直流の電気回路とその特徴

プロパティ 直流発電機 は主に励磁コイルをオンにする方法によって決まります。独立、並列、直列、および混合励磁発生器があります。

• 独立励磁: 界磁コイルは外部 DC 電源 (バッテリー、励磁器または整流器と呼ばれる小型の補助発電機) によって電力を供給されます。

• 並列励磁: 界磁巻線が電機子巻線および負荷と並列に接続されます。

• 直列励磁: 界磁巻線は電機子巻線および負荷と直列に接続されます。

• 混合励磁の場合: 並列と直列の 2 つの界磁巻線があり、1 つ目は電機子巻線と並列に接続され、2 つ目は電機子巻線と負荷に直列に接続されます。

並列、直列、および混合励磁発電機は、界磁巻線が発電機自体によって励磁されるため、自励式の機械です。

DC 発電機の励磁: a - 独立、b - 並列、c - 直列、d - 混合。

リストされているすべての発電機は同じ装置を備えており、励起コイルの構造のみが異なります。独立励磁および並列励磁のコイルは断面積の小さいワイヤで作られ、巻数が多くなります。直列励磁のコイルは断面積が大きく、巻数が少なくなります。

DC 発電機の特性は、アイドル、外部、制御などの特性によって評価されます。以下では、さまざまな種類の発電機のこれらの特性を見ていきます。

独立励磁発電機

独立励磁型発電機（図1）の特徴は、励磁電流Ivが電機子電流Iiに依存せず、励磁コイルに供給される電圧Uvと励磁回路の抵抗Rvのみで決まることです。 。

米。 1. 独立励起発電機の概略図

通常、界磁電流は低く、定格電機子電流の 2 ～ 5% になります。発電機の電圧を調整するために、励磁巻線の回路に調整用加減抵抗器 Rpv が組み込まれることがよくあります。機関車では、電流 Iv は電圧 Uv を変更することによって調整されます。

発電機のアイドル特性（図2、a） - 負荷Rnがない場合、つまりIn = Iya = 0および一定の回転速度nにおけるアイドル時の電圧Uoの励磁電流Ibへの依存性。無負荷時、負荷回路が開いているとき、発電機電圧 Uo は e に等しくなります。等v. Eo = cEFn。

アイドル回転数の特性を取り除くと、回転数 n は変化しないため、電圧 Uo は磁束 F のみに依存します。したがって、アイドル特性は磁束 F の励磁電流 Ia 依存性 (発電機の磁気回路の磁気特性) と同様になります。

無負荷特性は、励磁電流をゼロから U0 = 1.25Unom の値まで徐々に増加させ、その後励磁電流をゼロまで減少させることによって実験的に簡単に除去できます。この場合、特性の昇順 1 分岐と降順 2 分岐が得られます。これらの分岐の分岐は、機械の磁気回路にヒステリシスが存在するためです。電機子巻線にIw=0の場合、残留磁気磁束により残留dなどが発生します。 Eost では、通常、公称電圧 Unom の 2 ～ 4% になります。

低い励磁電流では、機械の磁束は小さいため、この領域では磁束と電圧 Uo は励磁電流に正比例して変化し、この特性の最初の部分は直線になります。励磁電流が増加すると、発電機の磁気回路が飽和し、電圧 Uo の上昇が遅くなります。励磁電流が大きいほど、機械の磁気回路の飽和が強くなり、電圧 U0 の増加が遅くなります。励起電流が非常に高い場合、電圧 Uo は実質的に増加を停止します。

無負荷特性により、機械の考えられる電圧と磁気特性の値を推定することができます。汎用マシンの公称電圧 (パスポートに示されている) は、特性の飽和部分 (この曲線の「膝」) に対応します。広範囲の電圧調整が必要な機関車用発電機では、特性の曲線と直線の不飽和部分の両方が使用されます。

D. d. C. 機械は速度 n に比例して変化するため、n2 < n1 の場合、アイドル特性は n1 の曲線よりも下になります。発電機の回転方向が変わると、eの方向も変わります。等c. 電機子巻線、したがってブラシの極性に誘導されます。

発電機の外部特性（図2、b）は、一定速度nおよび励磁電流Ivにおける負荷電流In = Iaに対する電圧Uの依存性です。発電機電圧 U は常に e よりも低くなります。等c. E は、電機子回路内で直列に接続されているすべての巻線の電圧降下の値によって計算されます。

発電機の負荷が増加すると (電機子巻線電流 ​​IАЗ САМ — азЗ)、発電機の電圧は次の 2 つの理由により低下します。

1) 電機子巻線回路の電圧降下の増加により、

２）ｅの減少による。等電機子磁束の消磁作用の結果として。アーマチュアの磁束は発電機の主磁束 Ф をいくらか弱め、その e がわずかに減少します。等v. e に対してロードする場合は E。等Eo はアイドル状態です。

対象となる発電機のアイドル モードから定格負荷への移行中の電圧の変化は、定格の 3 ～ 8℅ です。

外部回路を非常に低い抵抗で閉じる、つまり発電機を短絡すると、その電圧はゼロに低下します。短絡中の電機子巻線の電流 Ik は、電機子巻線が焼損する可能性がある許容できない値に達します。低電力マシンでは、短絡電流は定格電流の 10 ～ 15 倍になる可能性があり、高電力マシンでは、この比率は 20 ～ 25 倍に達することがあります。

米。 2. 独立した励磁を備えた発電機の特性: a - アイドル、b - 外部、c - 調整

発電機の調整特性（図2、c）は、定電圧Uおよび回転周波数nにおける励磁電流Ivの負荷電流Inへの依存性です。負荷が変化しても発電機の電圧を一定に保つために励磁電流を調整する方法を示します。当然のことですが、この場合、負荷が大きくなると励磁電流を大きくする必要があります。

独立励起発電機の利点は、励起電流を変更することによって 0 から Umax までの広い範囲で電圧を調整できることと、負荷時の発電機電圧の小さな変化が可能であることです。ただし、フィールドコイルに電力を供給するには外部 DC 電源が必要です。

並列励磁を備えた発電機。

この発電機 (図 3、a) では、電機子巻線電流 ​​Iya が外部負荷回路 RH (電流 In) と励磁巻線 (電流 Iv) に分岐します。中出力および高出力の機械の電流 Iv は 2 ～ 5 です。電機子巻線に流れる電流の定格値の % この機械は、励磁巻線が発電機の電機子巻線から直接給電される自励式の原理を使用しています。ただし、発電機の自励は、いくつかの条件が満たされた場合にのみ可能です。

1.発電機の自励プロセスを開始するには、機械の磁気回路内に磁気の残留磁束が存在する必要があり、これにより電機子巻線に磁束が誘導されます。等イオストの村。このeなど。 v. 「電機子巻線 - 励磁巻線」の回路に始動電流が流れます。

2. 界磁コイルが発生する磁束は残留磁気の磁束に合わせて方向付けする必要があります。この場合、自励の過程で、励磁電流 Iv が増加し、したがって機械 e の磁束 Ф が増加します。等v. E. これは、機械の磁気回路の飽和により F がさらに増加し​​、したがって E と Ib が停止するまで続きます。示された磁束の方向の一致は、励磁巻線を電機子巻線に正しく接続することによって保証されます。接続を誤ると、機械が消磁（残留磁気が消える）し、ｅ．等c. E はゼロに減少します。

3. RB 励起回路の抵抗は、臨界抵抗と呼ばれる特定の制限値未満である必要があります。したがって、発電機を最速で励磁するには、発電機の電源をオンにしたときに、励磁コイルと直列に接続された調整レオスタット Rpv を完全に出力することをお勧めします (図 3、a を参照)。この条件はまた、界磁電流の調整の可能な範囲を制限し、したがって並列励起発電機の電圧も制限します。通常、界磁巻線の回路抵抗を (0.64 ～ 0.7) Unom まで増加させるだけで、発電機電圧を下げることが可能です。

米。 3.並列励磁の発電機の概略図 (a) と独立並列励磁の発電機の外部特性 (b)

発電機の自励には、その e を増加させるプロセスが必要であることに注意してください。等E と励磁電流 Ib は機械のアイドリング時に発生します。そうしないと、Eost の値が低く、電機子巻線回路の内部電圧降下が大きいため、励磁巻線に印加される電圧がほぼゼロに低下し、励磁電流が増加できなくなる可能性があります。したがって、負荷は、その端子の電圧が公称電圧に近づいてからのみ発電機に接続する必要があります。

アーマチュアの回転方向が変化すると、ブラシの極性が変化し、したがって界磁巻線の電流の方向が変化します。この場合、発電機は消磁されます。

これを避けるため、回転方向を変える際には界磁コイルと電機子コイルを繋ぐ配線を切り替える必要があります。

発電機の外部特性（図3、bの曲線1）は、速度nと駆動回路RBの抵抗の一定値における負荷電流Inに対する電圧Uの依存性を表します。これは、独立励起発電機の外部特性 (曲線 2) を下回っています。

これは、独立励磁発電機の負荷の増加に伴って電圧が低下する同じ 2 つの理由 (電機子回路の電圧降下と電機子反作用の減磁効果) に加えて、3 番目の理由があるという事実によって説明されます。発電機を考慮 - 励磁電流の削減。

励磁電流 IB = U / Rv、つまり、機械の電圧 U に依存するため、電圧が低下すると、これら 2 つの理由により、磁束 F と e が減少します。等v. 発電機 E。電圧がさらに低下します。点ａに対応する最大電流Ｉｃｒを臨界と呼ぶ。

電機子巻線が短絡した場合、このモードでは電圧と励磁電流がゼロになるため、並列励磁発電機の電流 Ic は小さくなります (点 b)。したがって、短絡電流は e によってのみ発生します。等残留磁気によるもので、(0.4 ... 0.8) Inom です。外部特性は、点 a から 2 つの部分、つまり上部 - 動作部分と下部 - 非動作部分に分けられます。

通常、作業部分全体が使用されるのではなく、その一部の部分のみが使用されます。外部特性の ab 区間の動作は不安定です。この場合、機械は点 b に対応するモードに入ります。短絡モードで。

並列励磁の発電機の無負荷特性は、独立励磁（電機子電流 Iya = 0 のとき）で取得されているため、独立励磁の発電機の対応する特性と何ら変わりません（図 1 を参照）。 2、a）。並列励磁の発電機の制御特性は、独立励磁の発電機の制御特性と同じ形状になります (図 2、c を参照)。

並列励磁発電機は、電気機関車、ディーゼル機関車、鉄道車両の駆動用発電機や蓄電池の充電用発電機など、乗用車、自動車、航空機の電気消費者に電力を供給するために使用されます。

直列励磁発電機

このジェネレータでは（図図 4、a) 励磁電流 Iw は負荷電流 In = Ia に等しく、負荷電流が変化すると電圧は大きく変化します。アイドル時には、発電機内で少量の排出物が発生します。等v. エリ、残留磁気の流れによって生成されます (図 4、b)。

負荷電流 Ii = Iv = Iya が増加すると、磁束が増加します。等他の自励式機械 (並列励磁式発電機) と同様に、この増加は機械の磁気飽和により一定の限界まで続きます。

負荷電流が Icr を超えて増加すると、飽和による励磁磁束の増加がほぼ止まるため、発電機電圧は低下し始め、電機子反作用による減磁効果と電機子巻線回路の電圧降下 IяΣRя は増加し続けます。通常、電流 Icr は定格電流よりもはるかに大きくなります。発電機は外部特性の ab の部分、つまり の部分でのみ安定して動作できます。公称値より高い負荷電流の場合。

直列励起発電機では、負荷の変化に応じて電圧が大きく変化し、無負荷運転時には電圧がゼロに近づくため、ほとんどの電力消費者に電力を供給するのには適していません。これらは、直列励磁モーターの電気 (レオスタティック) ブレーキでのみ使用され、その後発電機モードに移行します。

米。 4. 直列励磁発電機の概略図(a)とその外部特性(b)

混合励磁発生器。

この発電機 (図 5、a) では、ほとんどの場合、並列励磁コイルが主コイルであり、直列励磁コイルが補助コイルです。両方のコイルは同じ極性であり、それらによって生成される磁束が加算 (一致スイッチング) または減算 (反対スイッチング) するように接続されています。

混合励磁発電機では、界磁巻線が一致して接続されている場合、負荷が変化してもほぼ一定の電圧を得ることができます。発電機の外部特性 (図 5、b) は、一次近似では、各励磁コイルによって生成される特性の合計として表すことができます。

米。 5. 混合励磁発電機の概略図（a）とその外部特性（b）

励磁電流 Iв1 が流れる 1 つの並列巻線のみがオンになると、負荷電流 In の増加に伴って発電機電圧 U は徐々に減少します (曲線 1)。1 つの直列巻線がオンになると、励磁電流 Iw2 = In になります。電圧 U は電流 In の増加に伴って増加します (曲線 2)。

機械が 1 つの並列巻線だけで動作する場合、公称負荷でそれによって生成される電圧 ΔUPOSOL が総電圧降下 ΔU を補償するように直列巻線の巻数を選択すると、次のことを達成できます。負荷電流がゼロから定格値に変化しても、電圧 U はほとんど変化しません (曲線 3)。実際には、2 ～ 3% の範囲で変動します。

直列巻線の巻き数を増やすことにより、アイドル時の電圧 UHOM の電圧 Uo が増加する特性 (曲線 4) を得ることができます。この特性は、コイルの内部抵抗だけでなく電圧降下も補償します。発電機の電機子回路だけでなく、それを負荷に接続するラインにもあります。直列巻線がオンになり、それによって生成される磁束が並列巻線の磁束に逆らうように（逆整流）、直列巻線の巻数が多い発電機の外部特性は急激に低下します。 (曲線5)。

直列界磁巻線と並列界磁巻線の逆接続は、短絡が頻繁に起こる条件下で動作する溶接発電機で使用されます。このような発電機では、短絡が発生した場合、直列巻線が機械をほぼ完全に消磁し、短絡電流が減少します。ジェネレーターにとって安全な値に設定します。

逆接続の界磁巻線を備えた発電機は、一部のディーゼル機関車で主力発電機の励磁機として使用されており、発電機によって供給される電力の安定性が確保されています。

このような病原体は直流機関車にも使用されています。これらは、回生ブレーキ中に回生モードで動作するトラクション モータの界磁巻線に電力を供給し、急峻に低下する外部特性を提供します。

発電機混合励磁は外乱規制の典型的な例です。

DC 発電機は、共通のネットワークで動作するために並列接続されることがよくあります。公称電力に比例した負荷分散で発電機を並列運転するための前提条件は、その外部特性が同一であることです。混合励磁で発電機を使用する場合、電流を均等化するための直列巻線を均等化線によって共通のブロックに接続する必要があります。