Генераторы постоянного тока с самовозбуждением. Условия самовозбуждения.

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения происходит при соблюдении следующих условий: 1) наличия остаточного магнитного потока полюсов; 2) правильного подключения концов обмотки возбуждения или правильного направления вращения. Кроме того, сопротивление цепи возбуждения Rв при данной скорости вращения n должно быть ниже некоторого критического значения или скорость вращения при данном Rв должна быть выше некоторого критического значения.

Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2 – 3% от номинального. Остаточный поток такого значения практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную машину или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Небольшая электродвижущая сила (э. д. с.), индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, вызывает в обмотке возбуждения малый ток iв. Этот ток вызывает увеличение потока полюсов, а следовательно, увеличение э. д. с., которая обуславливает дальнейшее увеличение iв, и так далее. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения.

Если подключение концов обмотки возбуждения или направление вращения неправильны, то возникает ток iв обратного направления, вызывающий ослабление остаточного потока и уменьшение э. д. с., вследствие чего самовозбуждение невозможно. Тогда необходимо переключить концы обмотки возбуждения или изменить направление вращения. В соблюдении этих условий можно убедиться, следя с помощью вольтметра с малым пределом измерения за напряжением якоря при замыкании и размыкании цепи возбуждения.

Полярность зажимов генератора при самовозбуждении определяется полярностью остаточного потока. Если при заданном направлении вращения полярность генератора необходимо изменить, то следует перемагнитить машину путем подачи тока в обмотку возбуждения от постороннего источника.

Рисунок 1. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения при различных сопротивлениях цепи возбуждения (а) и при различных скоростях вращения (б)

Рассмотрим подробнее процесс самовозбуждения при холостом ходе. На рисунке 1, а кривая 1 представляет собой характеристику холостого хода (х. х. х.), а прямая 2 – так называемую характеристику цепи возбуждения или зависимость Uв = Rв × iв, где Rв = const – сопротивление цепи возбуждения, включая сопротивление регулировочного реостата.

В процессе самовозбуждения iв ≠ const и напряжение на концах цепи возбуждения

где Lв – индуктивность цепи возбуждения.

Напряжение якоря при холостом ходе (I = 0)

Uа = Eа – iв × Rа

изображается на рисунке 1, а кривой 1. Так как ток iв мал, то практически Uа = Eа.

Но в генераторе параллельного возбуждения (смотрите рисунок 1, б, в статье «Общие сведения о генераторах постоянного тока») Uа = Uв. Поэтому разность ординат кривой 1 и прямой 2 на рисунке 1, а составляет d(Lвiв)/dt и характеризует скорость и направление изменения iв. Если прямая 2 проходит ниже кривой 1, то

iв растет и машина самовозбуждается до напряжения, соответствующего на рисунке 1, а точке пересечения кривой 1 и прямой 2, в которой

и рост iв поэтому прекращается.

Из рассмотрения рисунка 1, а следует, что нарастание iв и, следовательно, Uа сначала происходит медленно, затем ускоряется и к концу процесса вновь замедляется. Начавшийся процесс самовозбуждения прекращается или ограничивается в точке а’ вследствие криволинейности х. х. х. При отсутствии насыщения Uа теоретически возросло бы до Uа = ∞.

Вообще любые процессы самовозбуждения – электрические, и другие, наблюдаемые в различных устройствах, — ограничиваются только нелинейностью характеристик системы.

Если Rв увеличить, то вместо прямой 2 получим прямую 3 (рисунок 1, а). Процесс самовозбуждения при этом замедляется и напряжение машины, определяемое точкой а’’, будет меньше. При дальнейшем увеличение Rв получим прямую 4, касательную к кривой 1. При этом машина будет находиться на грани самовозбуждения: при небольших изменениях n или Rв (например, вследствие нагревания) машина может развивать небольшое напряжение или терять его. Значение Rв, соответствующее прямой 4, называется критическим сопротивлением цепи возбуждения (Rв.кр). При Rв > Rв.кр (прямая 5) самовозбуждение невозможно и напряжение машины определяется остаточным потоком.

Из сказанного следует, что генератор параллельного возбуждения может работать только при наличии определенного насыщения магнитной цепи. Посредством изменения Rв можно регулировать U до значения U = Uмин., соответствующего началу колена кривой х. х. х. В машинах обычного исполнения Uмин. = (0,65 – 0,75)Uн.

Э. д. с. Eа ∼ n, и для разных значений n1 > n2 > n3 получим х. х. х., изображенные на рисунке 1, б кривыми 1, 2, 3. Из этого рисунка видно, что при небольшом значении Rв в случае кривой 1 имеется устойчивое самовозбуждение, при кривой 2 машина находится на грани самовозбуждения и при кривой 3 самовозбуждение невозможно. Поэтому для каждого данного значения Rв существует такое значение скорости вращения n = nкр. (кривая 2 на рисунке 1, б), ниже которого самовозбуждение невозможно. Такое значение n = nкр. называется критической скоростью вращения.

В некоторых случаях требуется, чтобы U генератора параллельного возбуждения можно было регулировать в широких пределах, например Uн : Uмин. = 5 : 1 или даже U : Uмин. = 10 : 1 (возбудители синхронных машин). Тогда кривая х. х. х. должна искривляться уже в своей начальной части. С этой целью в необходимых случаях в магнитной цепи выполняют участки с ослабленным сечением (магнитные мостики насыщения) в виде прорезей в листах сердечников полюсов (рисунок 2, а), выступов в верхней части этих листов (рисунок 2, б) и тому подобных. В таких мостиках происходит концентрация магнитного потока, и их насыщение наступает уже при малых потоках.

Как возбудить генератор

Что же потребуется для возбуждения генератора. Как упоминалось ранее следует первым делом снять «шоколадку», так как причина поломки кроется в ней. Затем соединяются плюсовые контакты на обоих устройствах, а минусовые в регуляторе разрезается и соединяется с «массой» щеток.

На клемме «30» генератора заизолировать провод. К выводной цепи «15» подключить индикатор не менее 15 Ватт. Это относится к генераторам серии Г222. На других моделях агрегатов возбуждение проводится способом подключения к выводу «В».

Схема самовозбуждения генератора.

На схеме отмечены диоды, которые бывают только на современных типах генераторов, на более ранних версиях их нет. Правильнее сказать, что схема в которой нет этих диодов – классическая, с ними – более новая.

У некоторых моделей генераторов якоря имеют в конструкции щетки. Их тоже нужно снять, а таблетку высверлить. Один из контактов подключается к плюсу якоря через диод, второй – к минусу.

Ток начинает поступать не сразу, а только после набора определенного числа оборотов. Исходя из показаний тахометра можно определить, что подача пойдет только после 4 тыс. оборотов в минуту. То есть разгоняем двигатель до 4 000 появляется напряжение, сбрасываем обороты до 1 000 напряжение пропадет. Это и есть принцип выработки тока при самовозбуждении.

Некоторые марки авто имеют малооборотистую силовую установку. В таком случае для увеличения начально скорости вращения придется что-то проделать со шкивом. На обычных моторах проблем возникнуть не должно.

Разбираем далее. Важно знать, что на выходе генератора мы получим не 12 В. При отсутствии регулятора (таблетки) агрегат выдаст все, что сможет в зависимости от оборотов, временами даже до 30 В. Например, при старте этот показатель подпрыгивает до 36 В. Увидеть это можно, подключив лампу под соответствующее напряжение на вывода генератора. А после, постепенно падает до 20 вольт.

Конечно, схему можно и доработать. Например, путем добавления конденсатора на плюсовый провод идущий к якорю. Это нужно для того, чтобы при снижении числа оборотов мотора не падало напряжение. Качественный конденсатор также будет не лишним на выходе, это обеспечит сглаживание первого скачка напряжения и регулирование последующих спадов.

Собирая такую схему стоит помнить о выдаче большого напряжения. Оно значительно выше нормальных 12 В, поэтому существует опасность спалить лампочку, ЭБУ и другую электронику автомобиля.

Помните! При работе от самовозбуждения генератор будет передавать всю выделяемую электроэнергию, которую сможет выработать, а это может вызвать сильный перегрев и самого агрегата. Небольшая перегрузка и можно идти за новым агрегатом. Соответственно применять такой способ рекомендуется только в случае крайней необходимости.

Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания I = f(iв) при U = 0 и n = const для генератора параллельного возбуждения может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника, как и для генератора независимого возбуждения, так как при самовозбуждении при U = 0 ток цепи возбуждения также равен нулю iв = 0.

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика U = f(I) генератора параллельного возбуждения снимается при Rв = const и n = const, то есть без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы. Вследствие этого к двум причинам падения напряжения, указанным для генератора независимого возбуждения (смотрите статью «Генераторы независимого возбуждения»), прибавляется третья – уменьшение iв при уменьшении U. В результате внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рисунок 4, кривая 1) падает круче, чем у генератора независимого возбуждения (кривая 2). Поэтому номинальное изменение напряжения (смотрите определение в статье «Генераторы независимого возбуждения») у генератора параллельного возбуждения больше и составляет дельта Uн% = 10 – 20 %.

Характерной особенностью внешней характеристики генератора параллельного возбуждения является то, что при некотором максимальном значении тока I = Iмакс. (точка а на рисунке 4) она делает петлю и приходит в точку б на оси абцисс, которая соответствует установившемуся току короткого замыкания. Ток Iк.уст. относительно мал и определяется остаточным потоком, так как в данном случае U = 0, и поэтому iв = 0. Такой ход характеристики объясняется следующим. При увеличении тока I напряжение U падает сначала медленно, а затем быстрее, так как с уменьшением U и iв падает поток Фδ, магнитная цепь становится менее насыщенной и малые уменьшения iв будут вызывать все большие уменьшения Фδ и U (смотрите рисунок 3). Точка а на рисунке 4 соответствует переходу кривой х. х .х. с нижней части колена на прямолинейный, ненасыщенный участок. При этом, начиная с точки а (рисунок 4), дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки Rнг., подключенной к зажимам машины не только не вызывает увеличения I, а наоборот, происходит уменьшение I, так как U падает быстрее Rнг..

Работа машины на ветви аб характеристики несколько неустойчива и имеется склонность самопроизвольного изменения I. Ток Iк.уст. в некоторых случаях может быть больше Iн.

Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения с помощью х. х. х. и характеристического треугольника показано на рисунке 5, где 1 – кривая х. х. х.; 2 – характеристика цепи возбуждения Uв = Rв × iв при заданном Rв = const и 3 – построенная кривая внешней характеристики.

При I = 0 значение U определяется пересечением кривой 1 и прямой 2. Для получения значения U при I = Iн разместим характеристический треугольник для номинального тока так, чтобы его вершины а и в расположились на кривой 1 и прямой 2. Тогда точка в определит искомое значение U, что можно доказать с помощью подобных же рассуждений, изложенных в статье «Генераторы независимого возбуждения», в случае построения внешней характеристики генератора независимого возбуждения. Для других значений тока между 1 и 2 можно провести наклонные отрезки прямых, параллельные ав, которые представляют собой гипотенузы новых характеристических треугольников. Нижние точки этих отрезков в’ , в’’ и т. д. определяют U при токах

Перенеся все эти точки в левый квадрант диаграммы рисунка 5 и соединив их плавной кривой, получим искомую характеристику 3. С учетом нелинейной зависимости катета аб треугольника от I опытная зависимость U = f(I) имеет характер, показанный на рисунке 5 слева штриховой линией.

Хотя установившийся ток короткого замыкания генератора параллельного возбуждения невелик, внезапное короткое замыкание на зажимах этого генератора практически столь же опасно, как и у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения и индуктирования вихревых токов в массивных частях магнитной цепи уменьшение магнитного потока полюсов происходит медленно. Поэтому быстро нарастающий ток якоря достигает значений Iк = (5 – 15)Iн.

Регулировочная и нагрузочная характеристика

Регулировочная характеристика iв = f(I) при U = const и n = const и нагрузочная характеристика U = f(iв) при I = const и n = const снимаются так же, как и у генератора независимого возбуждения. Так как iв и Rа × iв малы, то падение напряжения от iв в цепи якоря практически не оказывает влияния на напряжение на зажимах генератора. Поэтому указанные характеристики получаются практически такими же, как и у генератора независимого возбуждения. Построение этих характеристик с помощью х. х. х. и характеристического треугольника также производится аналогичным образом.

В заключение можно отметить, что характеристики и свойства генераторов независимого и параллельного возбуждения мало отличаются друг от друга. Единственное заметное отличие заключается в некотором расхождении внешних характеристик в пределах от I = 0 до I = Iн. Более сильное расхождение этих характеристик при I намного больше Iн не имеет значения, поскольку в таких режимах машины в условиях эксплуатации, как правило, не работают.

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

Основные неисправности генератора

Рассмотрим наиболее распространенные неисправности, характерные для автомобильного генератора:

1. Обрывы электроцепей, короткие замыкания и другие повреждения. Чтобы диагностировать такой дефект, необходимо проверить силу тока и показатель напряжения на выходных контактах агрегата. Исходя из полученной информации принимается решение о дальнейших действиях.
2. Также автомобилисты часто встречаются с такой неисправностью, как чрезмерно изношенные графитовые щетки, регулятор напряжения либо диодный мост. Любую изношенную и вышедшую из строя деталь следует заменить на новую. Что касается регулятора, то как упоминалось выше, он обеспечивает оптимальную подзарядку автомобильного аккумулятора исходя из температуры в моторном отсеке. Другими словами, устройство в автоматическом режиме определяет нужное напряжение для батареи в данных условиях. В некоторых моделях генераторов встречается ручное переключение режимов в зависимости от времени года. В таком случае низкие температуры не окажут негативного влияния на работу устройства. О выходе из строя реле, просигнализируют перепады напряжения в системе – это может быть слабый свет фар во время езды, которые загораются ярче при увеличении оборотов двигателя.
3. Неисправные подшипники. В случае поломки этого элемента появятся посторонние повышенные шумы, хотя такой же симптом наблюдается и при плохой смазке узла.
4. Шумы и вой. В случае обнаружения таких признаков, необходимо провести проверку сепараторных элементов, дорожек качения, контактные кольца на наличие проворотов. Такие симптомы также могут говорить и о возможном возникновении межвиткового замыкания обмотки статорного элемента либо тягового реле. В любом случае при выявлении посторонних шумов во время работы генератора рекомендуется провести тщательную диагностику состояния контактов.
5. Рабочая температура генератора иногда может достигать 90 С, однако в случае явного перегрева, необходимо немедленно проверить работоспособность диодного моста. Помимо этого, следует определить не перегружена ли бортовая сеть автомобиля дополнительными приборами и сторонними устройствами. В случае критического повышения температур первым делом потемнеет изоляция обмотки статора, в худшем случае она может даже расплавиться.
6. Сильный износ ремня генератора. При чрезмерном износе ремень агрегата может попросту порваться, что ведет к его неправильной работе в целом. То есть в таком случае на все потребители будет расходоваться электроэнергия из аккумуляторной батареи авто. В случае обрыва ремня генератор перестает выполнять свои функции, а значит у водителя есть совсем немного времени, чтобы доехать до ближайшего автосервиса или СТО. На такой дефект могут указать перепады напряжения в бортовой сети машины. В таком случае следует проверить ремень на целостность, внимательно осмотреть его поверхность на наличие трещит, надрывав, расслоений и других механических повреждений. В случае их обнаружения его рекомендуется заменить сразу.

При обнаружении любого дефекта лучше сразу заняться его устранением самостоятельно либо обратиться в автосервис. В противном случае вы рискуете наткнуться на более дорогостоящий ремонт.