Л 13. Тема: «Генераторы постоянного тока и их характеристика»

Рассмотрим вначале схемы соединения генераторов постоянного тока.

§1. Характеристики генераторов.

а) характеристика холостого хода – это зависимость U=f(i_в) при I_a=0, n=const=n_н.

U_ост=(2 – 3)%U_н

k_μ==1,1... 1,5

Наличие остаточной магнитной индукции используется в генераторах для самовозбуждения.

Условия самовозбуждения:

1. наличие остаточного магнитного потока полюсов;
2. правильность подключения концов обмотки возбуждения или правильность направления вращения якоря;
3. сопротивление цепи возбуждения R_в при данной частоте вращения должно быть ниже некоторого критического значения.

U=i_вR_в+L_в

в точке а^’’ L_в=0, ток возбуждения не меняется

tg α=- полное сопротивление в контуре возбуждения

При R_в>R_пр процесс самовозбуждения невозможен.

б) характеристика короткого замыкания – зависимость I=f(i_в) при U=0, n=const=n_н.

При U=0 из уравнения U=E_a-I_aR_a видно, что E_a=I_aR_a, т.е. э.д.с. уравновешивается падением напряжения внутри самой машины. R_а мало, поэтому и Е_а мало, обычно снимают характеристику до I= (1,25... 1,5)I_н.

Характеристика прямолинейна, потому что магнитная система электрической машины не насыщена.

в) внешняя характеристика – это зависимость U=f(I_a) при i_в=const, n=const или при R_в=const для генератора с параллельным возбуждением.

С ростом тока U уменьшается из-за падения напряжения внутри генератора, т.к. U_а=E_a-I_aR_a. С другой стороны действует размагничивающая поперечная реакция якоря.

г) регулировочная характеристика – зависимость i_в=f(I_a) при U=const, n=const.

1 – независимое возбуждение;

2 – параллельное возбуждение;

3 – смешанное возбуждение с согласованным включением обмотки;

4 – смешанное возбуждение со встречным включением обмотки.

Л 14. Тема: «Генераторы постоянного тока. Классификация».

Свойства генераторов постоянного тока обусловлены в основном способом питания обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают следующие типы генераторов:

1. с независимым возбуждением – обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;
2. с параллельным возбуждением – обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;
3. с последовательным возбуждением – обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;
4. со смешанным возбуждением – имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая – последовательно с ней.

Генераторы эти имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимые и параллельные возбуждения, имеющие большое количество витков, изготовляют из провода малого сечения. Обмотку последовательного возбуждения, имеющую небольшое количество витков – из провода большего сечения. Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Генераторы с независимым возбуждением.

В генераторе этого типа ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_а, который равен току нагрузки I_н. Ток I_в определяется только положением регулировочного реостата R_рв, включенного в цепь обмотки возбуждения.

,

где U_в – напряжение источника питания;

R_в – сопротивление обмотки возбуждения;

R_рв – сопротивление регулировочного реостата.

Обычно I_в=(1-3)%I_аном. Основные характеристики, определяющие свойства генераторов постоянного тока: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Характеристикой холостого хода называют зависимость U₀=f(I_в) при I_a=0, n=const. При холостом ходе, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U₀ на зажимах обмотки якоря равно э.д.с. Е₀=с_е∙Ф∙n. Частота вращения якоря n поддерживается неизменной и напряжение при холостом ходе зависит только от магнитного потока Ф, т.е. тока возбуждения I_в. Поэтому характеристика U₀=f(I_в) подобна магнитной характеристике Ф= f(I_в). Характеристику холостого хода легко получить экспериментально. Для этого устанавливают ток возбуждения, чтобы U₀=1,25U_ном, затем уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличивают до прежнего значения. При этом получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики, выходящие из одной точки.

Расхождение ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитном проводе машины. При I_в=0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная э.д.с. Е_ост, которая составляет (2-4)% от U_ном.

Внешней характеристикой называют зависимость U=f(I_н) при I_в=const, n=const.

В режиме нагрузки напряжение генератора

U=E-,

где - сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной). С увеличением нагрузки на уменьшение напряжения U влияют:

1. падение напряжения во внутреннем сопротивлении машины;
2. уменьшение э.д.с. Е в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Изменение напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода

.

Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет 5 – 15%.

Регулировочной характеристикой называется зависимость I_в=f(I_н) при U=const, n=const.

Она показывает, каким образом следует регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Нагрузочной характеристикой называют зависимость U=f(I_в) при n=const, I_н=const. Нагрузочная характеристика при I_н=I_ном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 1), которую можно рассматривать, как частный случай нагрузочной характеристики при I_н=0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении машины.

Наглядное представление о влиянии этих факторов дает характеристический или реактивный треугольник АВС. Если к отрезку аА, равному в масштабе напряжению U при некотором токе нагрузки I_н и токе возбуждения I_в, прибавить отрезок АВ, равный в том же масштабе падению напряжения I_а в генераторе, то получим отрезок аВ, равный э.д.с. Е.

При холостом ходе э.д.с. Е индуцируется в обмотке якоря при меньшем токе I_в, соответствующем абсциссе точке С. Следовательно, отрезок ВС характеризует размагничивающее действие реакции якоря в масштабе тока возбуждения. При неизменном токе I_н катет АВ характеристического треугольника является постоянным, катет ВС зависит не только от тока I_н, но и от степени насыщения магнитной системы, т.е. от тока возбуждения I_в. В ряде случаев влиянием тока возбуждения пренебрегают и принимают, что отрезок ВС пропорционален только току I_н.

Генератор с параллельным возбуждением.

В этом генераторе обмотка возбуждения подсоединена через регулировочный реостат параллельно нагрузке.

Следовательно, в данном случае используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Чтобы их установить рассмотрим, процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуждения – обмотка якоря» в режиме холостого хода. Для этого контура получим уравнение

, (1)

где е и i_в – мгновенные значения э.д.с. в обмотке якоря и тока возбуждения;

∑R_в=R_в+R_рв – суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением можно пренебречь, т.к. оно значительно меньше ∑R_в);

L_в – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Все члены, входящие в это уравнение можно изобразить графически.

Э.д.с. е при некотором значении токе i_в тока возбуждения можно определить по характеристике холостого хода генератора, а падение напряжения i_в∑R_в – по вольтамперной характеристике обмотки возбуждения его цепи возбуждения. Характеристика обмотки возбуждения представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом γ к оси абсцисс. При этом tg γ=∑R_в. Из уравнения (1) имеем

(2)

Следовательно, если разность ()>0, то производная >0, и происходит процесс увеличения тока возбуждения i_в. Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения наблюдается при =0, т.е. в точке пересечения С характеристики холостого хода, ОА с прямой ОВ. При этом машина работает с некоторым установившимся током возбуждения I_во и э.д.с. E₀=U₀. Из уравнения (2) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий:

1. процесс самовозбуждения может начаться только в том случае, если в начальный момент (i_в=0) в обмотке якоря индуцируется некоторая начальная э.д.с. Такая э.д.с. может быть создана потоком остаточного магнетизма, поэтому для начала процесса самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуцирует в его обмотке э.д.с. Е_ост. Обычно поток остаточного магнетизма имеется в машине из-за наличия гистерезиса в ее магнитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.
2. при прохождении тока i_в по обмотке возбуждения ее м.д.с. F_в должна быть направлена согласно м.д.с. остаточного магнетизма F_ост. В этом случае под действием разности происходит процесс нарастания тока i_в, магнитного потока возбуждения Ф_в и э.д.с. е. Если указанные м.д.с. направлены встречно, то м.д.с. обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается, и процесс самовозбуждения не сможет начаться.
3. положительная разность , необходимая для возрастания тока возбуждения i_в от нуля до установившегося значения I_во, может возникать только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока i_в прямая ОВ располагается ниже характеристики холостого хода ОА. При увеличении сопротивления цепи возбуждения ∑R_в возрастает угол γ наклона прямой ОВ к оси тока I_в и при некотором критическом значении угла γ_кр (соответствующем критическому значению сопротивления =∑R_в.кр) прямая ОВ^’ практически совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е≈i_в∑R_в и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было меньше критического значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что сумма ∑R_в<∑R_в.кр, то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока i_в ниже установившегося значения I_во или увеличения его свыше I_во возникает соответственно положительная или отрицательная разность (), стремящаяся изменить ток i_в так, чтобы он стал снова равным I_во. Однако при R_в >∑R_вкр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения R_в до значения большего ∑R_вкр, то его магнитная система размагничивается и э.д.с. уменьшается до Е_ост. Если генератор начал работать при R_в >∑R_вкр, то он не будет самовозбуждаться. Следовательно, условие R_в <∑R_вкрограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора и его напряжения. Обычно можно уменьшать напряжение генератора, увеличивая сопротивление R_в лишь до (0,6-0,7) U_ном.

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U=f(I_H) при n=const и R_в =const (кривая 1). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2).

Это объясняется тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки (падение напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря) существует еще третья причина - уменьшение тока возбуждения I_в =, который зависит от напряжения U, т.е. от тока I_н Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока I_кр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки R_н ток I_н =начинает уменьшаться, т.к. напряжение U падает быстрее, чем уменьшается R_н. Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива. В этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий т.в, то есть в режим короткого замыкания.

Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как и у генератора с независимым возбуждением. Большинство генераторов ПТ, выпускаемых отечественной промышленностью, имеют параллельное возбуждение. При необходимости их можно включать и по схеме с независимым возбуждением.

Генератор с последовательным возбуждением - ток возбуждения I_в = I_а = I_н.

Внешнюю характеристику генератора (1) можно построить по характеристике холостого хода (кривая 2) и реактивному треугольнику ABC, стороны которого увеличиваются пропорционально току I_н. При токах меньших I_кр с увеличением тока нагрузки возрастает магнитный поток Ф и э.д.с. генератора Е, вследствие чего увеличивается и его напряжение U. Только при больших токах I_н >I_кр напряжение U с возрастанием нагрузки уменьшается, т.к. в этом случае магнитная система машины насыщается, и небольшое возрастание потока Ф не может скомпенсировать увеличение падения напряжения на внутреннем сопротивлении ∑R_а. Поскольку в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе оно близко к нулю. Такие генераторы непригодны для питания большинства электрических потребителей. Их используют лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Генератор со смешанным возбуждением.

В этом генераторе имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получить приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Внешнюю характеристику генератора в первом приближении можно представить в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения.

При включении одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения I_в, напряжение генератора U постепенно уменьшается с увеличением тока нагрузки I_н (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения I_в2=I_н напряжение возрастает с увеличением тока I_н (кривая 2). Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое его напряжение ∆U_посл компенсировало суммарное падение напряжения ∆U при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от 0 до I_ном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2-3%.

Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой U_ном > U_о (кривая 4). Такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении ∑ R_a генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой.

Если последовательную обмотку включить так, чтобы МДС была направлена против МДС параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей. Это применяют в сварочных генераторах и других спецмашинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Параллельная работа генератора с сетью.

Подключение генератора к сети.

Рассмотрим параллельную работу генератора, имеющего параллельное или независимое возбуждение с сетью, бесконечно большой мощности, т.е. при условии, что напряжение сети U=const.

Чтобы включить генератор на параллельную работу с сетью, необходимо привести якорь генератора во вращение с номинальной частотой, проверить соответствие полярности щеток генератора и проводов сети и установить такой ток возбуждения, при котором напряжения генератора U_г0=Е₀ равно напряжению сети U. При обеспечении этих условий включение генератора не сопровождается броском тока, т.к.

.

Условие U_г0=U проверяют с помощью нулевого вольтметра V.

Нагрузка генератора.

Чтобы нагрузить генератор, подключенный к сети, необходимо повысить его э.д.с. Это можно сделать, увеличивая частоту вращения якоря или ток возбуждения. Удобнее воздействовать на ток возбуждения. Силу тока нагрузки I_н=I_а при заданном токе возбуждения можно определить графически по внешним характеристикам генератора, построенных при различных значениях тока возбуждения (1 и 2).

Например, при токе возбуждения I_в1 (кривая 1) равенство напряжений генератора U_г и сети U наблюдается в точке А при токе нагрузки I_н=0, т.е. при таком токе возбуждения можно включать генератор в сеть без толчка тока нагрузки. При токе возбуждения I_в2 внешняя характеристика генератора (кривая 2) пересекается с линией U=const в точке В, соответствующей некоторому установившемуся значению I_н2 тока нагрузки. Работа генератора в этой точке является устойчивой: при случайном изменении тока нагрузки, а следовательно, и тока якоря на величину ∆I_н≈∆I_я возникает переходный процесс, для которого

U=e-i_н∑R_a - L_adi_н/dt=U_г - L_adi_н/dt, (3)

где U – напряжение сети;

е и i_н – мгновенные значения э.д.с. генератора и тока нагрузки при переходном процессе;

U_г – мгновенное значение напряжения генератора;

L_a – индуктивность цепи обмотки якоря.

Из (3) следует, что di_н/dt=. При случайном увеличении тока нагрузки свыше I_н2 напряжение генератора U_г становится меньше напряжения сети U, следовательно, производная di_н/dt<0, т.е. ток нагрузки уменьшается, стремясь к установившемуся значению I_н2. При случайном уменьшении тока ниже I_н2 напряжение U_г>U, производная di_н/dt>0 и ток нагрузки возрастает до установившегося значения I_н2.

Генератор с последовательным возбуждением устойчиво работать параллельно с сетью не может, т.к. его напряжение U_г увеличивается при возрастании тока нагрузки I_н. Поэтому при случайном отключении тока якоря от некоторого установившегося значения I_н, при котором U_г=U (точка А), машина сбрасывает нагрузку или переходит в режим работы, соответствующий большому току.

Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением имеет две точки пересечения с прямой U=const. Точка А соответствует неустойчивому режиму работы, а точка В – устойчивому.

Однако и генератор со смешанным возбуждением для параллельной работы с сетью применяют редко, т.к. для него характерны броски тока при переходе из неустойчивого режима в устойчивый.

Переходные процессы в генераторах.

Процесс возбуждения. Обмотки возбуждения генераторов и двигателей постоянного тока обладают очень большой индуктивностью, вследствие чего переходные процессы в них протекают сравнительно медленно. При независимом возбуждении генератора от источника с напряжением U_в для контура обмотки возбуждения

(1)

индуктивность L_в является переменной величиной, т.к. магнитная характеристика генератора нелинейна и поэтому уравнение (1) можно точно решить только численными методами. Приближенно можно положить I_в=const и определить его усредненное значение из условия

(2)

где ω_в – число витков обмотки главного полюса;

Ф_ном, I_в.ном – установившиеся (номинальные) значения магнитного потока и тока возбуждения.

В этом случае решение уравнения (1) при L_в=L_в.ср=const и при нулевых начальных условиях имеет вид

, (3)

где Т_в=- постоянная времени цепи обмотки возбуждения.

Переходный процесс протекает в течение времени t_в=(3-4)Т_в, которое составляет около секунды для малых машин и десятков секунд – для машин средней и большой мощности. Поскольку магнитный поток принят пропорциональным току возбуждения, его значение определяется аналогично

(4)

При учете насыщения, как показывают численные методы расчета и результаты эксперимента, магнитный поток изменяется также по закону, близкому к экспоненте (кривая Ф).

Изменение тока возбуждения несколько отличается от экспоненты (кривая i_в). Ток нарастает двумя ярко выраженными ступенями. Это объясняется тем, что на начальном участке кривой намагничивания даже небольшому изменению тока соответствует большое изменение магнитного потока и, следовательно, большое индуктивное падение напряжения и малое активное. Наличие вихревых токов в массивных частях магнитопровода (ярме и сердечнике полюсов) еще более замедляет процесс нарастания магнитного потока.

Если поток и э.д.с. генератора должны нарастать быстро, что требуется в машинах, при меняемых в системах автоматики и в некоторых типах электропривода, то магнитную систему у них выполняют полностью шихтованной и уменьшают постоянную времени Т_в. Наибольший эффект дает уменьшение числа витков обмотки возбуждения (в два-три раза) и установка в ее цепи специального регулятора. В этом случае нарастание тока и магнитного потока происходит по начальному участку экспоненты, а затем фиксируется на требуемом уровне регулятором тока возбуждения.

В генераторе с параллельным возбуждением для контура (якорь – обмотка возбуждения) при условии, что реакция якоря и падение напряжения в якоре пренебрежимо малы, можно применять уравнение

(5)

Уравнение (1) аналогично (5), но здесь е – переменная величина, зависящая от тока возбуждения.

Установившееся значение тока возбуждения

I_в.ном=Е_ном/∑R_в,

т.е. соответствует режиму, при котором э.д.с. уравновешивается падением напряжения в активном сопротивлении ∑R_в. Вольтамперную характеристику этого сопротивления можно построить не определяя ∑R_в по известным установившимся значениям Е_ном и I_в.ном.

Уравнение (5) можно представить в виде

(6)

т.е. скорость изменения магнитного потока определяется разностью ординат характеристики холостого хода и вольтамперной характеристики сопротивления ∑R_в.

Э.д.с. на зажимах машины всегда пропорциональна потоку Ф, т.к. . Поэтому скорость изменения магнитного потока можно выразить через скорость изменения э.д.с.

(7)

Подставив это выражение в (6), получим

∆е=

при этом постоянная времени

Т_в=,

т.е. имеем то же значение, что и при независимом возбуждении. Однако время возбуждения

t_в=Т_в (8)

значительно больше, чем при независимом возбуждении, т.к. разность ∆е = е – i_вR_в относительно небольшая величина.

Приближенное решение (8) можно получить, приняв, что зависимость ∆е от е изменяется по параболическому закону

∆U, (9)

где U=; ∆U=$

∆e_max – максимальное значение ∆е из последнего рисунка.

Подставляя значение ∆е из (9) в (8) получим

Выполнив интегрирование, найдем

.

Получая величину остаточной э.д.с. Е_ост≈0,05Е_ном, получаем, что время возбуждения до значения е=0,95Е_ном составит

Величина ∆U зависит от коэффициента насыщения k_нас магнитной системы в установившемся режиме. При значениях k_нас=1,5... 3,0 величина ∆U_max≈0,25... 0,5 и время самовозбуждения больше указанного выше значения.

Внезапное короткое замыкание.

При установившемся коротком замыкании генератора с параллельным возбуждением ток короткого замыкания I_к=(0,4... 0,8)I_ном, т.к. он создается только э.д.с. от остаточного магнетизма Е_ост. Однако при внезапном коротком замыкании этот ток может достигать больших значений и представлять опасность для генератора.

Для упрощения анализа возникающего при этом переходного процесса примем, что I_в=L_в.ср=const, щетки расположены на геометрической нейтрали и пренебрежем действием реакции якоря и вихревых токов в магнитопроводе машины.

Переходный процесс, возникающий при коротком замыкании генератора, работающего при номинальном напряжении и номинальной нагрузке, можно описать: для цепи возбуждения уравнением

(10)

а для цепи якоря

(11)

Решая эти уравнения при начальных условиях i_а(0)=0, i_в0=I_в.ном, е₀=Е_ном, получаем

(12)

где I_к=Е_ост/∑R_a – установившийся ток короткого замыкания;

Т_а=L_а/∑R_a – постоянная времени цепи якоря, которая принимается Т_а<<Т_в.

Изменение тока якоря i_к при коротком замыкании показано на рисунке.

Ударный ток короткого замыкания I_уд≈Е_ном/∑R_a≈(6…9)I_ном, т.е. он опасен для генератора. Указанного значения ток достигает при t≈(3…4)Т_а.

При коротком замыкании генератора с независимым возбуждением ток возбуждения I_в остается неизменным и при принятых выше допущениях получаем

(13)

Дата добавления: 2014-01-13