Circuitos elétricos de corrente contínua e suas características

Propriedades gerador DC são determinados principalmente pela forma como a bobina de excitação é ligada. Existem geradores de excitação independentes, paralelos, em série e mistos:

• excitado independentemente: a bobina de campo é alimentada por uma fonte DC externa (uma bateria, um pequeno gerador auxiliar chamado excitador ou retificador),

• excitação paralela: o enrolamento de campo é conectado em paralelo com o enrolamento da armadura e a carga,

• excitação em série: o enrolamento de campo é conectado em série com o enrolamento da armadura e a carga,

• com excitação mista: existem dois enrolamentos de campo - paralelo e série, o primeiro é conectado em paralelo com o enrolamento da armadura e o segundo é conectado em série com ele e a carga.

Geradores paralelos, em série e de excitação mista são máquinas auto-excitadas porque seus enrolamentos de campo são energizados pelo próprio gerador.

Excitação de geradores DC: a — independente, b — paralelo, c — série, d — misto.

Todos os geradores listados possuem o mesmo dispositivo e diferem apenas na construção das bobinas de excitação. As bobinas de excitação independente e paralela são feitas de fio com uma pequena seção transversal, têm um grande número de voltas, a bobina de excitação em série é feita de fio com uma grande seção transversal, há um pequeno número de voltas.

As propriedades dos geradores DC são avaliadas por suas características: inativo, externo e controle. A seguir, veremos essas características para diferentes tipos de geradores.

Gerador de excitação independente

Uma característica de um gerador com excitação independente (Fig. 1) é que sua corrente de excitação Iv não depende da corrente de armadura Ii, mas é determinada apenas pela tensão Uv fornecida à bobina de excitação e a resistência Rv do circuito de excitação .

Arroz. 1. Diagrama esquemático de um gerador de excitação independente

Normalmente, a corrente de campo é baixa e equivale a 2-5% da corrente nominal da armadura. Para regular a tensão do gerador, um reostato para regulação Rpv é freqüentemente incluído no circuito do enrolamento de excitação. Nas locomotivas, a corrente Iv é regulada alterando a tensão Uv.

Característica ociosa do gerador (Fig. 2, a) - a dependência da tensão Uo em marcha lenta da corrente de excitação Ib na ausência de carga Rn, ou seja, em In = Iya = 0 e a uma velocidade rotacional constante n. Em vazio, quando o circuito de carga está aberto, a tensão do gerador Uo é igual a e. etc. v. Eo = cEFn.

Como ao remover a característica da velocidade de marcha lenta, a velocidade n é mantida inalterada, então a tensão Uo depende apenas do fluxo magnético F.Portanto, a característica ociosa será semelhante à dependência do fluxo F ​​da corrente de excitação Ia (a característica magnética do circuito magnético do gerador).

A característica sem carga pode ser facilmente eliminada experimentalmente aumentando gradualmente a corrente de excitação de zero até o valor onde U0 = 1,25 Unom e então diminuindo a corrente de excitação para zero. Neste caso, obtém-se 1 ramo ascendente e 2 descendentes da característica. A divergência desses ramos se deve à presença de histerese no circuito magnético da máquina. Quando Iw = 0 no enrolamento da armadura, o fluxo de magnetismo remanescente induz um d remanescente, etc. com Eost, que geralmente é 2-4% da tensão nominal Unom.

Em baixas correntes de excitação, o fluxo magnético da máquina é pequeno, portanto, nesta região, o fluxo e a tensão Uo mudam em proporção direta à corrente de excitação, e a parte inicial dessa característica é uma linha reta. À medida que a corrente de excitação aumenta, o circuito magnético do gerador satura e o aumento da tensão Uo diminui. Quanto maior a corrente de excitação, mais forte a saturação do circuito magnético da máquina e mais lentamente a tensão U0 aumenta. Em correntes de excitação muito altas, a tensão Uo praticamente para de aumentar.

A característica sem carga permite estimar o valor da possível tensão e propriedades magnéticas da máquina. A tensão nominal (indicada no passaporte) para máquinas de uso geral corresponde à parte saturada da característica (o "joelho" desta curva).Em geradores de locomotivas que requerem regulação de tensão de ampla faixa, são usadas porções insaturadas curvilíneas e retas da característica.

D. d. C. a máquina muda proporcionalmente à velocidade n, portanto, para n2 < n1, a característica de marcha lenta fica abaixo da curva para n1. Quando a direção de rotação do gerador muda, a direção de e muda. etc. c. É induzida no enrolamento da armadura e, portanto, a polaridade das escovas.

Uma característica externa do gerador (Fig. 2, b) é a dependência da tensão U da corrente de carga In = Ia com velocidade constante n e corrente de excitação Iv. A tensão do gerador U é sempre menor que sua e. etc. c. E pelo valor da queda de tensão em todos os enrolamentos ligados em série no circuito da armadura.

À medida que a carga do gerador aumenta (corrente do enrolamento da armadura IАЗ САМ — азЗ), a tensão do gerador diminui por dois motivos:

1) devido a um aumento na queda de tensão no circuito do enrolamento da armadura,

2) devido a uma diminuição em e. etc. como resultado da ação desmagnetizadora do fluxo da armadura. O fluxo magnético da armadura enfraquece um pouco o fluxo magnético principal Ф do gerador, o que leva a uma ligeira diminuição em seu e. etc. v. E ao carregar contra e. etc. com Eo em marcha lenta.

A mudança na tensão durante a transição do modo inativo para a carga nominal no gerador considerado é de 3 — 8℅ da nominal.

Se você fechar o circuito externo com uma resistência muito baixa, ou seja, curto-circuitar o gerador, sua tensão cairá para zero.A corrente no enrolamento da armadura Ik durante um curto-circuito atingirá um valor inaceitável no qual o enrolamento da armadura pode queimar. Em máquinas de baixa potência, a corrente de curto-circuito pode ser de 10 a 15 vezes a corrente nominal; em máquinas de alta potência, essa relação pode chegar a 20 a 25.

Arroz. 2. Características de um gerador com excitação independente: a — inativo, b — externo, c — regulador

A característica reguladora do gerador (Fig. 2, c) é a dependência da corrente de excitação Iv da corrente de carga In em tensão constante U e frequência de rotação n. Ele mostra como ajustar a corrente de excitação para manter a tensão do gerador constante à medida que a carga muda. Obviamente, neste caso, conforme a carga aumenta, é necessário aumentar a corrente de excitação.

As vantagens de um gerador com excitação independente são a capacidade de ajustar a tensão em uma ampla faixa de 0 a Umax, alterando a corrente de excitação e uma pequena alteração na tensão do gerador sob carga. No entanto, requer uma fonte CC externa para alimentar a bobina de campo.

Gerador com excitação paralela.

Neste gerador (Fig. 3, a) a corrente do enrolamento de armadura Iya se ramifica no circuito de carga externo RH (corrente In) e no enrolamento de excitação (corrente Iv), a corrente Iv para máquinas de média e alta potência é 2- 5 % do valor nominal da corrente no enrolamento da armadura A máquina utiliza o princípio de auto-excitação, no qual o enrolamento de excitação é alimentado diretamente do enrolamento da armadura do gerador. No entanto, a auto-excitação do gerador só é possível se várias condições forem atendidas.

1.Para iniciar o processo de autoexcitação do gerador, é necessário haver um fluxo residual de magnetismo no circuito magnético da máquina, que induz e no enrolamento da armadura. etc. aldeia de Este. Este e. etc. v. fornece um fluxo através do circuito "enrolamento de armadura - enrolamento de excitação" de alguma corrente de partida.

2. O fluxo magnético criado pela bobina de campo deve ser direcionado de acordo com o fluxo magnético do magnetismo residual. Nesse caso, no processo de autoexcitação, a corrente de excitação Iv e, portanto, o fluxo magnético Ф da máquina e aumentará. etc. v. E. Isso continuará até que, devido à saturação do circuito magnético da máquina, o aumento adicional em F e, portanto, E e Ib pare. A coincidência na direção dos fluxos indicados é assegurada pela conexão correta do enrolamento de excitação ao enrolamento da armadura. Se conectado incorretamente, a máquina desmagnetiza (o magnetismo residual desaparece) e e. etc. c. E diminui para zero.

3. A resistência do circuito de excitação RB deve ser inferior a um determinado valor limite chamado de resistência crítica. Portanto, para uma excitação mais rápida do gerador, recomenda-se, quando o gerador é ligado, produzir totalmente o reostato regulador Rpv conectado em série com a bobina de excitação (consulte a Fig. 3, a). Esta condição também limita a possível faixa de regulação da corrente de campo e, portanto, a tensão do gerador de excitação paralela. Geralmente é possível reduzir a tensão do gerador aumentando a resistência do circuito do enrolamento de campo apenas para (0,64-0,7) Unom.

Arroz. 3.Diagrama esquemático de um gerador com excitação paralela (a) e características externas de geradores com excitação independente e paralela (b)

Deve-se notar que a auto-excitação do gerador requer o processo de aumentar sua e. etc. com E e a corrente de excitação Ib ocorreu quando a máquina estava em marcha lenta. Caso contrário, devido ao baixo valor de Eost e à grande queda de tensão interna no circuito do enrolamento da armadura, a tensão aplicada ao enrolamento de excitação pode diminuir para quase zero e a corrente de excitação não pode aumentar. Portanto, a carga deve ser conectada ao gerador somente após a tensão em seus terminais estar próxima da nominal.

Quando a direção de rotação da armadura muda, a polaridade das escovas muda e, portanto, a direção da corrente no enrolamento de campo, neste caso, o gerador é desmagnetizado.

Para evitar isso, ao mudar o sentido de rotação, é necessário trocar os fios que conectam a bobina de campo à bobina de armadura.

A característica externa do gerador (curva 1 na Fig. 3, b) representa a dependência da tensão U da corrente de carga In em valores constantes da velocidade n e da resistência do circuito de acionamento RB. Fica abaixo da característica externa do gerador excitado independentemente (curva 2).

Isso é explicado pelo fato de que, além dos mesmos dois motivos que causam a diminuição da tensão com o aumento da carga em um gerador de excitação independente (queda de tensão no circuito da armadura e o efeito de desmagnetização da reação da armadura), existe um terceiro motivo em gerador considerado — redução da corrente de excitação.

Como a corrente de excitação IB = U / Rv, ou seja, depende da tensão U da máquina, então com a diminuição da tensão, por esses dois motivos, o fluxo magnético F e e diminui. etc. v. gerador E, o que leva a uma diminuição adicional na tensão. A corrente máxima Icr correspondente ao ponto a é chamada de crítica.

Quando o enrolamento da armadura está em curto-circuito, a corrente Ic do gerador de excitação paralela é pequena (ponto b), porque neste modo a tensão e a corrente de excitação são zero. Portanto, a corrente de curto-circuito é criada apenas por e. etc. do magnetismo residual e é (0,4 ... 0,8) Inom .. A característica externa é dividida do ponto a em duas partes: superior - funcionando e inferior - não funcionando.

Normalmente, nem toda a peça de trabalho é usada, mas apenas um determinado segmento dela. A operação da seção ab da característica externa é instável, neste caso a máquina entra no modo correspondente ao ponto b, ou seja, em modo de curto-circuito.

A característica sem carga do gerador com excitação paralela é tomada com excitação independente (quando a corrente na armadura Iya = 0), portanto, não difere em nada da característica correspondente para o gerador com excitação independente (ver Fig. 2, a). A característica de controle do gerador com excitação paralela tem a mesma forma que a característica do gerador com excitação independente (ver Fig. 2, c).

Geradores de excitação paralela são usados ​​para alimentar consumidores elétricos em carros de passageiros, automóveis e aeronaves, como geradores para acionar locomotivas elétricas, locomotivas a diesel e vagões, e para carregar baterias de armazenamento.

Gerador de Excitação em Série

Neste gerador (Fig.4, a) a corrente de excitação Iw é igual à corrente de carga In = Ia, e a tensão varia significativamente quando a corrente de carga muda. Em marcha lenta, uma pequena emissão é induzida no gerador. etc. v. Eri, criado pelo fluxo de magnetismo residual (Fig. 4, b).

À medida que a corrente de carga aumenta Ii = Iv = Iya, o fluxo magnético aumenta, por ex. etc. p. e tensão do gerador, este aumento, como em outras máquinas auto-excitadas (gerador de excitação paralela), continua até um certo limite devido à saturação magnética da máquina.

À medida que a corrente de carga aumenta acima de Icr, a tensão do gerador começa a diminuir, pois o fluxo magnético de excitação devido à saturação quase para de aumentar e o efeito desmagnetizador da reação da armadura e a queda de tensão no circuito de enrolamento da armadura IяΣRя continuam a aumentar . Normalmente a corrente Icr é muito maior que a corrente nominal. O gerador pode operar de forma estável apenas na parte ab da característica externa, ou seja, em correntes de carga maiores que as nominais.

Como nos geradores com excitação em série a tensão varia muito com as mudanças na carga e é próxima de zero durante a operação sem carga, eles não são adequados para fornecer energia à maioria dos consumidores elétricos. Eles são usados ​​apenas com frenagem elétrica (reostática) de motores de excitação em série, que são então transferidos para o modo gerador.

Arroz. 4. Diagrama esquemático de um gerador de excitação em série (a) e sua característica externa (b)

Gerador de excitação mista.

Neste gerador (Fig. 5, a), na maioria das vezes a bobina de excitação paralela é a principal e a série é a auxiliar.Ambas as bobinas têm a mesma polaridade e são conectadas de modo que os fluxos magnéticos produzidos por elas somem (comutação concordante) ou subtraiam (comutação oposta).

Um gerador de excitação mista, quando seus enrolamentos de campo são conectados de acordo, permite obter uma tensão aproximadamente constante à medida que a carga varia. A característica externa do gerador (Fig. 5, b) pode em primeira aproximação ser representada como uma soma das características criadas por cada bobina de excitação.

Arroz. 5. Diagrama esquemático de um gerador com excitação mista (a) e suas características externas (b)

Quando apenas um enrolamento paralelo é ligado, através do qual passa a corrente de excitação Iв1, a tensão do gerador U diminui gradualmente com o aumento da corrente de carga In (curva 1). Quando um enrolamento em série é ligado, através do qual a corrente de excitação Iw2 = In , a tensão U aumenta com o aumento da corrente In (curva 2).

Se escolhermos o número de voltas do enrolamento em série para que na carga nominal, a tensão criada por ele ΔUPOSOL compense a queda de tensão total ΔU, quando a máquina opera com apenas um enrolamento paralelo, então é possível conseguir que o a tensão U permanece quase inalterada, quando a corrente de carga passa de zero para o valor nominal (curva 3). Na prática, varia entre 2-3%.

Aumentando o número de voltas do enrolamento série é possível obter uma característica onde a tensão UHOM terá mais tensão Uo em marcha lenta (curva 4), esta característica compensa a queda de tensão não só na resistência interna do enrolamento circuito de armadura do gerador, mas também na linha que o conecta à carga. Se o enrolamento em série for ligado de forma que o fluxo magnético criado por ele seja direcionado contra o fluxo do enrolamento paralelo (contra-comutação), a característica externa do gerador com um grande número de voltas do enrolamento em série cairá abruptamente (curva 5).

A conexão reversa de enrolamentos de campo em série e paralelo é usada em geradores de soldagem operando sob condições de curtos-circuitos frequentes. Nesses geradores, em caso de curto-circuito, o enrolamento em série desmagnetiza quase completamente a máquina e reduz a corrente de curto-circuito. para um valor seguro para o gerador.

Geradores com enrolamentos de campo com conexões opostas são usados ​​em algumas locomotivas a diesel como excitadores de geradores de tração, eles garantem a constância da potência fornecida pelo gerador.

Esses patógenos também são usados ​​em locomotivas elétricas de corrente contínua. Eles alimentam os enrolamentos de campo dos motores de tração que operam no modo regenerativo durante a frenagem regenerativa e fornecem características externas de queda acentuada.

A excitação mista do gerador é um exemplo típico de regulação de distúrbio.

Os geradores CC geralmente são conectados em paralelo para operar em uma rede comum.Um pré-requisito para a operação em paralelo de geradores com distribuição de carga proporcional à potência nominal é a identidade de suas características externas. Ao usar geradores com excitação mista, seus enrolamentos em série para equalização de correntes devem ser conectados em um bloco comum por um fio de equalização.