Dynama - stejnosměrné generátory

Generátor s cizím buzením

Generátor s cizím buzením (schéma viz obr. 1) má budicí vinutí napájené z nezávislého zdroje stejnosměrného proudu I_f. Velikost budicího napětí bývá často stejná jako jmenovité napětí kotvy pro případ eventuálního paralelního připojení budicího vinutí ke kotvě.

Obr. 1: Schéma generátoru s cizím buzením [4]

Budicí vinutí mívá velký počet závitů o malém průřezu, a má tudíž velkou vlastní indukčnost a činný odpor. Budicí proud I_f je pouze zlomkem jmenovitého proudu I_N. Odpor R zahrnuje všechny činné odpory v obvodu kotvy (odpor kotvy, vinutí pomocných pólů, případně kompenzačního vinutí a též odpor kartáčů). Odpor obvodu kotvy R bývá malý, u malých strojů řádu 1 Ω, u velkých strojů řádu až 10^-3 Ω, aby úbytek napětí R.I a Jouleovy ztráty ve vinutí R.I² nebyly příliš velké. [1]

Chod naprázdno

Při chodu naprázdno je obvod kotvy rozpojen, výkon generátoru je roven nule (P = 0). Charakteristika naprázdno U₀ (I_f) při I = 0 a n = konst. v obr. 2 podává obraz o vlastnostech magnetického obvodu stroje.

Obr. 2: Charakteristika naprázdno U₀ (I_f) při n = konst. a I = 0 [4]

Pro nenabuzený stroj, je-li I_f = 0, je při dané rychlosti otáčení n na kotvě generátoru remanentní napětí 0 A (byl-li generátor někdy předtím nabuzen). Zvětšujeme-li budicí proud ve smyslu kladném, roste napětí naprázdno U₀ = U_i podle křivky 1. Při zmenšování buzení z bodu B klesá napětí podle křivky 2 do bodu D pro záporné buzení. Křivka 2 a křivka 3 představují hysterezní smyčku pro použité magnetické materiály. Mechanický příkon, který generátoru naprázdno dodává pohonný motor, je roven ztrátám naprázdno

kde ΔP_m jsou ztráty mechanické a ΔP_Fe jsou ztráty v železe.

Chod při zatížení

Při připojení spotřebiče na svorky kotvy nabuzeného generátoru dodává generátor elektrický výkon P_e = U.I. Zatěžovat lze např. připojením zatěžovacího odporu na svorky stroje nebo zvětšením indukovaného napětí budicím proudem či rychlostí otáčení. Zároveň se tím mění i svorkové napětí. Vlastnosti zatíženého generátoru s cizím buzením je možno sledovat v zatěžovacích charakteristikách, kdy I ≠ 0.

Obr. 3: Pracovní charakteristika generátoru s cizím buzením [4]

Pracovní charakteristika U (I_f) při I = konst., n = konst. se odvodí z charakteristiky naprázdno (viz obr.3). Při zatížení se uplatňuje úbytek na odporech obvodu kotvy (BC) a účinky reakce kotvy (AB₁). Úsečka (B₁B) odpovídá přibuzení odstraňující účinek podélné složky reakce kotvy při natočení kartáčů.

Obr. 4: Vnější charakteristika generátoru s cizím buzením [4]

Vnější charakteristika U (I) (zatěžovací) při I_f = konst., n = konst. plyne z napěťové rovnice:

Rovnice je rovnicí přímky se zápornou směrnicí (– R∙I) (přímka 1 v obr. 4). Vlivem demagnetizačního účinku reakce kotvy klesá svorkové napětí více (křivka 2), než by odpovídalo průběhu 1. I tak lze konstatovat, že v pracovní oblasti napětí se zatížením klesá málo, generátor je poměrně “tvrdý” zdroj napětí. Napětí U = 0 odpovídá proud nakrátko, je mnohem větší než jmenovitý proud I_N.

Obr. 5: Regulační charakteristika generátoru s cizím buzením [4]

Regulační charakteristika I_f (I) při U = konst. a n = konst. (obr. 5) plyne z tvaru vnější charakteristiky. Udává, jak je třeba budit zatížený generátor, aby napětí i při zatížení zůstalo konstantní.

Chod nakrátko

Charakteristika nakrátko I_k (I_f) při U = 0 a n = konst. Při zvyšování budicího proudu I_f rychle roste proud kotvy od hodnoty I_k0, dané remanentním napětím generátoru. Charakteristika nakrátko nemá praktický význam a obvykle se neměří.

Zhodnocení a užití generátoru s cizím buzením

Generátoru s cizím buzením se používalo jako zdroje stejnosměrného napětí řiditelného plynule v širokém rozsahu od –U_max do +U_max, například pro napájení stejnosměrných motorů s reverzací a s hlubokým řízením otáček. Výhodou generátoru s cizím buzením je malý pokles svorkového napětí se zatížením. Nevýhodou je potřeba zvláštního zdroje pro buzení.

Generátor s paralelním buzením (derivační)

Generátor s paralelním buzením má budicí vinutí připojeno paralelně k vinutí kotvy a patří do skupiny generátorů s vlastním buzením. Schéma je na obr. 6:

Obr. 6: Generátor s paralelním buzením [4]

Základním předpokladem vlastního nabuzení je remanentní magnetický tok, který při otáčení rotoru vytvoří remanentní napětí, které při správném zapojení budicího vinutí zvýší budicí proud, zvětší se magnetický tok, tím indukované napětí, tím budicí proud … atd. Při nesprávném zapojení budicího vinutí budicí proud zmenšuje remanentní tok a generátor se odbudí. Nabuzování je přechodný děj popsaný diferenciální rovnicí

Tato diferenciální rovnice je vzhledem k pravé straně nelineární. Přechodný děj přejde v ustálený stav při vymizení druhého členu levé strany rovnice, která přejde ve tvar

Odtud plyne, že generátor s paralelním buzením se nabudí na napětí U, dané průsečíkem charakteristiky U (I_f) a tzv. odporové přímky U = (R_f + R_d).I_f, která je vyjádřením Ohmova zákona pro budicí obvod. Aby se stroj nabudil, musí být pravá strana rovnice nenulová pro I_f = 0. Tuto podmínku splňuje remanentní napětí U ~ OA ≠ 0 v obr. 7. U zcela nového stroje se musí remanentní tok vytvořit pomocí nízkého napětí, např. z baterie nebo provozem stroje v režimu motoru, byť krátkodobém.

Nabuzování závisí na tom, je-li směrnice odporové přímky kladná, nebo záporná. Označíme-li při dané rychlosti polaritu remanentního napětí za kladnou 0A v obr. 7, je směrnice odporové přímky kladná tehdy, má-li za následek zvýšení indukovaného napětí, viz přímky 1 až 4 v obr. 7. Při záporné směrnici napětí klesá pod hodnotu remanentního napětí (bod B) a stroj se postupně odbudí.

Obr. 7: Charakteristika naprázdno U (I_f) při n =konst. při různém R_d a nabuzování generátoru s paralelním buzením [4]

Velikost napětí, na které se generátor s paralelním buzením při dané rychlosti nabudí, závisí na směrnici odporové přímky tg α, tj. na velikosti odporu R_d vřazeného do budicího obvodu. Největší napětí, nazývané stropní napětí, je při R_d = 0, viz přímka 2 v obr. 7. Je-li činný odpor v obvodu buzení (R_f + R_d) příliš velký při dané rychlosti otáčení (přímka 4), generátor se nabudí pouze na malé napětí (bod C). Odpor v obvodu buzení (nebo regulační odpor), při jehož překročení se generátor s paralelním buzením při daných otáčkách nenabudí, se nazývá kritický odpor.

Obr. 8: Souvislost charakteristik naprázdno generátoru s paralelním buzením při různých otáčkách a odporové přímky s nabuzováním [4]

Obr. 9: Závislost napětí na otáčkách a kritické otáčky [4]

Při nastavení konstantní velikosti derivačního odporu zvyšujeme rychlost generátoru ve správném smyslu. Generátor se začne nabuzovat při určitých, tzv. kritických otáčkách n_k. Zdůvodnění plyne z obr. 8, kde jsou zakresleny charakteristiky U (I_f) pro různé otáčky. Průsečíky zvolené odporové přímky s těmito charakteristikami určují charakteristiku U (n) a kritické otáčky n_k v obr. 9. Z obr. 8 plyne možnost řídit napětí generátoru. To je možné pouze v oblasti za kolenem charakteristiky U (I_f), kde průsečíky charakteristik s odporovou přímkou jsou výrazné. Řízení v oblasti nenasycené části charakteristiky je nestabilní.

Chod naprázdno

Chod naprázdno je definován jako chod při odpojené zátěži, tj. při proudu kotvy I = 0. Ten je však nenulový a je roven budicímu proudu, viz obr. 6. Změřená charakteristika naprázdno se příliš neliší od charakteristiky naprázdno stroje s cizím buzením (pokud se ji podaří naměřit v lineární části).

Chod při zatížení

Obr. 10: Pracovní charakteristiky U (I_f) pro různé proudy kotvy a n = konst. [4]

Pracovní charakteristika U (I_f) při I = konst., n = konst. má obdobný průběh jako u generátoru s cizím buzením (obr. 10). Ustálená hodnota svorkového napětí U pro daný zatěžovací proud I a rychlost odpovídá průsečíku dané charakteristiky s odporovou přímkou. Pro derivační odpor R_d = 0 lze graficky odvodit maximální napětí pro dané zatížení.

Obr. 11: Pracovní charakteristiky U (I_f) [4]

Vnější charakteristika U (I) při R_d = konst., n = konst. s rostoucím zatěžovacím proudem klesá více než u generátoru s cizím buzením, neboť napětí klesá nejen vlivem úbytku napětí na odporu v obvodu kotvy a demagnetizačního účinku reakce kotvy, ale navíc i vlivem zmenšování budicího proudu (budicí obvod je připojen na klesající napětí kotvy). Je-li stroj správně navržen, není rozdíl v průběhu vnějších charakteristik v pracovní oblasti podstatný. Při dále stoupajícím zatěžovacím proudu může poklesnout svorkové napětí natolik, že už není schopno dodat potřebný budicí proud k vytvoření indukovaného napětí. Toto napětí tak poklesne a není schopno dodat odpovídající zatěžovací proud. Proud poklesne pod maximální hodnotu, která může dosáhnout hodnoty (2 až 2,5).I_N. Při dalším zatěžování, při U = 0 dosáhne proud zátěže ustálené hodnoty proudu nakrátko I_k, jehož velikost je dána remanentním napětím a odporem v obvodu kotvy, viz obr. 11. Ze srovnání ustálených proudů vyplývá, že zatímco u generátoru s cizím buzením dosahuje proud nakrátko nepřípustných hodnot, podstatně větších než proud jmenovitý, u generátoru s paralelním buzením je proud nakrátko mnohem menší a je srovnatelný s jmenovitým proudem. U generátoru s paralelním vinutím lze tedy připustit trvalý chod nakrátko, nikoli však zkrat. Při zkratu neklesne magnetický tok okamžitě na minimální hodnotu, nýbrž zaniká pomaleji s časovou konstantou, jež závisí na parametrech elektrických i magnetických tlumicích obvodů. Proud při zkratu tak může dosáhnout stejně nebezpečných hodnot jako u generátoru s cizím buzením a způsobit přejiskření na komutátoru.

Zhodnocení a užití generátoru s paralelním buzením

Největší výhodou generátoru s paralelním buzením je skutečnost, že nevyžaduje zvláštní zdroj budicího stejnosměrného proudu. Svorkové napětí závisí na zatěžovacím proudu kotvy v rozsahu do jmenovitých zatížení téměř tak málo jako u generátoru s cizím buzením. Jeho hlavní nevýhodou je omezená možnost řízení napětí, neboť bez zvláštní úpravy magnetického obvodu, např. pólů (isthmus), je řízení napětí zpravidla nestabilní. Výhody generátoru s cizím a paralelním buzením lze využít například tak, že generátor s paralelním buzením napájí budicí vinutí pólů cize buzeného generátoru. Tento způsob lze použít například u tzv. Leonardova soustrojí, při buzení alternátorů apod. U nově vyráběných zařízení jsou všechny druhy generátorů postupně vytlačovány řízenými i neřízenými polovodičovými usměrňovači.

Generátor se sériovým buzením

Obr. 12: Schéma zapojení generátoru se sériovým buzením [4]

Generátor se sériovým buzením (sériové dynamo) má vlastní buzení, budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy, viz obr. 12. Je protékáno proudem kotvy a má malý počet závitů velkého průřezu. Pro jeho nabuzení platí podobné podmínky jako u derivačního generátoru.

Aby se sériový generátor nabudil,

• musí být zatížen (např. odporem R_z), viz obr. 12,
• musí mít remanentní magnetický tok,
• zatěžovací proud musí zesilovat remanentní tok.

Protože svorkové napětí silně závisí na zatížení, navíc se zatížením roste, sériového generátoru se jako zdroje stejnosměrného napětí nepoužívá. Jejich vlastnosti se však využívají, neboť dosud používané stejnosměrné motory se sériovým buzením v závislé trakci při brzdění pracují jako generátory. [2]

Generátor se smíšeným buzením (kompaundní)

Kompaundní generátor má na hlavních pólech budicí vinutí paralelní i sériové. Jeho charakteristické vlastnosti závisí na vzájemném poměru magnetomotorických napětí budicích vinutí a na tom, zda budicí vinutí působí ve stejném, nebo opačném smyslu (kompaundní nebo protikampoundní dynamo), viz obr. 13 a obr. 14. Základní bývá budicí vinutí paralelní. Poměr magnetomotorických napětí obou vinutí se volí tak, aby sériové vinutí kompenzovalo úbytek napětí na kotvě a účinek reakce kotvy při zatížení. Svorkové napětí pak klesá velmi málo, při předimenzování sériového vinutí může se zatížením i stoupat. Protikompaundní generátor se používá jen ve zvláštních případech, neboť jeho napětí se zatížením velmi klesá, má tzv. „měkkou“ vnější charakteristiku. [3]

Obr. 13: Schéma zapojení kompaudního generátoru [4]

Obr. 14: Schéma zapojení protikompaudního generátoru [4]

 

Zdroje

[1] VRÁNA, Václav, Stanislav KOCMAN a Václav KOLÁŘ:Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-30]. Dostupný na www: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_stejnosmerne_stroje_bc.pdf

[2] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-10-11]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/A1B14SP1_Stejnosmerne_stroje.pdf

[3] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-10-11]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/EMM-p-2-14-44--SS.doc

Obrázky

[4] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/EMM-p-2-14-44--SS.doc