en los que predomina el flujo magnético procedente del devanado de excitación serie. Con un aumento en la carga, el voltaje en los terminales comienza a aumentar y alcanza un máximo en una carga por debajo del valor nominal , luego el voltaje comienza a caer. Cuando la carga se vuelve nominal, el voltaje sigue siendo más alto que el nominal . $En}$ $tu$ $Naciones Unidas}$
El gráfico 2 se aplica a los generadores donde el voltaje terminal con carga nominal es el mismo que sin carga. Esto se logra regulando la corriente de excitación del devanado paralelo usando un reóstato. Aún así, la tensión inicialmente aumenta un poco y, habiendo alcanzado un máximo, disminuye.
El gráfico 3 se refiere a generadores en los que predomina el flujo magnético procedente del devanado shunt. El voltaje a carga nominal es menor que el voltaje nominal . $tu$ $En}$ $Naciones Unidas}$
El gráfico 4 muestra lo que sucede si un devanado excitado en serie se enciende de tal manera que crea un campo magnético dirigido contra el campo magnético creado por el devanado de excitación en paralelo. A medida que aumenta la carga del generador y, en consecuencia, la corriente de excitación del devanado en serie, la tasa de disminución del voltaje en los terminales del generador aumenta cada vez más. La carga del generador no tiene tiempo para alcanzar el valor nominal, y el voltaje ya se vuelve igual a cero.

Característica de control

La presencia de dos devanados, cuando se encienden en consonancia, permite obtener un voltaje aproximadamente constante del generador cuando cambia la carga. Seleccionando el número de espiras de un devanado en serie de modo que, a carga nominal, la tensión creada por él compense la caída de tensión total cuando la máquina funciona con un solo devanado en paralelo, es posible garantizar que la tensión se mantenga prácticamente sin cambios cuando la corriente de carga cambia de cero a nominal. ${\displaystyle {\Delta U}_{posl))$ $\Delta U$ $tu$ $yo$

Cuando el generador está inactivo, la corriente de excitación es igual a un cierto valor y luego, con el aumento de la carga, comienza a disminuir. Esto se explica por el hecho de que con la aparición de la carga , entra en acción el devanado de excitación en serie, cuyo campo magnético actúa de acuerdo con el campo magnético del devanado de excitación en paralelo. Para mantener la constancia del flujo magnético resultante y, por tanto, la constancia de la tensión en los terminales del generador, primero es necesario reducir ligeramente la corriente de excitación en el devanado de excitación en paralelo. ${\ estilo de visualización i_ {v0}}$ $yo$ $yo$ ${\ Displaystyle i_ {v}}$

Sin embargo, a medida que aumenta la carga del generador y se acerca a su valor nominal, la corriente de excitación comienza a aumentar. Esto se explica por el hecho de que con un aumento en la carga del generador, aumenta la influencia de la reacción del inducido, aumenta la caída de voltaje en el devanado del inducido, se produce una saturación magnética en el acero del generador y disminuye el voltaje en los terminales del generador. En este caso, para mantener un voltaje constante, es necesario aumentar la corriente en el devanado paralelo. Como resultado, la corriente de excitación del devanado paralelo alcanza, a la carga nominal del generador, un valor aproximadamente igual a la corriente de excitación cuando el generador está al ralentí. ${\ Displaystyle i_ {v}}$ $En}$

La principal ventaja de los generadores de excitación mixta sobre otros tipos de generadores de CC es su capacidad para mantener un voltaje prácticamente constante en sus terminales cuando la carga cambia en un amplio rango.

La desventaja de los generadores con excitación mixta es su temor a los cortocircuitos , así como la complejidad del diseño debido a la presencia de devanados de excitación en serie y en paralelo.

El uso de generadores DC

En los albores de la electrificación (hasta finales del siglo XIX ), los generadores de corriente continua eran la única fuente de energía eléctrica en la industria (la energía eléctrica obtenida a partir de fuentes de corriente química era cara, y aún hoy las baterías son bastante caras). La humanidad simplemente no sabía cómo usar la corriente alterna .

Gracias a Westinghouse , Yablochkov , Tesla , Dolivo-Dobrovolsky , se inventaron transformadores , motores de CA asíncronos y un sistema de suministro de energía trifásico . La corriente directa comenzó a ceder .

Los generadores de CC han encontrado aplicación en el transporte eléctrico urbano ( tranvías y trolebuses ) para alimentar circuitos de control de baja tensión, en tecnología de telecomunicaciones.

Hasta la segunda mitad del siglo XX, los generadores de CC se usaban en vehículos ( generadores de automóviles ), sin embargo, debido al uso generalizado de diodos semiconductores, fueron reemplazados por generadores de CA trifásicos más compactos y confiables con rectificadores incorporados. .

Por ejemplo, el generador de CC G-12 ( automóvil GAZ-69 ) pesa 11 kg, corriente nominal de 20 amperios , y el alternador G-250P2 ( automóvil UAZ-469 ) con una masa de 5,2 kg produce una corriente nominal de 28 amperios; Alternador 31400-83E00 ( Suzuki Wagon R+ ) con un peso de 4,5 kg produce una corriente de 70 amperios. Es decir, se ha logrado un aumento de casi 8 veces en la producción de corriente por kilogramo de masa.

En el transporte ferroviario (en locomotoras diésel ) hasta la década de 1970. el principal tipo de generador de tracción fue un generador de corriente continua (locomotoras TE3 , TE10 , TEP60 , TEM2 , etc.), sin embargo, se inició el proceso de sustitución de los mismos por generadores trifásicos en locomotoras diésel como TE109 , TE114 , TE129 , TEM7 , TEM9 , TERA1 , TEP150 , 2TE25K Se utiliza transmisión eléctrica AC-DC, se instalan generadores de tracción trifásicos síncronos . Motores de tracción DC , la electricidad generada por el generador es rectificada por un rectificador de semiconductores. Reemplazar el generador de CC con un generador de corriente alterna permitió reducir la masa del equipo eléctrico, la reserva se puede utilizar para instalar un motor diesel más potente . Sin embargo, el alternador de tracción no puede ser utilizado como motor de arranque para un motor de locomotora diésel, el arranque lo realiza un generador de corriente continua para circuitos de control. Las nuevas locomotoras rusas 2TE25A , TEM21 utilizan transmisión eléctrica AC-AC con motores de tracción asíncronos.

Operación en paralelo de generadores DC

Cada generador de energía eléctrica opera con la más alta eficiencia a plena carga, si el generador está ligeramente cargado, entonces su modo de operación no es muy económico. Para el funcionamiento económico de los generadores en una red con una carga muy variable , se suele alimentar de varios generadores conectados en paralelo .

Con una conexión en paralelo, los terminales positivos de los generadores se conectan mediante un amperímetro y un interruptor de cuchilla a la barra de distribución positiva , y los terminales negativos a la barra negativa. El voltímetro le permite medir el voltaje en los terminales del generador y verificar su polaridad.

Si aumenta la carga en la red eléctrica, se inicia el segundo generador. Al ajustar la velocidad del motor primario, se logra un número normal de revoluciones y un voltaje normal en las abrazaderas. Después de que el voltaje eléctrico del segundo generador sea igual al voltaje de la red, el interruptor se cierra y el generador se conecta a los neumáticos. Sin embargo, en este caso, el EMF del segundo generador es igual al voltaje del primer generador y no envía corriente a la red. Para cargar el segundo generador, es necesario aumentar ligeramente su EMF ajustando la corriente de excitación con un reóstato . Luego, al ajustar la corriente de excitación del primer generador, puede redistribuir la carga entre ellos, mientras debe asegurarse de que el voltaje en el bus de distribución permanezca sin cambios.

Si el generador EMF está por debajo del voltaje eléctrico en el bus de distribución , entonces funcionará como un motor de CC , lo que puede provocar un accidente.

Los generadores con excitación mixta tienen un hilo de ecualización entre las escobillas del generador del mismo nombre (positivo o negativo), al que se conecta uno de los extremos del devanado de excitación en serie. El cable de ecualización (neumático) es necesario para el funcionamiento paralelo estable de los generadores. Si por alguna razón la FEM de un generador disminuye, el segundo generador enviará corriente a través del cable ecualizador al devanado en serie del primer generador, aumentará su campo magnético y aumentará la FEM del primer generador al valor requerido. De esta manera, se logra el ajuste automático de las fuerzas electromotrices de los generadores en paralelo con excitación mixta y se logra la estabilidad de su funcionamiento.

Véase también

Alternador

Notas

↑ 1 2 3 § 169. Generadores con excitación independiente y autoexcitación. // Libro de texto elemental de física / Ed. G. S. Landsberg . - 13ª ed. - M .: FIZMATLIT , 2003. - T. 2. Electricidad y magnetismo. - S. 422-427.

Literatura

Voldek A.I. , Popov V.V. Máquinas eléctricas. Introducción a la electromecánica. Máquinas y transformadores de CC: libro de texto para universidades. - San Petersburgo: "Piter", 2008. - 320 p.