|
|
|
GENERALITATI. CLASIFICARE. CARACTERISTICILE GENERATOARELOR DE CURENT CONTINUU
Generatoarele electrice de curent continuu sunt masini electrice care transforma energia mecanica a motorului termic in energie electrica. La generatoarele de curent continuu fluxul magnetic este produs de catre infasu rarea de excitatie asezata pe poli, fiind parcursa de curentul de excitatie Ie.
Valoarea curentului de excitatie se regleaza cu ajutorul unei rezistente variabile (R).
Dupa modul de alimentare a infasurarii de excitatie generatoarele se impart in:
a)
generatoare cu excitatie
separata (figura 15.1) infasurarea de excitatie
este alimentata de la o sursa independenta de curent (baterie de
acumulatoare, retea de curent continuu sau un generator auxiliar, cum este
cazul locomotivelor diesel-electrice);
b) generatoare cu excitatie proprie (autoexcitatie) infasurarea de excitatie este alimentata de la generatorul respectiv.
Dupa felul in care sunt conectate infasurarile de excitatie la bornele rotorului se pot deosebi:
generator cu excitatie in derivatie (figura 15.2) infasurarea de excitatie este conectata in paralel cu infasurarea rotorica. Pentru a se putea realiza excitatia este necesar ca generatorul sa aiba un magnetism remanent. Curentul de excitatie la generatoarele cu excitatie in derivatie si puteri pana la 500 KW trebuie sa fie de marimea 0,003 0,1 din valoarea curentului rotoric, ceea ce impune ca infasurarea de excitatie sa aiba rezistenta mare, lucu realizat cu un numar mare de spire si sectiunea conductorului mica;
generatorul cu excitatie serie (figura 15.3 infasurarea
de excitatie este conectata in serie cu infasurarea
rotorica. In acest caz curentul de excitatie este acelasi cu cel
produs de generator, fapt ce determina ca infasurarea de
excitatie sa aiba o rezistenta mica, deci
numar mic de spire, iar sectiunea conductorului sa fie mare;
generator cu excitatie compound (figura 15.4) la acest
tip de generator infasurarea de excitatie se compune dintr-o
infasurare derivatie si o
infasurare serie. La
generatoarele la care fluxurile celor doua infasurari(serie
si derivatie) au semne opuse
excitatia este anticompund.
c) generator cu excitatie mixta (figura 15.5)
infasurarea de excitatie este formata dintr-o infasurare separata si o infasurare serie si/sau derivatie.
Functionareaunui generator este caracterizata prin anumite relatii care se stabilesc intre marimile undamentale (tensiune, curent de sarcina,turatie, curent de excitatie etc.) aleacestuia.
Reprezentarile grafice ale acestor dependente in conditiile in care anumite marimi se mentin constante se numesc caracteristici ale generatoarelor electrice. Dintre aceste caracteristici un interes deosebit prezinta caracteristica de mers in gol si caracteristicile de mers in sarcina.
Caracteristica de mers in gol este reprezentarea grafica a variatiei tensiunii electromotoare Eg, a generatorului in functie de curentul de excitatie Ie, in conditiile in care la bornele generatorului nu este conectat nici un consumator. Caracteristica se traseaza in conditiile in care turatia este mentinuta constanta si poate fi trasata pentru diferite regimuri de turatie n1, n2.
Tensiunea electromotoare la bornele unui generator a carui indus se roteste cu viteza n este data de relatia:
Eg = ke (j n,
unde:
ke
este o marime constanta si caracterizeaza parametrii
constructivi al generatorului (numar de poli, numarul cailor de
curent);
j - fluxul magnetic al generatorului.
Aspectul caracteristicii este dat in figura 15.6
La cresterea curentului de excitatie Ie, de la valoarea 0 spre imax tensiunea electromotoare a generatorului variaza dupa curba 2, iar la scadere dupa curba 1, astfel ca cele doua curbe inchid o suprafata S datorita histerezisului magnetic.
In practica se utilizeaza o curba medie 3 care trece pe la mijlocul distantei dintre cele doua curbe si zero.
Tensiunea la bornele generatorului de curent continuu U este intotdeauna mai mica decat tensiunea electromotoare datorita caderii de tensiune pe infasurarea rotorica.
unde:
I - curentul care trece prin infasurarea rotorica;
R - rezistenta infasurarii rotorice.
La mers in gol valoarea curentului prin indus este 0, astfel ca si caderea de tensiune pe acestea este 0, tensiunea la bornele generatorului, U fiind egala cu tensiunea electromotoare E.
Caracteristica de mers in gol se poate imparti in trei zone principale:
portiunea a - este partea rectilinie a graficului in care tensiunea electromotoare variaza aproape liniar cu variatia curentului de excitatie Ie, zona in care circuitul magnetic este nesaturat;
portiunea b este zona in care, pe masura ce creste curentul de excitatie Ie (creste si fluxul magnetic), saturatia circuitului magnetic creste, iar curba se abate de la variatia liniara, tensiunea electromotoare crescand mai incet in comparatie cu curentul de excitatie;
portiunea c - se caracterizeaza printr-o crestere nesemnificativa a tensiunii electromotoare fata de cresterea curentului de excitatie datorita saturatiei circuitului magnetic.
In general, tensiunea
nominala a generatoarelor obisnuite se alege la interferenta
dintre zona a si
zona b, deoarece functionarea in zona a se caracterizeaza
printr-o instabilitate a valorii tensiunii, iar in zona c se
restrang posibilitatile reglarii valorii tensiunii in limitele
dorite. Pentru generatoarele de curent continuu utilizate in tractiunea
feroviara functionarea se extinde atat
in zona a, cat si in zona b datorita
necesitatii reglarii tensiunii in limite largi.
Caracteristica de mers in sarcina (externa este reprezentarea grafica a variatiei tensiunii U la bornele generatorului in functie de curentul de sarcina I, in conditiile mentinerii constante a turatiei n si a curentului de excitatie Ie. Forma caracteristicii depinde de sistemul de excitatie al generatorului.
In figura 15.7 sunt prezentate caracteristicile externe ale unui generator in functie de felul excitatiei: 1 - excitatie separata; 2 - excitatie in derivatie;3 - excitatie serie; 4 - caracteristica functionarii generatorului la putere constanta.
Din variantele prezentate rezulta ca nici una din acestea nu corespund conditiei de functionare la putere constanta.
Cerinta cea mai importanta a generatorului de curent continuu utilizat in tractiunea feroviara este ca la puterea nominala a motorului termic caracteristica externa a acestuia sa se suprapuna peste caracteristica de tractiune (variatia fortei de tractiune in functie de viteza).
Caracteristica generatorului principal Puterea generatorului principal de curent continuu este data de relatia:
pg=Ug-Ig [W].
unde:
Ug tensiunea generatorului [V];
Ig - curentul de sarcina [A].
In conditiile in care generatorul preia integral puterea motorului diesel se stabileste relatia:
Ug'h rg PMD,
unde:
PMD - puterea motorului diesel;
rg randamentul generatorului.
La un regim de turatie si cuplu constant, motorul va avea o putere cons tanta PMD k, in consecinta, si puterea generatorului principal trebuie sa fie constanta. Se apreciaza ca si randamentul generatorului rg este constant.
Daca se reprezinta grafic variatia tensiunii si curentului unui generator utilizat in tractiunea feroviara, se obtine caracteristica externa ideala a generatorului care este o hiperbola. Variatia este similara cu variatia fortei de tractiune in functie de viteza.
Din punct de vedere constructiv forma caracteristicii externe este influentata de valorile maxime ale tensiunii si curentului. Tensiunea maxima este limitata de saturatia magnetica a masinii, de pericolul formarii cercului de foc la colector si de rezistenta de izolatie a infasurarilor. Valoarea curentului este limitata de incalzirea infasurarilor, conditiile de comutatie si rezistenta mecanica.
Datorita acestor limitari ale tensiunii si ale curentului,
caracteristica externa ideala a generatorului are forma din figura 15.8 reprezentata
de curba (ABCD), alaturi de care s-a trasat si caracteristica
externa reala, curba (AEFGD). Ambele caracteristici sunt trasate
pentru o turatie 'n' constanta.
Caracteristica externa
reala intersecteaza curba de putere constanta (BC) in punctele
(E) si (G), corespunzatoare curentilor (IE)si (IG),
puncte in care puterea motorului diesel este utilizata integral. Analizand
in continuare cele doua caracteristici, se observa ca pe portiunile
(AE) si (GD) puterea generatorului este mai mica decat puterea pe
care o poate furniza motorul die-
sel, iar pe portiunea (EG) situatia este inversa, aparand
tendinta de supraincarcare a motorului diesel.
Pentru ca caracteristica externa a generatorului principal, sa fie cat mai apropiata de caracteristica externa ideala (favorabila tractiunii feroviare), constructiv s-a adoptat solutia unui generator cu trei infasurari figura 15.9 si anume:
infasurarea de
excitatie in serie - anticompound (c care,
atunci cand este parcursa de un curent electric, produce un curent
electric de sens contrar celui produs de catre infasurarile
de excitatie in derivatie si separate. Prin aceasta curentul de
sarcina este limitat la valorile superioare. Tot aceasta infasurare
produce campul magnetic de baza, la pornirea motorului diesel,cand
generatorul functioneaza in regim de motor de curent continuu cu ex-
citatie serie figura 15.10
infasurarea de excitatie derivatie (e) este legata in paralel cu infasurarea rotorica, curentul care strabate aceasta infasurare fiind proportional cu tensiunea de la bornele generatorului principal. Pentru valoarea maxima a tensiunii curentul are valoarea ie = 3A;
infasurarea de excitatie separata da
posibilitatea reglarii tensiunii
generatorului principal astfel incat sa se obtina o
caracteristica externa cat mai apropiata de caracteristica
externa ideala, in acest scop fiind conectata la generatorul
auxiliar prin intermediul rezistentei variabile (rv) si a servoregulatorului de
camp. Valoarea maxima a curentului de excitatie este ie
max
= 21 A, pentru o incalzire medie a bobinajului si rezistenta variabila complet scurcircuitata.
Caracteristica externa reala a generatorului principal este reprezentata in figura 15 11. Analizand aceasta diagrama, se poate imparti in urmatoarele zone:
curba (FE) corespunde zonei (I) de demaraj cand este necesara o forta de tractiune mare corespunzatoare unor valori mari ale curentului si tensiuni mici. Pe aceasta portiune puterea preluata de generatorul principal este mai mica decat puterea debitata de motorul diesel, acesta fiind subincarcat;
curba (EDCB) corespunde zonei (II) in care puterea motorului diesel este integral utilizata de catre generatorul principal. Deoarece in aceasta zona puterea generatorului si a motorului diesel se mentin constante, caracteristica are forma unei hiperbole. Punctul (D) corespunde puterii uniorare(2.700 A; 500 V), iar punctul (C), puterii de durata (2.460 A; 550 V);
curba (BA) corespunde zonei (III) in care tensiunea la bornele generatorului principal se modifica foarte putin mentinandu-se aproape de valoarea maxima, iar puterea scade pe masura ce viteza creste.
In concluzie, daca generatorul nu ar avea infasurarea excitatiei separate cu reglare automata a valorii curentului de excitatie, acesta ar trebui sa functioneze dupa curba (BGE) imposibil de realizat deoarece puterea generatorului principal ar fi mai mare decat puterea debitata de catre motorul diesel. Conditia ca puterea motorului diesel sa fie utilizata integral de catre generator nu este, de asemenea, posibila pe intreg domeniul de functionare deoarece la extremitatile diagramei exista limitarile de tensiune si curent.
