Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Глава 28
Коллекторные генераторы постоянного тока
§ 28.1. Основные понятия
В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи яко ря возникает ток, а на выводах генератора устанав ливается напряжение, определяемое уравнением на пряжений для цепи якоря генератора:
. (28.1)
Здесь
(28.2)
— сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря , обмотки добавочных полюсов , компенсационной обмотки , последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта .
При отсутствии в машине каких-либо из указан ных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.
Якорь генератора приводится во вращение при водным двигателем, который создает на валу гене ратора вращающий момент . Если генератор ра ботает в режиме х.х. , то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холо стого хода . Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.
При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодей ствуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. В генераторе этот момент направлен встречно вра щающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).
Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока
При неизменной частоте вращения вра щающий момент приводного двигателя уравнове шивается суммой противодействующих моментов: мо ментом х.х. и электромагнитным моментом М, т. е.
. (28.3)
Выражение (28.3) — уравнение моментов для генератора при . Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря , получим уравнение мощностей:
, (28.4)
где — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха ническая); — мощ ность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен ной нагрузке); — электромагнитная мощность генератора.
Согласно (25.27), получим
,
или с учетом (28.1)
, (28.5)
где — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощ ность, отдаваемая генератором нагрузке; — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря (см. § 29.8).
Учитывая потери на возбуждение генератора , получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:
. (28.6)
Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем , преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность , передаваемую нагрузке, и мощ ность, затрачиваемую на покрытие потерь.
Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов посто янного тока.
Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. от тока возбуждения :
при и .
Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбу ждения :
при и .
Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки :
при и ,
где — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуж дения.
Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж дения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выходе генератора:
при и .
Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свой ства генераторов постоянного тока.
§ 28.2. Генератор независимого возбуждения
Схема включения генератора независимого возбуждения по казана на рис. 28.2, а. Реостат , включенный в цепь возбужде ния, дает возможность регулировать ток в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоян ного тока, называемого в этом случае возбудителем.
Рис. 28.2 Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генера тора независимого возбуждения
Характеристика холостого хода. При снятии характеристики генератор работает в режиме х.х. . Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения от нулевого значения до , при котором напряжение х.х. . Получают данные для построения кривой 1 (рис. 28.2, ). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля, и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до . По лученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается вы ше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагни чивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от до , а затем увеличи вают его до значения . В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагни чивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, полу чим расчетную характеристику х.х.
Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует нена сыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличе нии тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины (см. § 26.1) и дает возможность судить о магнитных свойствах машины.
Нагрузочная характеристика генератора. Эта характери стика выражает зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях на пряжение на выводах генератора меньше ЭДС [см. (28.1)], поэто му нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характери стики холостого хода 2 (рис. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению , отложить вверх отрезок аb, равный , и провести горизонтально отре зок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbс — треугольник реактивный (характе ристический).
Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбужде ния напряжение на выводах ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генера тора снизится до значения . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения при . На пряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря [см. (28.1)] и размагничивающего влияния реакции якоря . Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения , можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: . На рис. 28.3 эта ЭДС представлена отрезком bе. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (bе < dе), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме х.х. для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения . Следовательно, отрезок fе, равный разности токов возбуждения , представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря.
Рис. 28.3. Нагрузочная характери стика генератора независимого возбуждения
Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке: падение на пряжения в цепи якоря определяет катет
(28.7)
ток возбуждения , ком пенсирующий размагничиваю щее действие реакции якоря, оп ределяет катет
, (28.8)
где и — величины, опре деляющие размагничивающее действие реакции якоря по попе речной и продольной осям (см. § 26.2); —число витков в по люсной катушке обмотки возбуждения.
Реактивный треугольник а'b'с' построен для другого значения тока возбуждения . Сторона а'b' треугольника осталась неиз менной (), что объясняется неизменностью тока нагруз ки, но сторона b'с' уменьшилась (b'с' < bс), так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнит ной цепи генератора, а следовательно, и размагничивающее дей ствие реакции якоря.
Внешняя характеристика генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах генера тора от тока нагрузки . При снятии данных для построения внеш ней характеристики генератор приводят во вращение с номиналь ной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. (= 0), снимают показания приборов. Сопротивле ние цепи возбуждения и частоту вращения в течение опыта под держивают неизменными.
На рис. 28.4, а представлена внешняя характеристика генера тора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки напряжение на выводах генератора понижа ется; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:
. (28.9)
Обычно для генератора независимого возбуждения .
Регулировочная характеристика генератора. Характери стика показывает, как следует менять ток в цепи возбуж дения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной .
При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения уста навливают ток , при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восхо дящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепен но уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответст вующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б). Нисходящая ветвь регу лировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характери стикой генератора.
Основной недостаток генераторов независимого возбужде ния — это необходимость в постороннем источнике энергии по стоянного тока — возбудителе. Однако возможность регулирова ния напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.
Рис. 28.4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характери стики генератора независимого возбуждения
§ 28.3. Генератор параллельного возбуждения
Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока ос нован на том, что магнитная система машины, будучи намагни ченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины (по рядка 2—3% от полного потока). При вращении якоря поток
Рис. 28.5. Принципиальная схема (а) и характеристика х.х. (б) генератора параллельного возбуждения
индуцирует в якорной обмотке ЭДС , под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток . Если МДС обмотки возбуждения имеет такое же направление, как и поток , то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падени ем напряжения в цепи возбуждения, т. е. .
На рис. 28.5, а показана схема включения генератора парал лельного возбуждения, на рис. 28.5, б — характеристика х.х. гене ратора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока воз буждения (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней .
Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс определяется из тре угольника ОАВ:
, (28.10)
где — масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм; — масштаб на пряжения (по оси ординат), В/мм.
Из (28.10) следует, что угол наклона прямой к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбужде ния. Однако при некотором значении сопротивления реостата сопротивление , достигает значения, при котором зависимость становится касательной к прямолинейной части ха рактеристики х.х. (прямая 3). В этих условиях генератор не самовозбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при которой прекращается самовозбуждение генератора, называют критиче ским сопротивлением, .
Следует отметить, что самовозбуж дение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей крити ческую . Это условие вытекает из ха рактеристики самовозбуждения гене ратора (рис. 28.6), представляющей собой зависимость напряжения генера тора в режиме х.х. от частоты враще ния при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т. е. при .
Рис. 28.6. Характеристика самовозбуждения
Анализ характеристики самовозбуж дения показывает, что при увели чение частоты вращения якоря генератора сопровождается незна чительным увеличением напряжения, так как процесса самовоз буждения нет и появление напряжения на выходе генератора обу словлено лишь остаточным намагничиванием магнитной цепи генератора. Процесс самовозбуждения начинается при . В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким ростом напряжения . Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост напряжения несколько замедляется, что объяс няется магнитным насыщением генератора. Критическая частота вращения зависит от сопротивления цепи возбуждения и с ростом последнего увеличивается.
Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий: а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом; б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, что бы МДС обмотки совпадала по направлению с потоком остаточ ного магнетизма ; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического; г) частота вращения якоря должна быть больше критической.
Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то и характеристика х.х. этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат.
Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора па раллельного возбуждения практически не отличаются от соответ ствующих характеристик генератора независимого возбуждения.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 28.7) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельно го возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение на пряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья при чина — уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением на пряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки ток увеличивается лишь до критического значе ния , а затем при дальней шем уменьшении сопротив ления нагрузки ток начинает уменьшаться. Наконец, ток нагрузки при коротком замы кании . Дело в том, что с увеличением тока усилива ется размагничивание генера тора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуж дения), машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 28.5, б). Так как ток определяется напряжением на выводах генератора и сопротивлением нагрузки , т. е. , то при токах нагруз ки , когда напряжение генератора уменьшается медлен нее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост то ка нагрузки. После того как , дальнейшее уменьшение сопровождается уменьшением тока нагрузки, так как в этом случае напряжение убывает быстрее, чем уменьшается со противление нагрузки .
Рис. 28.7. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения
Таким образом, короткое замыкание, вызванное медленным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном к.з. магнитная сис тема генератора не успевает размагнититься и ток достигает опасных для машины значений (кривая 2). При та ком резком возрастании тока нагрузки на валу генератора возни кает значительный тормозящий момент [см. (25.24)], а на коллек торе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Поэтому необходимо защищать генератор от перегрузки и к.з. по средством плавких предохранителей или же применением релей ной защиты.
Генераторы параллельного возбуждения широко применяют в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя вы годно отличает эти генераторы от генераторов независимого воз буждения. Номинальное изменение напряжения генератора парал лельного возбуждения [см. (28.9)] составляет 10—30%.
§ 28.4. Генератор смешанного возбуждения
Генератор смешанного возбуждения (рис. 28.8, а) имеет па раллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. По следовательная обмотка обычно включается согласно с парал лельной (чтобы МДС обмоток складывались), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора.
Рис. 28.8. Схема включения генера тора смешанного возбуждения (а) и его внешние характеристики (б)
В режиме х.х. генератор имеет только параллельное возбуждение, так как . С появлением нагрузки возника ет МДС последовательной об мотки возбуждения, которая, подмагничивая машину, ком пенсирует размагничивающее действие реакции якоря и па дение напряжения в якоре.
Внешняя характеристика в этом случае становится наибо лее жесткой (рис. 28.8, б, кри вая 2), т. е. напряжение на за жимах генератора при увели чении тока остается почти не изменным. Если же требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя (в конце линии) оставалось практически неизменным, то число витков последовательной обмотки увеличивают так, чтобы МДС этой обмотки компенсировала еще и падение на пряжения в проводах линии (кривая /).
При встречном включении обмоток возбуждения напряже ние генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 3), что объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена против МДС парал лельной обмотки. Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.
Генераторы смешанного возбуждения с согласным включени ем обмоток возбуждения применяют для питания силовой нагруз ки в случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии.
Контрольные вопросы
Почему у генератора параллельного возбуждения изменение напряжения при
сбросе нагрузки больше, чем у генератора независимого возбуждения?
При каком включении обмоток возбуждения генератора смешанного возбуждения внешняя характеристика получается более «жесткой»?