Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Режимы работы машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока может работать в режиме генератора, двигателя и электромагнитного тормоза.

Если к зажимам обмотки вращающегося якоря присоединить нагрузку, то под действием ЭДС якоря в цепи возникает ток. Машина будет работать в режиме генератора. Напряжение на его зажимах меньше ЭДС якоря на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря

U = Е _а – R _а· I _а.

В результате взаимодействия тока якоря и поля возбуждения в машине создается электромагнитный момент. Этот момент будет тормозным по отношению к моменту первичного двигателя, вращающего якорь (ротор).

Если подать напряжение (от какого-нибудь источника) на зажимы обмотки неподвижного якоря, то в цепи якоря начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с полем возбуждения приведет к появлению вращающего момента. Если этот момент больше тормозного момента на валу (вызванного трением в подшипниках, вентиляцией, нагрузкой), то ротор начнет раскручиваться и достигнет установившейся скорости. Машина будет работать в двигательном режиме. Приложенное к якорю напряжение будет больше ЭДС, индуцированной в обмотке якоря, на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении

U = Е _а + R _а· I _а.

Итак, одна и та же машина постоянного тока может работать как генератором, так и двигателем. Это есть подтверждение свойства обратимости электрических машин.

Если момент нагрузки (например, при подъеме груза) станет больше вращающего момента двигателя, то он сначала остановится, а затем начнет вращаться в обратном направлении. При этом ЭДС якоря изменит направление. Двигатель окажется в режиме электромагнитного тормоза. Теперь ток в цепи создается суммой прикладываемого напряжения и ЭДС якоря и может существенно возрасти.

U + Е _а = R _а· I _а.

Для перевода двигателя в режим электромагнитного тормоза нужно поменять полярность обмотки якоря. Изменяется направление момента, развиваемого машиной, и двигатель быстро затормаживается.

Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнит­ным и электромагнитным возбуждением. Для создания магнитногопотока в генераторах первого типа используют постоянные магниты,

а в генераторах второго типа — электромагниты. Постоянные, магниты применяют лишь в машинах очень малых мощностей. Таким образом, электромагнитное возбуждение является наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока. При этом способе возбуждения магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения.

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть с независимым возбужде­нием и с самовозбуждением.

При независимом возбуждении (рис. 143, а) обмотка возбуж­дения включается в сеть вспомогательного источника энергии по­стоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление r_р. При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре Iя.

Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Несмотря на то что этот источник обычно имеет малую мощность (несколько процентов мощности генераторов), необходимость в нем является большим неудобством, поэтому генераторы независимого возбуж­дения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения обмотки возбуждения могут быть параллельного (рис. 143, б), по­следовательного (рис. 143, в) и смешанного (рис. 143, г) возбуж­дения.

У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет большое число витков. При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.

При смешанном возбуждении на полюсах генератора помеща­ются две обмотки возбуждения — параллельная и последователь­ная.

Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока про­текает одинаково при любой схеме возбуждения. Так, например, в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение, процесс самовозбуждения протекает следую­щим образом.

Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет не­большой остаточный магнитный поток Ф₀. Этим магнитным пото­ком в обмотке вращающегося якоря индуктируется э. д. с. Е₀, со­ставляющая несколько процентов номинального напряжения ма­шины.

Под действием э. д. с. Е₀ в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, протекает ток Iв. Намагничивающая сила обмотки возбуждения Iвw (w— число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф, что вызывает увеличение как э. д. с. в обмотке якоря Е, так и тока в обмотке возбуждения Iв. Увеличение последнего вызывает дальнейшее увеличение Ф, что в свою очередь увели­чивает Е и Iв.

Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуж­дение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от скорости вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения. При насыщении стали Магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и про­цесс самовозбуждения заканчивается. Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и маг­нитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается э.д. с. и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Изменение скорости вращения якоря генератора вызывает из­менение э.д. с, которая пропорциональна скорости, вследствие чего Изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Самовозбуждение генератора будет происходить лишь при определенных условиях, которые сводятся к следующим:

1. >Наличие потока остаточного магнетизма. При отсутствия этого потока не будет создаваться э. д. с. Е₀, под действием котором в обмотке возбуждения начинает протекать ток, так что возбуждение генератора будет невозможным. Если машина размагничена и не имеет остаточного намагничивания, то по обмотке возбуждения надо пропустить постоянный ток от какого-либо постороннего источника электрической энергии. После отключения обмотки возбуждения машина будет иметь вновь остаточный магнитный поток.

2. Обмотка возбуждения должна быть включена согласно с потоком остаточного магнетизма, т. е. так, чтобы намагничивающая сила этой обмотки увеличивала поток остаточного магнетизма.

При встречном включении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной работе может полностью размагнитить машину. Если обмотка возбуждения оказалась включенной встречно, то необходимо изменить направление тока в ней, т. е. поменять ме­стами провода, подходящие к зажимам этой обмотки.

3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть чрезмерно большим, при очень большом сопротивлении цепи воз­буждения самовозбуждение генератора невозможно.

4. Сопротивление внешней нагрузки должно быть велико, так как при малом сопротивлении ток возбуждения будет также мал и самовозбуждения не произойдет.

39 ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которы­ми являются э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжение на его зажи­мах и, ток в якоре I_я, ток возбуждения I_в и скорость вращения якоря п.

Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянной скорости вращения якоря, так как при изменении скорости зна­чительно изменяются все характеристики генератора.

Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между э. д. с. в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянном числе оборотов.

Для генераторов независимого возбуждения при отсутствий; нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как э.д.с, индуктированная в обмотке якоря, равна Е = СпФ, то при постоян­ной скорости вращения э. д. с. окажется прямо пропорциональной магнитному потоку. Поэтому в измененном масштабе характери­стика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.

При Iв=0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф₀, который индукти­рует в обмотке якоря э.д. с. Е₀ (рис. 144, а). Эта э.д.с. составляет несколько процентов (2—5%) номинального напряжения машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения увеличивается как магнитный поток, так и э. д. с, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении I_в увели­чивается и э.д.с. (кривая 1). Если после снятия восходящей ветви зависимости от точки А начать постепенно уменьшать ток возбуж­дения I_в, то э.д. с. также начнет уменьшаться, но за счет намагни­чивания стали нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше

восходящей ветви этой характеристики. Изменяя I_в не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной харак­теристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основ­ную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).

На рис. 144, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различных скоростях вращения якоря генератора.

Кривая 1 соответствует вращению якоря машины с номиналь­ной скоростью п_н, указанной в паспорте генератора. Для всех ма­шин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики, что соответству­ет наиболее удачным рабочим и регулировочным свойствам гене­ратора.

Выбор точки номинального напряжения на линейном участке Магнитной характеристики приводит к резким изменениям напряже­ния на зажимах генератора при изменениях нагрузки, так как не­значительные изменения намагничивающей силы вызывают резкие изменения э.д. с. Выбор этой точки на пологом участке магнитной Характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения э. д. с. требуются очень большие изменения тока возбуждения.

При изменении скорости вращения якоря генератора изменит свое положение характеристика холостого хода, так как э. д. с. про­порциональна скорости. При n'>n_н характеристика холостого хода пойдет выше (кривая 2), а при n"<n_н — ниже (кривая 3), чем при номинальной скорости.

Следовательно, при изменении скорости вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В) либо на пологом (точка С) участке магнитной характеристики, что вызывает изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбрать так, чтобы его скорость была близкой к номинальной скорости генератора.

Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения (Iя=Iв). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинально­го тока генератора), то напряжение на зажимах машины при хо­лостом ходе будет примерно равным э.д. с. и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадает с характеристикой генератора независимого возбуждения. Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку оста­точного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невоз­можным.

Для генератора последовательного возбуждения характеристи­ка холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения. Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.

Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллель­ного возбуждения.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напря­жения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристи­ка соответствует естественным условиям работы машины, т. е. ма­шина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения rв посто­янно) и снимается при неизменной скорости вращения.

Для генераторов независимого возбуждения при постоянном rв неизменен также и ток возбуждения Iв. Внешние характеристики такого генератора показаны на рис. 145.

Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику, снятую на понижение напряжения. Для снятия этой характеристики уста­навливается такой ток в обмотке возбуждения, чтобы при холостом ходе генератора напряжение на его зажимах было равно номиналь­ному. Затем нагрузка генератора возрастает при неизменном токе в обмотке возбуждения. С возрастанием нагрузки (тока в якоре

генератора Iя) увеличивается как падение напряжения в сопротивле­нии его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает понижение напряжения. При изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение на зажимах генератора умень­шается на величину ΔUпн.

При снятии характеристики на повышение напряжения (кривая 2) устанавливается такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после чего нагрузка генера­тора уменьшается.

С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также уменьшается как паде­ние напряжения в сопротивлении об­мотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие ре­акции якоря, что вызывает повышение напряжения. При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на зажимах генератора увеличивается на величину ΔUпн. За счет насыщения стали повышение напряжения будет меньше, чем понижение, так. кап размагничивающее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.

В генераторах параллельного возбуждения при постоянном со­противлении цепи возбуждения гв ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора которое пои изменении нагрузки меняется. В генераторах независимого возбуждения увеличение нагрузки вызывает понижение напряжения под воз­действием падения напряжения в сопротив­лении машины и реакции якоря (кривая 1 на рис. 146).

В генераторах параллельного возбужде­ния при уменьшении напряжения также уменьшается ток возбуждения, что вызывает уменьшение магнитного потока и понижение напряжения. Следовательно, при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генерато­ра этого типа уменьшается в большей мере (кривая 2), чем в генераторах независимого возбуждения, так как, помимо понижения напряжения за счет падения напряжения, в сопротивлении машины и реакции якоря, происходит также понижение напряжения за счет уменьшения тока возбуждения.

Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения Iмакс, не превышающего номи­нальный ток более чем в 2-2,5 раза. При дальнейшем уменьшении

внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкать будет значительно меньше номинального. Уменьшение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока возбуждения, так как на­пряжение генератора понижается. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то э. д. с. понижается в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что: вызывает уменьшение тока в якоре.

При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток I_в равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного потока. Поэтому в обмотке якоря будет э. д. с. только от остаточного магнитного потока Е₀, имеющая малое значение, и, следо­вательно, ток короткого замыкания I_к будет также мал.

Несмотря на малое значение установившегося тока короткого замыкания нельзя сказать, что для генераторов этого типа режим короткого замыкания не представляет опасности. При внезапном коротком замыкании такого генератора ток в обмотке возбуждения мгновенно уменьшиться до нуля не может, так же как и магнитный поток. Поэтому в обмотке яко­ря в момент короткого замыкания будет индуктирована большая э. д. с. и проте­кает ток во много раз больше номиналь­ного, вследствие чего создается интенсивное искрение под щетками, переходящее в круговой огонь, и машина может быть выведена из строя.

Внешняя характеристика на повышение напряжения у гене­ратора параллельного возбуждения (кривая 3) имеет такой же вид, как у генератора независимого возбуждения.

Для генератора последовательного возбуждения внешняя харак­теристика показана на рис. 147. В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря (I_в=I_я), и при холостом хода (Iя=0) в обмотке якоря будет создана э. д. с. за счет остаточного магнетизма Ео; С увеличением нагрузки также увеличится ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение э. д. с. (кривая 1). Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше э. д. с. вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реак­ции якоря (кривая 2). Таким образом, у генератора последова­тельного возбуждения напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не нашли широкого применения.

В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включения последовательной и параллельной обмоток.

При согласном включении обмоток возбуждения результирую­щая намагничивающая сила, создающая магнитный поток, равна сумме намагничивающих сил параллельной и последовательной об­моток, а при встречном включении — разности этих намагничивающих сил.

На рис. 148 показаны внешние характеристики генератора сме­шанного возбуждения.

Увеличение нагрузки такого генератора вызывает уменьшение напряжения на его зажимах за счет падения напряжения в его со­противлении и реакции якоря. Однако с увеличением нагрузки возрастает также ток в последовательной обмотке возбуждения. Поэтому при согласном включении обмоток увеличение нагрузки будет вызывать увеличение магнитного потока и э. д. с. обмотки якоря. Если э. д. с. с увеличением нагрузки возрастает на величи­ну, равную понижению напряжения генератора за счет падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении нагрузки от холосто­го хода до номинальной (кривая 1).

Такой генератор, называемый нор­мально возбужденным, не требует изменения тока возбуждения при из­менениях нагрузки. При уменьшении числа витков последовательной об­мотки э. д. с. с возрастанием нагруз­ки будет увеличиваться в меньшей степени и не будет компенсировать понижения напряжения, так что на­пряжение на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2), т. е. генератор недовозбужден. Если число витков последовательной об­мотки возбуждения больше, чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то генератор окажется перевозбужденным и на­пряжение на его зажимах будет увеличиваться с увеличением нагрузки (кривая 3).

При встречном включении обмоток возбуждения внешняя харак­теристика подобна этой зависимости для генератора параллель­ного возбуждения (кривая 4), однако токи максимальный /м и ко­роткого замыкания Iк у этого генератора будут меньше соответ­ствующих токов генератора параллельного возбуждения за счет размагничивающего действия намагничивающих сил последова­тельной обмотки.

Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужден­ные, а также перевозбужденные генераторы, позволяющие компен­сировать падение напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоян­ным при изменении тока.

Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не обеспечивают постоянства напряжения и широкого применения не нашли. Их используют в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).

Регулировочная характеристика генератора показывает, в какое мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.

Таким образом, регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при постоянном напряжении на зажимах генератора

В генераторах независимого и параллельного возбуждения! увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины и размагничивающее действие по­тока реакции якоря для обеспечения постоянства напряжения.

В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбуж­денных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает из­менений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен, при изменениях тока нагрузки.

Дата добавления: 2015-05-06