Circuits électriques à courant continu et leurs caractéristiques

Propriétés Générateur CC sont principalement déterminés par la manière dont la bobine d'excitation est activée. Il existe des générateurs d'excitation indépendants, parallèles, série et mixtes :

• excité indépendamment : la bobine de champ est alimentée par une source de courant continu externe (une batterie, un petit générateur auxiliaire appelé excitateur ou redresseur),

• excitation parallèle : l'inducteur est connecté en parallèle avec l'enroulement d'induit et la charge,

• excitation série : l'inducteur est connecté en série avec l'enroulement d'induit et la charge,

• avec excitation mixte: il y a deux enroulements de champ - parallèle et série, le premier est connecté en parallèle avec l'enroulement d'induit et le second est connecté en série avec celui-ci et la charge.

Les générateurs parallèles, en série et à excitation mixte sont des machines auto-excitées car leurs enroulements de champ sont alimentés par le générateur lui-même.

Excitation des générateurs de courant continu : a — indépendant, b — parallèle, c — série, d — mixte.

Tous les générateurs répertoriés ont le même appareil et ne diffèrent que par la construction des bobines d'excitation. Les bobines d'excitation indépendante et parallèle sont en fil de petite section, elles ont un grand nombre de spires, la bobine d'excitation série est en fil de grande section, il y a un petit nombre de spires.

Les propriétés des générateurs de courant continu sont évaluées par leurs caractéristiques : inactif, externe et de contrôle. Ci-dessous, nous examinerons ces caractéristiques pour différents types de générateurs.

Générateur à excitation indépendante

Une caractéristique d'un générateur à excitation indépendante (Fig. 1) est que son courant d'excitation Iv ne dépend pas du courant d'induit Ii, mais est déterminé uniquement par la tension Uv fournie à la bobine d'excitation et la résistance Rv du circuit d'excitation .

Riz. 1. Schéma de principe d'un générateur à excitation indépendante

Habituellement, le courant de champ est faible et s'élève à 2-5% du courant d'induit nominal. Pour réguler la tension du générateur, un rhéostat de régulation Rpv est souvent inclus dans le circuit de l'enroulement d'excitation. Sur les locomotives, le courant Iv est régulé en modifiant la tension Uv.

Caractéristique de ralenti du générateur (Fig. 2, a) - la dépendance de la tension Uo au ralenti sur le courant d'excitation Ib en l'absence de charge Rn, c'est-à-dire à In = Iya = 0 et à une vitesse de rotation constante n. A vide, lorsque le circuit de charge est ouvert, la tension du générateur Uo est égale à e. etc. v. Eo = cEFn.

Étant donné que lors de la suppression de la caractéristique de régime de ralenti, la vitesse n reste inchangée, la tension Uo ne dépend que du flux magnétique F.Par conséquent, la caractéristique de ralenti sera similaire à la dépendance du flux F au courant d'excitation Ia (la caractéristique magnétique du circuit magnétique du générateur).

La caractéristique à vide peut être facilement éliminée expérimentalement en augmentant progressivement le courant d'excitation de zéro à la valeur où U0 = 1,25 Unom, puis en diminuant le courant d'excitation jusqu'à zéro. Dans ce cas, on obtient les branches montante 1 et descendante 2 de la caractéristique. La divergence de ces branches est due à la présence d'hystérésis dans le circuit magnétique de la machine. Lorsque Iw = 0 dans le bobinage d'induit, le flux de magnétisme rémanent induit un rémanent d, etc. avec Eost, qui est généralement de 2 à 4 % de la tension nominale Unom.

Aux faibles courants d'excitation, le flux magnétique de la machine est faible, donc dans cette région, le flux et la tension Uo changent en proportion directe avec le courant d'excitation, et la partie initiale de cette caractéristique est une ligne droite. Lorsque le courant d'excitation augmente, le circuit magnétique du générateur se sature et la montée de la tension Uo ralentit. Plus le courant d'excitation est important, plus la saturation du circuit magnétique de la machine est forte et plus la tension U0 augmente lentement. Aux courants d'excitation très élevés, la tension Uo cesse pratiquement d'augmenter.

La caractéristique à vide vous permet d'estimer la valeur de la tension et des propriétés magnétiques possibles de la machine. La tension nominale (indiquée dans le passeport) pour les machines à usage général correspond à la partie saturée de la caractéristique (le "coude" de cette courbe).Dans les générateurs de locomotive nécessitant une régulation de tension à large plage, des parties insaturées curvilignes et linéaires de la caractéristique sont utilisées.

D. d. C. la machine change proportionnellement à la vitesse n, donc, pour n2 < n1, la caractéristique de ralenti se situe en dessous de la courbe pour n1. Lorsque le sens de rotation du générateur change, le sens de e change. etc. c) est induite dans l'enroulement d'induit, et donc la polarité des balais.

Une caractéristique externe du générateur (Fig.2, b) est la dépendance de la tension U au courant de charge In = Ia à vitesse constante n et au courant d'excitation Iv. La tension du générateur U est toujours inférieure à son e. etc. c.E par la valeur de la chute de tension dans tous les enroulements connectés en série dans le circuit d'induit.

Lorsque la charge du générateur augmente (courant d'enroulement d'induit IАЗ САМ — азЗ), la tension du générateur diminue pour deux raisons :

1) en raison d'une augmentation de la chute de tension dans le circuit d'enroulement d'induit,

2) en raison d'une diminution de e. etc. sous l'effet de l'action démagnétisante du flux d'induit. Le flux magnétique de l'armature affaiblit quelque peu le flux magnétique principal Ф du générateur, ce qui entraîne une légère diminution de son e. etc. v. E lors du chargement contre e. etc. avec Eo au ralenti.

La variation de tension lors de la transition du mode ralenti à la charge nominale dans le générateur considéré est de 3 à 8℅ de la valeur nominale.

Si vous fermez le circuit externe à une très faible résistance, c'est-à-dire que vous court-circuitez le générateur, sa tension tombe à zéro.Le courant dans l'enroulement d'induit Ik pendant un court-circuit atteindra une valeur inacceptable à laquelle l'enroulement d'induit peut griller. Dans les machines à faible puissance, le courant de court-circuit peut être de 10 à 15 fois le courant nominal, dans les machines à forte puissance, ce rapport peut atteindre 20 à 25.

Riz. 2. Caractéristiques d'un générateur à excitation indépendante: a - ralenti, b - externe, c - régulation

La caractéristique de régulation du générateur (Fig. 2, c) est la dépendance du courant d'excitation Iv au courant de charge In à tension constante U et à fréquence de rotation n. Il montre comment ajuster le courant d'excitation pour maintenir la tension du générateur constante lorsque la charge change. Évidemment, dans ce cas, à mesure que la charge augmente, il est nécessaire d'augmenter le courant d'excitation.

Les avantages d'un générateur à excitation indépendante sont la possibilité d'ajuster la tension sur une large plage de 0 à Umax en modifiant le courant d'excitation et une petite modification de la tension du générateur sous charge. Cependant, il nécessite une source de courant continu externe pour alimenter la bobine de champ.

Générateur à excitation parallèle.

Dans ce générateur (Fig.3, a) le courant d'enroulement d'induit Iya se branche dans le circuit de charge externe RH (courant In) et dans l'enroulement d'excitation (courant Iv), le courant Iv pour les machines de moyenne et haute puissance est de 2- 5 % de la valeur nominale du courant dans l'enroulement d'induit La machine utilise le principe de l'auto-excitation, dans lequel l'enroulement d'excitation est alimenté directement à partir de l'enroulement d'induit du générateur. Cependant, l'auto-excitation du générateur n'est possible que si un certain nombre de conditions sont remplies.

1.Pour démarrer le processus d'auto-excitation du générateur, il est nécessaire d'avoir un flux résiduel de magnétisme dans le circuit magnétique de la machine, qui induit e dans l'enroulement d'induit. etc. village d'Eost. Cet e. etc. v. fournit un flux à travers le circuit "enroulement d'induit - enroulement d'excitation" d'un certain courant de démarrage.

2. Le flux magnétique créé par la bobine de champ doit être dirigé conformément au flux magnétique du magnétisme résiduel. Dans ce cas, dans le processus d'auto-excitation, le courant d'excitation Iv et donc le flux magnétique Ф de la machine e augmenteront. etc. v. E. Cela continuera jusqu'à ce que, en raison de la saturation du circuit magnétique de la machine, l'augmentation supplémentaire de F et donc de E et Ib s'arrête. La coïncidence dans la direction des flux indiqués est assurée par la connexion correcte de l'enroulement d'excitation à l'enroulement d'induit. En cas de connexion incorrecte, la machine se démagnétise (le magnétisme résiduel disparaît) et e. etc. c) E diminue jusqu'à zéro.

3. La résistance du circuit d'excitation RB doit être inférieure à une certaine valeur limite appelée résistance critique. Par conséquent, pour l'excitation la plus rapide du générateur, il est recommandé, lorsque le générateur est allumé, de sortir complètement le rhéostat de régulation Rpv connecté en série avec la bobine d'excitation (voir Fig. 3, a). Cette condition limite également la plage possible de régulation du courant de champ, et donc de la tension du générateur excité en parallèle. Il est généralement possible de réduire la tension du générateur en augmentant la résistance du circuit de l'enroulement de champ uniquement à (0,64-0,7) Unom.

Riz. 3.Schéma de principe d'un générateur à excitation parallèle (a) et caractéristiques externes des générateurs à excitation indépendante et parallèle (b)

Il convient de noter que l'auto-excitation du générateur nécessite le processus d'augmentation de son e. etc. avec E et le courant d'excitation Ib se sont produits lorsque la machine était au ralenti. Sinon, en raison de la faible valeur de Eost et de la chute de tension interne importante dans le circuit d'enroulement d'induit, la tension appliquée à l'enroulement d'excitation peut diminuer jusqu'à presque zéro et le courant d'excitation ne peut pas augmenter. Par conséquent, la charge ne doit être connectée au générateur qu'après que la tension à ses bornes est proche de la tension nominale.

Lorsque le sens de rotation de l'induit change, la polarité des balais change et donc le sens du courant dans l'inducteur, dans ce cas le générateur se démagnétise.

Pour éviter cela, lors du changement de sens de rotation, il est nécessaire de commuter les fils reliant la bobine de champ à la bobine d'induit.

La caractéristique externe du générateur (courbe 1 sur la Fig. 3, b) représente la dépendance de la tension U sur le courant de charge In à des valeurs constantes de la vitesse n et de la résistance du circuit de commande RB. Elle se situe en dessous de la caractéristique externe du générateur à excitation indépendante (courbe 2).

Cela s'explique par le fait qu'en plus des deux mêmes raisons provoquant la diminution de la tension avec l'augmentation de la charge dans un générateur excité indépendamment (chute de tension dans le circuit d'induit et effet démagnétisant de la réaction d'induit), il existe une troisième raison dans générateur considéré — réduction du courant d'excitation.

Puisque le courant d'excitation IB = U / Rv, c'est-à-dire dépend de la tension U de la machine, alors avec une diminution de la tension, pour ces deux raisons, le flux magnétique F et e diminue. etc. v. générateur E, ce qui entraîne une nouvelle diminution de la tension. Le courant maximal Icr correspondant au point a est dit critique.

Lorsque l'enroulement d'induit est court-circuité, le courant Ic du générateur excité en parallèle est faible (point b), car dans ce mode la tension et le courant d'excitation sont nuls. Par conséquent, le courant de court-circuit n'est créé que par e. etc. du magnétisme résiduel et est (0,4 ... 0,8) Inom .. La caractéristique externe est divisée à partir du point a en deux parties: supérieure - active et inférieure - non active.

Habituellement, la totalité de la partie travaillante n'est pas utilisée, mais seulement une certaine partie de celle-ci. Le fonctionnement de la section ab de la caractéristique externe est instable, dans ce cas la machine passe dans le mode correspondant au point b, c'est-à-dire en mode court-circuit.

La caractéristique à vide du générateur à excitation parallèle est prise avec une excitation indépendante (lorsque le courant dans l'induit Iya = 0), elle ne diffère donc en rien de la caractéristique correspondante du générateur à excitation indépendante (voir Fig. 2, a). La caractéristique de commande du générateur à excitation parallèle a la même forme que la caractéristique du générateur à excitation indépendante (voir Fig. 2, c).

Les générateurs à excitation parallèle sont utilisés pour alimenter les consommateurs électriques dans les voitures particulières, les automobiles et les avions, tels que les générateurs pour entraîner des locomotives électriques, des locomotives diesel et des wagons, et pour charger des batteries de stockage.

Générateur d'excitation série

Dans ce générateur (Fig.4, a) le courant d'excitation Iw est égal au courant de charge In = Ia, et la tension varie considérablement lorsque le courant de charge change. Au ralenti, une petite émission est induite dans le générateur. etc. v. Eri, créé par le flux de magnétisme résiduel (Fig. 4, b).

Lorsque le courant de charge augmente Ii = Iv = Iya, le flux magnétique augmente, par ex. etc. p. et de la tension du générateur, cette augmentation, comme dans les autres machines auto-excitées (générateur à excitation parallèle), se poursuit jusqu'à une certaine limite due à la saturation magnétique de la machine.

Lorsque le courant de charge augmente au-dessus de Icr, la tension du générateur commence à diminuer, car le flux magnétique d'excitation dû à la saturation cesse presque d'augmenter, et l'effet démagnétisant de la réaction d'induit et la chute de tension dans le circuit d'enroulement d'induit IяΣRя continuent d'augmenter . Habituellement, le courant Icr est beaucoup plus élevé que le courant nominal. Le générateur ne peut fonctionner de manière stable que sur la partie ab de la caractéristique externe, c'est-à-dire à des courants de charge supérieurs à la valeur nominale.

Étant donné que dans les générateurs excités en série, la tension varie considérablement avec les changements de charge et est proche de zéro pendant le fonctionnement à vide, ils ne conviennent pas pour alimenter la plupart des consommateurs électriques. Ils sont utilisés uniquement avec le freinage électrique (rhéostatique) des moteurs à excitation série, qui sont ensuite transférés en mode générateur.

Riz. 4. Schéma de principe d'un générateur d'excitation série (a) et sa caractéristique externe (b)

Générateur d'excitation mixte.

Dans ce générateur (Fig. 5, a), le plus souvent, la bobine d'excitation parallèle est la principale et la série est la bobine auxiliaire.Les deux bobines ont la même polarité et sont connectées de sorte que les flux magnétiques qu'elles produisent s'additionnent (commutation concordante) ou se soustraient (commutation opposée).

Un générateur à excitation mixte, lorsque ses enroulements inducteurs sont connectés en accord, permet d'obtenir une tension sensiblement constante lors de l'évolution de la charge. La caractéristique externe du générateur (Fig. 5, b) peut en première approximation être représentée comme une somme de caractéristiques créées par chaque bobine d'excitation.

Riz. 5. Schéma de principe d'un générateur à excitation mixte (a) et ses caractéristiques externes (b)

Lorsqu'un seul enroulement parallèle est activé, à travers lequel passe le courant d'excitation I1, la tension du générateur U diminue progressivement avec l'augmentation du courant de charge In (courbe 1).Lorsqu'un enroulement série est activé, à travers lequel le courant d'excitation Iw2 = In , la tension U augmente avec l'augmentation du courant In (courbe 2).

Si l'on choisit le nombre de spires de l'enroulement série de sorte qu'à la charge nominale, la tension créée par celui-ci ΔUPOSOL compense la chute de tension totale ΔU, lorsque la machine fonctionne avec un seul enroulement parallèle, alors il est possible d'obtenir que le la tension U reste quasiment inchangée, lorsque le courant de charge passe de zéro à la valeur nominale (courbe 3). En pratique, il varie entre 2 et 3 %.

En augmentant le nombre de spires de l'enroulement série, il est possible d'obtenir une caractéristique où la tension UHOM aura plus de tension Uo au repos (courbe 4), cette caractéristique permet de compenser la chute de tension non seulement dans la résistance interne du circuit d'induit du générateur, mais aussi dans la ligne le reliant à la charge. Si l'enroulement série est activé de sorte que le flux magnétique créé par celui-ci soit dirigé contre le flux de l'enroulement parallèle (commutation de compteur), la caractéristique externe du générateur avec un grand nombre de tours de l'enroulement série chutera fortement (courbe 5).

La connexion inverse des enroulements de champ en série et en parallèle est utilisée dans les générateurs de soudage fonctionnant dans des conditions de courts-circuits fréquents. Dans de tels générateurs, en cas de court-circuit, l'enroulement série démagnétise presque complètement la machine et réduit le courant de court-circuit. à une valeur sûre pour le générateur.

Des génératrices à enroulements inducteurs à connexions opposées sont utilisées sur certaines locomotives diesel comme excitatrices de génératrices de traction, elles assurent la constance de la puissance délivrée par la génératrice.

Ces agents pathogènes sont également utilisés sur les locomotives électriques à courant continu. Ils alimentent les enroulements inducteurs des moteurs de traction qui fonctionnent en mode régénératif pendant le freinage régénératif et fournissent des caractéristiques externes fortement décroissantes.

L'excitation mixte du générateur est un exemple typique de régulation des perturbations.

Les générateurs CC sont souvent connectés en parallèle pour fonctionner dans un réseau commun.Une condition préalable au fonctionnement en parallèle des générateurs avec une répartition de charge proportionnelle à la puissance nominale est l'identité de leurs caractéristiques externes. Lors de l'utilisation de générateurs à excitation mixte, leurs enroulements en série pour les courants d'égalisation doivent être connectés dans un bloc commun par un fil d'égalisation.