Генератор с независимым возбуждением схема характеристика применение. Принцип действия

Страница 4 из 5

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ

Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристика холостого хода; нагрузочная, внешняя и регулировочная характеристики.

Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря. Они могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

На рис. 1,а представлена схема для экспериментального исследования генератора независимого возбуждения. Для возможности изменения в широких пределах тока I в обмотка возбуждения к независимому источнику подключается через переменный резистор R в . Ток в цепи якоря I а регулируется переменным резистором R нг .

Пределы измерения амперметра и вольтметра в цепи якоря следует выбирать, исходя из номинальных значений тока I ном и напряжения U ном , которые указываются на табличке машины, прикрепленной к ее станине. Амперметр в цепи обмотки возбуждения выбирается на ток, равный 1-5 % I ном .

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС на выводах генератора Е от тока возбуждения I в при разомкнутой цепи якоря (рубильник QS отключен, ток I а =0). В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении, а затем в другом эта зависимость, построенная в четырех квадрантах, имеет вид петли, показанной на рис. 3. Несовпадение кривых, полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения, объясняется наличием гистерезиса в стали, из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рис. 3 показана штриховой линией). При I в =0 в обмотке якоря наводится ЭДС E ост . Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Значение E ост примерно равно 1-3% номинального напряжения машины.

Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли, которую получают, уменьшая ток I в от максимального значения до нуля (рис.4).

Продолжая полученную кривую 1 до пересечения с осью абсцисс в точке А, а затем передвигая ее параллельно самой себе вправо на расстояние ОА, получаем расчетную характеристику холостого хода 2. При снятии характеристики холостого хода следует обращать внимание на то, чтобы ток возбуждения изменялся в одном направлении (или только увеличивался, или только уменьшался), так как в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того, эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.

Нагрузочная характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах машины U от тока возбуждения I в при условии, что ток в цепи-якоря I а поддерживается неизменным. Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том, что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость этой реакции от насыщения магнитной цепи машины и тока якоря.

Можно снять ряд нагрузочных характеристик для различных значений тока I а . Если снимается одна нагрузочная характеристика, то чаще всего принимают, что I а = I ном . Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения, начиная от максимального его значения.

Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику удобно построить на одном графике с нисходящей характеристикой холостого хода (рис. 5). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I а = 0 (кривая 1 на рис. 5).

Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток и ЭДС машины (кривая 2 на рис. 5).

Составляющую реакции якоря, оказывающую воздействие на магнитный поток и ЭДС машины, можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря I a R a , получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке, от тока возбуждения (штриховая кривая на рис. 5; ток I а равен току, при котором снималась нагрузочная характеристика). Эта зависимость обычно располагается ниже характеристики холостого хода.

Для получения одной и той же ЭДС Е" при холостом ходе требуется ток возбуждения I в1 , а при нагрузке - ток I в2 . Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего "действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению магнитного потока и ЭДС, наводимой в обмотке якоря.

В общем случае разность I в2 - I в1 пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря F в, qd и продольной МДС якоря F d . Если щетки стоят на геометрической нейтрали, то можно считать

где ω в - число витков катушки обмотки возбуждения.

Соединяя между собой точки а, b и с, получаем треугольник, носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен I в, qd , а вертикальный ab равен I a R a . Характеристический треугольник используется для построения других характеристик машины. При этом приближенно принимается, что оба его катета изменяются пропорционально току I a .. Более точную зависимость I в, qd от тока I a можно получить, если снять серию нагрузочных характеристик при различных токах I a , а затем для каждой из них при I в = const определить I в, qd .

Если построить характеристические треугольники при различных токах I в, то можно выявить влияние насыщения магнитной цепи на значение / I в, qd . При уменьшении насыщения (уменьшении тока I a ) размагничивающее действие поперечной реакции якоря (катет bc ) уменьшается.

Внешняя характеристика. Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает, как изменяется напряжение на выводах машины U при возрастании тока Нагрузки I = I а , если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешняя характеристика U = f ( I ) снимается при I в ==const.

Исходной точкой для снятия внешней характеристики является точка, когда при номинальном токе нагрузки I =I ном на выходах генератора установлено номинальное напряжение U ном (рис. 6). Напряжение меняют, регулируя ток возбуждения I в, а ток I меняют, регулируя сопротивление резистора R нг (рис. 1,а).

Ток возбуждения, соответствующий U = U ном при I = I ном, называется номинальным током возбуждения I в,ном. В процессе снятия внешней характеристики этот ток поддерживается постоянным. Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшается до нуля. Напряжение генератора при этом увеличивается, так как при уменьшении тока I а уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе U = U 0 (рис. 6).

По внешней характеристике определяют изменение напряжения Δ U Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:

Изменение напряжения Δ U для генераторов независимого возбуждения составляет 10-15 %. На рис. 7. Показана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения при изменении нагрузки от режима холостого хода до режима короткого замыкания. Ток короткого замыкания I k у таких генераторов составляет 5-10I ном.

Как следует из рассмотрения внешних характеристик генератора независимого возбуждения, при I в =const напряжение на выводах генератора с изменением нагрузки не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным, необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения с целью сохранения постоянства напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость I в = f ( I ) при U = U ном =const . Регулировочная характеристика показана на рис. 8. Начинают снимать ее в режиме холостого хода, когда I = 0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения I в необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Самовозбуждение генератора. У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря (рис. 1,б). Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения or постороннего источника.

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Магнитный поток остаточного магнетизма в обмотке вращающегося якоря наводит ЭДС. Эта ЭДС (ЭДС остаточного магнетизма Е ост) невелика и составляет 1-3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка воз-буждения подключена к якорю, то ЭДС Е ост создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения, и т.д. Процесс нарастания тока в обмотке возбуждения при холостом ходе машины (I =0 ) может быть описан дифференциальным уравнением

где L в - индуктивность обмотки возбуждения; Σ R в - суммарное сопротивление цепи этой обмотки, включая сопротивление регулировочного резистора.

Падение напряжения в цепи якоря от тока i в ничтожно мало, поэтому в (10) напряжение на выводах обмотки возбуждения принято равным ЭДС.

Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения.

Тогда d(L в i в )/dt = 0;

На рис. 9 показаны зависимости E = f ( I в ) и I в Σ R в = f ( I в ) при n = const. Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1 ), а вторая - характеристикой цепи возбуждения.

Если принять, что Σ R в = const , то характеристика цепи возбуждения представляет собой прямую линию (2 на рис. 9), идущую под углом α к оси абсцисс, причем tg α = I в Σ R в / I в = .Σ R в. Точка пересечения характеристик (точка А) соответствует равенству (11), а ЭДС Е , соответствующая этой точке, является той ЭДС, которая установится при данном сопротивлении Σ R в на выводах машины. При изменении Σ R в будет изменяться ЭДС Е . Если увеличить сопротивление Σ R в, то угол наклона характеристики цепи возбуждения а возрастет, а точка А переместится влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения R в,кр, называемом критическим, прямая I в R в,кр совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода (прямая 3). Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления Σ R в само-возбуждения происходить не будет, так как прямая I в Σ R в = f ( I в ) в этом случае не пересекает характеристику холостого хода (прямая 4).

Если генератор работает с переменной частотой вращения п, то для каждой частоты вращения будет своя характеристика холостого хода E = f ( I в ) , так как Е пропорциональна п (кривые 1 -3 на рис. 10). В соответствии с этим для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления R в,кр. Для каждого сопротивления Σ R в существует критическое значение частоты вращения, ниже которого самовозбуждение невозможно (кривая 2 на рис. 10).

Самовозбуждение генератора происходит в том случае, если ток I в, протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направленный согласно с потоком остаточного магнетизма. При неправильном включении обмотки возбуждения эти потоки будут направлены встречно и самовозбуждения происходить не будет. Тогда для изменения направления тока I в в обмотке возбуждения следует поменять местами концы подводящих проводников, соединяющих обмотку возбуждения с якорем.

Из изложенного следует, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы был остаточный магнитный поток, чтобы сопротивление цепи обмотки возбуждения было меньше критического и чтобы обмотка возбуждения была правильно подсоединена к якорю.

Характеристики холостого хода и нагрузочная. В отличие от генератора независимого возбуждения у генератора параллельного возбуждения ток якоря I а не равен току нагрузки I (см. рис. 1,б). При отключенной нагрузке (I = 0 ) ток якоря не равен нулю и будет равен I в.

Характеристики холостого хода и нагрузочная снимаются у генератора параллельного возбуждения так же, как и у генератора независимого возбуждения, и имеют тот же характер. Ток I в при снятии этих характеристик уменьшается с помощью переменного резистора R в от наиболь-шего до наименьшего возможного значения. Электродвижущая сила остаточного магнетизма определяется при отключенной обмотке возбуждения.

Из-за небольшого значения тока возбуждения I в падение напряжения, вызываемое им в цепи якоря, мало и не оказывает существенного влияния на напряжение машины при нагрузке. При холостом ходе можно принимать, что напряжение на выводах практически равно ЭДС якоря.

Внешняя характеристика. Внешнюю характеристику U = f ( I ) снимают при условии, что Σ R в = const . С помощью переменного резистора R в сопротивление Σ R в устанавливают таким, чтобы при номинальном токе нагрузки I ном напряжение на выводах машины было номинальным. Ток нагрузки устанавливают переменным резистором R нг . Затем, изменяя ток I , получают другие точки внешней характеристики (рис. 11). Как следует из рис. 11, с увеличением тока I напряжение U уменьшается.

Понижение напряжения U на выводах генератора парал- лельного возбуждения с ростом тока I выражено сильнее, чем на выводах генератора независимого возбуждения, работающего при I в = const . У генератора параллельного возбуждения напряжение понижается не только из-за размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения I в. Уменьшение тока возбуждения I в = U / Σ R в при Σ R в = const вызвано понижением напряжения U на выводах машины, к которым подсоединена цепь обмотки возбуждения.

У генератора параллельного возбуждения при уменьшении сопротивления нагрузки ток I будет увеличиваться до определенного значения, называемого критическим током I кр (рис. 11). Критический ток равен 1,5-2,5 I ном. При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток I начинает уменьшаться. Такой характер внешней характеристики объясняется тем, что генератор параллельного возбуждения сам себя размагничивает, так как уменьшается ток возбуждения. Вначале этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает сильного снижения магнитного потока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения будет соответствовать линейной (ненасыщенной) части характеристики холостого хода, размагничивание будет происходить более интенсивно, так как уменьшение тока I в будет вызывать большие изменения магнитного потока и ЭДС. При коротком замыкании машина практически будет размагничена и установившийся ток короткого замыкания I к определяется только ЭДС остаточного магнетизма. Вследствие малости этой ЭДС ток I к в большинстве случаев невелик и не превышает номинального значения. Однако несмотря на это в переходном режиме при внезапном коротком замыкании вследствие медленного уменьшения магнитного потока и ЭДС ток короткого замыкания может превысить номинальное значение в несколько раз, что вы-зовет сильное искрение щеток, а в некоторых случаях и появление кругового огня. Поэтому эти генераторы, как и все другие генераторы, должны быть снабжены предохранителями или быстродействующими выключателями, отключающими короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достигнет больших значений. Изменение напряжения генератора параллельного возбуждения, определяемое по (9), составляет 15-20 %.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения. Регулировочная характеристика I в = f ( I ) генератора параллельного возбуждения при U = U ном = const имеет тот же характер, что и для генератора независимого возбуждения. Для одного и того же генератора регулировочные характеристики, полученные при независимом питании обмотки возбуждения и при параллельном ее включении, будут совпадать.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения I в равен току якоря I а . Поэтому при холостом ходе, когда I в = I а = I = 0 , ЭДС, наводимая в обмотке якоря, равна Е ост.

Характеристики холостого хода и нагрузочная для такого генератора могут быть сняты при питании обмотки от независимого источника. Эти характеристики имеют тот же вид, что и для генератора независимого возбуждения (см. рис. 5).

Самовозбуждение генератора происходит, если сопротивление цепи якоря меньше критического. Внешняя характеристика генератора показана на рис. 12 (кривая 2). На этом же рисунке изображена характеристика холостого хода E = f ( I в ) (кривая 1). При одном и том же токе I в = I напряжение генератора меньше, чем ЭДС по характеристике холостого хода, из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.

При малых нагрузках, когда ток якоря и, следовательно, ток возбуждения малы, магнитная система машины ненасыщена и ее ЭДС изменяется пропорционально току I . Падение напряжения и размагничивающее действие реакции якоря практически изменяются также пропорционально току I .Поэтому напряжение на выводах машины растет пропорционально току I . При больших токах происходит насыщение магнитной системы машины, вследствие чего ЭДС при увеличении I будет изменяться мало. Поэтому и напряжение с ростом тока нагрузки увеличивается незначительно, а при очень больших токах нагрузки из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря оно начинает уменьшаться.

Из-за сильной зависимости напряжения от тока нагрузки генераторы последовательного возбуждения широкого практического применения не нашли.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Схема генератора смешанного возбуждения показана на рис. 1,г. Параллельная (шунтовая) обмотка возбуждения ОВШ может быть подключена к цепи якоря до последовательной (сериесной) обмотки ОВС (как показано на рисунке) или после нее (проводник обмотки ОВШ переносится из точки Д2 в точку С2). Характеристики генератора при обоих способах подключения будут практически одинаковыми, так как последовательная обмотка имеет небольшое сопротивление и падение напряжения в ней будет мало. Увеличение МДС последовательной обмотки из-за протекания по ней тока I в также ничтожно мало из-за малого количества ее витков и относительно небольшого тока I в.

Самовозбуждение генератора происходит так же, как и генератора параллельного возбуждения. Ток якоря равен I а = I + I в.

Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения. Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка ОВШ. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря F в, qd В этом случае последовательная обмотка не только скомпенсирует размагничивающую составляющую реакции якоря, но и создаст избыточную МДС, которая будет увеличивать магнитный поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом I будет возрастать, как это видно на внешней характеристике U = f ( I ) при Σ R в = const , изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки.

Обмотку можно рассчитать так, чтобы напряжение увеличивалось на значение, необходимое для компенсации падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Тогда у потребителя при любых нагрузках напряжение автоматически будет поддерживаться примерно постоянным.

При слабой последовательной обмотке внешняя характеристика имеет падающий характер. Отметим, что эффективность действия последовательной обмотки зависит от насыщения магнитной цепи машины. Магнитодвижущая сила последовательной обмотки при сильном насыщении будет давать небольшое увеличение магнитного потока и ЭДС, поэтому даже при достаточно сильной обмотке или при больших нагрузках напряжение на выводах машины будет уменьшаться с ростом тока нагрузки.

Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения снимаются так же, как и у генератора параллельного возбуждения, и имеют такой же характер.

В зависимости от соотношения между МДС последовательной (сериесной) обмотки возбуждения F c и размагничивающей составляющей реакции якоря F в, qd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика (кривая 2) идет выше характеристики холостого хода (кривая 1) (рис. 14). Если по этим характеристикам построить характеристический треугольник, то его горизонтальный катет b с будет пропорционален результирующей намагничивающей МДС, созданной током якоря по оси обмотки возбуждения. Значение этого катета в масштабе тока возбуждения равно (F с - F в, qd)/ω в.

Полученный таким образом треугольник используют для построения характеристик.

Регулировочная характеристика. Характеристика I в = f ( I ) при U = const у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики. При достаточно сильной последовательной обмотке возбуждения, когда напряжение генератора возрастает с увеличением тока нагрузки, регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рис. 15.

Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающем действием результирующий магнитный поток возбуждения машины с увеличением тока нагрузки будет уменьшаться. В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер (рис. 16). Регулировочная характеристика показана на рис. 17.

СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ

Если у одного и того же генератора снять внешние и регулировочные характеристики при различных схемах включения его обмоток возбуждения, то полученные характеристики будут располагаться относительно друг друга так, как показано на рис. 18 и 19.

Наибольшее изменение напряжения будет у генераторов смешанного возбуждения при встречном включении обмоток, а наименьшее - у генераторов смешанного возбуждения при согласном включении обмоток.

Генераторы смешанного возбуждения при согласном включении обмоток и параллельного возбуждения применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока.

Генераторы смешанного возбуждения предпочитают применять в тех случаях, когда происходит частое и резкое изменение нагрузки, так как они могут обеспечить автоматическое поддержание напряжения. Генераторы независимого возбуждения применяются тогда, когда требуется в широких пределах менять напряжение. В частности, они находят применение в электроприводах для питания одиночных двигателей с широким диапазоном регулирования частоты вращения.

Определение. Генераторами независимого возбуждения называются генераторы постоянного тока, обмотка возбуждения которых питается постоянным током от постороннего источника электрической энергии (сеть постоянного тока, выпрямитель, аккумулятор и др.) или у которых магнитный поток создается постоянными магнитами.

Схема генератора. Схема генератора независимого возбуждения изображена на рис. 1.16. Якорь генератора приводится во вращение от приводного двигателя ПД.

Цепь якоря электрически не соединена с цепью воз­буждения, поэтому ток нагрузки I и ток якоря I я – это один и тот же ток (I = I я ). Цепь возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока. В нее включают регулировочный реостат R p , предназначенный для регулирования тока возбуждения I в , магнитного потока возбуждения и в конечном счете ЭДС и напряжения генератора.

Характеристика холостого хода (рис. 1.17). Характеристика снимается при плавном увеличении тока возбуждения, а затем при его плавном уменьшении при n = n ном = const . Вторая ветвь характеристики идет несколько выше первой и при токе Iв = 0 в машине есть некоторая ЭДС E 0 , называемая остаточной. Вид характеристики холостого хода объясняется тем, что при n = const E = C e n Ф пропорциональна магнитному потоку Ф, а последний – индукции В, т.е. ее форма такая же, как у кривой гистерезиса. За расчетную обычно принимают характеристику, проходящую между ветвями экспериментальной кривой (штриховая кривая на рис. 1.17). Остаточная ЭДС E 0 создается за счет индукции, остающейся в магнитной цепи статора после отключения тока возбуждения. Машина рассчитывается таким образом, чтобы в номинальном режиме рабочая точка (I в.ном, Е ном) находилась на «колене» характеристики холостого хода, этим обеспечивается получение достаточно высокой ЭДС при относительно небольшом токе возбуждения.

Внешняя характеристика. Внешняя характеристика генератора U = f(I) при I B = const и n = n ном = const (рис. 1.18) характеризует влияние тока нагрузки генератора на напряжение на его выводах. Напряжение U = E – R Я I при увеличении нагрузки от нуля до номинальной плавно уменьшается на 5 – 15% по двум причинам: из-за падения напряжения на сопротивлении якоря R Я I и уменьшения ЭДС Е из-за размагничивающего влияния реакции якоря (кривые 1 и 1 а). При перегрузке машины ток в якоре становится недопустимо большим и напряжение сильно падает (кривая 1а).

При коротком замыкании ток в якоре I к примерно в 10 раз больше номинального (он ограничивается только сопротивлением цепи якоря 1к = Е / R Я ) и если быстро не отключить генератор, то его коллектор и обмотка выйдут из строя.

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика Iв = f (I ) при U = const и n = n ном = const изображена на рис. 1.19 (кривая 1). Для поддержания постоянства напряжения на выводах якоря в цепь возбуждения включен регулировочный реостат с сопротивлением Rp (рис. 1.16).

Основными величинами , характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются: вырабатываемая мощность Р , напряжение на выводахU , ток возбужденияI в , ток якоряI я или ток нагрузкиI , частота вращенияn .

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов, являются:

характеристика холостого хода - зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения:E =f (I в) приI = 0 иn =n ном =const ;

внешняя характеристика - зависимость напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения:U =f (I ) приR в =const иn =const ;

регулировочная характеристика - зависимость тока возбужденияI в от тока нагрузкиI :I в =f (I ) при условии поддержания постоянного напряжения на выводах генератора (U =const ) иn =n ном =const .

Свойства и характеристики генератора постоянного тока зависят главным образом от схемы включения обмотки главных полюсов. По этому признаку генераторы делятся на генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (рис. 3, а ,б ,в ,г соответственно). Последние три типа генераторов относятся к генераторам с самовозбуждением.

Рассмотрим процесс самовозбуждения при отключенной нагрузке генератора.

Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф ост (примерно 2-3 % от номинального). При вращении якоря в поле остаточного магнитного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый токI в в обмотке возбуждения, а следовательно, возникает некоторая магнитодвижущая сила возбуждения. По отношению к магнитному потокуФ ост она может быть направлена согласно или встречно. При согласном направлении происходит увеличение остаточного магнитного потока, вследствие чего ЭДС в якоре возрастает, и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи. Если магнитодвижущая сила и магнитный поток будут направлены встречно, то самовозбуждения не будет происходить. Тогда для изменения направления токаI в в обмотке возбуждения следует переключить концы, подсоединяющие ее к якорю.

Однако процесс самовозбуждения генератора может развиваться, что происходит при определенных условиях. Этими условиями являются:

1) наличие остаточного магнитного потока;

2) совпадение направления остаточного магнитного поля и поля, создаваемого обмоткой возбуждения;

3) значение сопротивления цепи возбуждения меньше критического, т.е. когда ток возбуждения способен достигнуть значения, обеспечивающего на характеристике холостого хода заданное значение ЭДС.

а) б)

в )г )

Изучение характеристик одного и того же генератора при различных схемах включения его обмоток возбуждения показало, что у генераторов независимого возбуждения можно в широких пределах регулировать напряжение. Поэтому они нашли более широкое практическое применение.

Генераторами независимого возбуждения называют генераторы постоянного тока, обмотка возбуждения которых питается током от постороннего источника электрической энергии.

Характеристика холостого хода (рис. 4) снимается при плавном увеличении тока возбуждения, а затем при плавном его уменьшении при n =n ном =сonst . Вторая ветвь характеристики идет несколько выше первой, и при токеI в = 0 в машине есть некоторая ЭДСЕ 0 , называемая остаточной.

В

ид характеристики холостого хода объясняется тем, что приn =const ,Е =с 1 nФ пропорциональна магнитному потокуФ , а последний - индукцииВ , а ток пропорционален напряженности магнитного поля Н, т.е. ее форма такая же, как у кривой гистерезиса. За расчетную принимают характеристику, проходящую между ветвями экспериментальной кривой (штриховая кривая на рис. 4). Остаточная ЭДСЕ 0 создается за счет индукции, остающейся в магнитной цепи статора после отключения тока возбуждения. Машина рассчитывается таким образом, чтобы в номинальном режиме рабочая точка (I в,ном,Е ном) находилась на "колене" характеристики холостого хода (рис. 4), этим обеспечивается получение достаточной ЭДС при относительно небольшом токе возбуждения.

Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением

U =f (I ) приI в =const иn =n ном %=const (рис. 5,а ) характеризует влияние тока нагрузки генератора на напряжение на его выводах. НапряжениеU =E ‑IR я при увеличении нагрузки от нуля до номинальной плавно уменьшается на 5-15 % по двум причинам: из-за падения напряжения на сопротивлении якоряIR я и уменьшении ЭДСЕ из-за размагничивающего влияния реакции якоря. При перегрузке машины ток в якоре становится недопустимо большим и напряжение сильно падает. При коротком замыкании ток в якореI я примерно в 10 раз больше номинального и, если генератор быстро не отключить, то его коллектор и обмотка выйдут из строя.

Регулировочная характеристика I в =f (I ) приU =const иn =n ном =const изображена на рис. 5,б . Начинают снимать ее с холостого хода, когдаI = 0 и I в =I в,0 .

Эта характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянным напряжение между выводами генератора. Для поддержания постоянства напряжения на выводах якоря в цепь возбуждения включен регулировочный реостат.

а )б )

Свойства генератора постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают генераторы:

с независимым возбуждением : обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя);

с параллельным возбуждением : обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря и нагрузке;

с последовательным возбуждением : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

со смешанным возбуждением : имеются две обмотки возбуждения - параллельная и последовательная; первая подключена параллельно обмотке якоря, а вторая - последовательно с нею и нагрузкой.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением относятся к машинам с самовозбуждением, так как питание их обмоток возбуждения осуществляется от самого генератора.

Все перечисленные генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмоток возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляют из провода

малого сечения, они имеют большое число витков, обмотку последовательного возбуждения - из провода большого сечения, она имеет малое число витков.

О свойствах генераторов постоянного тока судят по их характеристикам: холостого хода, внешней и регулировочной. Ниже будут рассмотрены эти характеристики для генераторов различного типа.

Генератор с независимым возбуждением. Характерной особенностью генератора с независимым возбуждением (рис. 120) является то, что его ток возбуждения I в не зависит от тока якоря I я, а определяется только напряжением U B , подаваемым на обмотку возбуждения, и сопротивлением R B цепи возбуждения. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 2-5 % номинального тока якоря. Для регулирования напряжения генератора в цепь обмотки возбуждения часто включают регулировочный реостат R рв. На тепловозах ток I в регулируют путем изменения напряжения U B .

Характеристика холостого хода генератора (рис. 121, а) - зависимость напряжения U 0 при холостом ходе от тока возбуждения I в при отсутствии нагрузки R н т. е. при I н = I я = 0 и при постоянной частоте вращения п. При холостом ходе, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение генератора U 0 равно его э. д. с. Е 0 = с Е Ф n . Так как при снятии характеристики холостого хода частота вращения п поддерживается неизменной, то напряжение U 0 зависит только от магнитного потока Ф. Поэтому характеристика холостого хода будет подобна зависимости потока Ф от тока возбуждения I я (магнитной характеристике магнитной цепи генератора). Характеристику холостого хода легко снять экспериментально, постепенно увеличивая ток возбуждения от нуля до значения, при котором U 0 ? 1,25U ном, а затем уменьшая ток возбуждения до нуля. При этом получаются восходящая 1 и нисходящая 2 ветви характеристики. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При I в = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная э. д. с. Еост которая обычно составляет 2-4 % номинального напряжения U ном.

При малых токах возбуждения магнитный поток машины невелик, поэтому в этой области поток и напряжение U 0 изменяются прямо пропорционально току возбуждения и начальная часть этой характеристики представляет собой прямую. При увеличении тока возбуждения магнитная цепь генератора насыщается и нарастание напряжения U 0 замедляется. Чем больше становится ток возбуждения, тем сильнее сказывается насыщение магнитной цепи машины и тем медленнее возрастает напряжение U 0 . При очень больших токах возбуждения напряжение U 0 практически перестает возрастать.

Характеристика холостого хода позволяет судить о значении возможного напряжения и о магнитных свойствах машины. Номинальное напряжение (указанное в паспорте) для машин общего применения соответствует насыщенной части характеристики («колену» этой кривой). В тепловозных генераторах, требующих регулирования напряжения в широких пределах, используют как криволинейную, так и прямолинейную ненасыщенную часть характеристики.

Э. д. с. машины изменяется пропорционально частоте вращения п, поэтому при n 2

(рис. 121,6) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки I н = I я при постоянных частоте вращения п и токе возбуждения I в. Напряжение генератора U всегда меньше его э. д. с. Е на значение падения напряжения I я?R я во всех обмотках, включенных последовательно в цепь якоря.

С увеличением нагрузки генератора (тока обмотки якоря I я = I н) напряжение генератора уменьшается по двум причинам: I) из-за увеличения падения напряжения Iя?Rя в цепи обмотки якоря; 2) из-за уменьшения э. д. с. Е = с Е Фn в результате размагничивающего действия потока якоря. Как было установлено в § 29, магнитный поток якоря несколько ослабляет главный магнитный поток Ф генератора, что приводит к некоторому уменьшению его э. д. с. Е при нагрузке по сравнению с э. д. с. Е0 при холостом ходе.

Изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке в рассматриваемом генераторе составляет 3-8 % от U 0 .

Если замкнуть внешнюю цепь на очень малое сопротивление, т. е. произвести короткое замыкание генератора, то напряжение его падает до нуля. Ток в обмотке якоря I к при коротком замыкании достигнет недопустимого значения, при котором может перегореть обмотка якоря. В машинах малой мощности ток короткого замыкания может в 10-15 раз превысить номинальный ток, в машинах большой мощности это соотношение может достигать 20-25.

Регулировочная характеристика генератора (рис. 121, в) представляет собой зависимость тока возбуждения I в от тока нагрузки I н при неизменном напряжении U и частоте вращения п. Она показывает, как надо регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Достоинствами генератора с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от 0 до U mах путем изменения тока возбуждения и малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако он требует наличия внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 122, а) ток обмотки якоря I я разветвляется во внешнюю цепь нагрузки Rн (ток I н) и в обмотку возбуждения (ток I в); ток I в для машин средней и большой мощности составляет 2-5 % номинального значения тока в обмотке якоря. В машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Однако самовозбуждение генератора возможно только при выполнении ряда условий.

1. Для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо наличие в магнитной цепи машины потока остаточного магнетизма, который индуцирует в обмотке якоря э. д. с. E ост. Эта э. д. с. обеспечивает протекание по цепи «обмотка якоря - обмотка возбуждения» некоторого начального тока.

2. Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен быть направлен согласно с магнитным потоком остаточного магнетизма. В этом случае в процессе самовозбуждения будет нарастать ток возбуждения I в и, следовательно, магнитный поток Ф машины э. д. с. Е. Это будет продолжаться до тех пор, пока из-за насыщения магнитной цепи машины не прекратится дальнейшее увеличение Ф, а следовательно, Е и I в. Совпадение по направлению указанных потоков обеспечивается путем правильного присоединения обмотки возбуждения к обмотке якоря. При неправильном ее подключении происходит размагничивание машины (исчезает остаточный магнетизм) и э. д. с. Е уменьшается до нуля.

3. Сопротивление цепи возбуждения R B должно быть меньше некоторого предельного значения, называемого критическим сопротивлением . Поэтому для быстрейшего возбуждения генератора рекомендуется при включении генератора в работу полностью выводить регулировочный реостат R рв, включенный последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 122, а). Это условие ограничивает также возможный диапазон регулирования тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора с параллельным возбуждением. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления цепи обмотки возбуждения можно лишь до (0,6-0,7) U ном

Следует отметить, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы процесс увеличения его э. д. с. E и тока возбуждения I в происходил при работе машины в режиме холостого хода. В противном случае из-за малого значения E ост и большого внутреннего падения напряжения в цепи обмотки якоря напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, может уменьшиться почти до нуля и ток возбуждения не сможет увеличиться. Поэтому нагрузку к генератору следует подключать только после установления на его зажимах напряжения, близкого к номинальному.

При изменении направления вращения якоря изменяется полярность щеток, а следовательно, и направление тока в обмотке возбуждения; в этом случае генератор размагничивается.

Во избежание этого при изменении направления вращения необходимо переключить провода, присоединяющие обмотку возбуждения к обмотке якоря.

Внешняя характеристика генератора (кривая 1 на рис. 122, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки I н при неизменных значениях частоты вращения п и сопротивления цепи возбуждения R B . Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что кроме тех же двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки в генераторе с независимым возбуждением (падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря), в рассматриваемом генераторе существует еще третья причина - уменьшение тока возбуждения. Так как ток возбуждения I B = U/R B , т. е. зависит от напряжения U машины, то с уменьшением напряжения по указанным двум причинам уменьшается магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, что приводит к дополнительному уменьшению напряжения. Максимальный ток I кр, соответствующий точке а, называется критическим.
При коротком замыкании обмотки якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением мал (точка б), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Поэтому ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4 -0,8) I ном. Внешняя характеристика точкой а делится на две части: верхнюю - рабочую и нижнюю - нерабочую. Обычно используется не вся рабочая часть, а только некоторый ее отрезок. Работа на участке аб внешней характеристики неустойчива; в этом случае машина переходит в режим, соответствующий точке б, т. е. в режим короткого замыкания.

Характеристику холостого хода генератора с параллельным возбуждением снимают при независимом возбуждении (когда ток в якоре I я = 0), поэтому она ничем не отличается от соответствующей характеристики для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, а). Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и характеристика для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, в).

Генераторы с параллельным возбуждением применяют для питания электрических потребителей в пассажирских вагонах, автомобилях и самолетах, в качестве генераторов управления на электровозах, тепловозах и моторных вагонах и для заряда аккумуляторных батарей.

Генератор с последовательным возбуждением. У этого генератора (рис. 123, а) ток возбуждения I в равен току нагрузки I н = I я и напряжение сильно изменяется при изменении тока нагрузки. При холостом ходе в генераторе индуцируется небольшая э. д. с. Е ост создаваемая потоком остаточного магнетизма (рис. 123, б). С увеличением тока нагрузки I н = I в = I я возрастают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора; это возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генератора с параллельным возбуждением), продолжается до известного предела, обусловленного магнитным насыщением машины. При увеличении тока нагрузки свыше I кр напряжение генератора начинает уменьшаться, так как магнитный поток возбуждения из-за насыщения почти перестает увеличиваться, а размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи обмотки якоря I я?R я продолжают возрастать. Обычно ток I кр значительно больше номинального тока. Генератор может работать устойчиво только на части аб внешней характеристики, т. е. при токах нагрузки, больших номинального.

Так как в генераторах с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе близко в нулю, они непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом (реостатном) торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 124, а) чаще всего параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная - вспомогательной. Обе обмотки находятся на одних полюсах и соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки складывались (при согласном включении) или вычитались (при встречном включении).

Генератор со смешанным возбуждением при согласном включении его обмоток возбуждения позволяет получить приблизительно постоянное напряжение при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 124, б) может быть в первом приближении представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой

обмоткой возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения I в1 , напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки I н (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения I в2 = I н напряжение U возрастает с увеличением тока I н (кривая 2). Если подобрать число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение?U посл компенсировало суммарное падение напряжения?U при работе машины с одной только параллельной обмоткой, то можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2-3 %. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение U ном будет больше напряжения U 0 при холостом ходе (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении цепи якоря генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен против потока параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет круто падающей (кривая 5).

Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах, работающих в условиях частых коротких замыканий. В таких генераторах при коротком замыкании последовательная обмотка почти полностью размагничивает машину и уменьшает ток к. з. до значения, безопасного для генератора. Генераторы со встречно включенными обмотками возбуждения используют на некоторых тепловозах в качестве возбудителей тяговых генераторов; они обеспечивают постоянство мощности, отдаваемой генератором. Такие возбудители применяют также на электровозах постоянного тока. Они питают обмотки возбуждения тяговых двигателей, которые при рекуперативном торможении работают в генераторном режиме, и обеспечивают получение круто падающих внешних характеристик (см. § 37).