Особенно велико влияние поля главных полюсов на коммутацию в машинах с несимметричной магнитной системой и в машинах с расщепленными полюсами. При этом изменение потока возбуждения приводит к изменению результирующего потока в коммутационной зоне, а следовательно, и к изменению среднего значения коммутирующей э.д.с. Это обстоятельство затрудняет создание мощных машин с расщепленными полюсами (электромашинных усилителей и регулируемых одноякорных преобразователей).

Оценка коммутационной напряженности машины. Качество коммутации проверяется визуально или при помощи специальных приборов (индикаторов искрения) во время контрольных стендовых испытаний. Однако часто, чтобы составить прогноз работы машины в эксплуатации, необходимо оценить напряженность коммутации теоретически. Такая необходимость возникает как при проектировании машины, так и при выборе типа машины для определенного технологического процесса, характеризующегося величиной и частотой перегрузок, вибрациями машины, частотой пусков, реверсов и т.д.

Наиболее распространенным критерием напряженности коммутации является средняя величина реактивной э. д. с, так как искрение возникает из-за неполной ее компенсации. Однако вполне определенного допускаемого значения реактивной э.д.с. установить не удалось, и различные заводы и фирмы придерживаются своих норм, ограничивая значение этой э.д. с. 3–10 В. Так, например, по рекомендациям завода «Электросила» в машинах большой мощности с петлевой и лягушачьей обмотками реактивная э.д.с. ер.ср при номинальной нагрузке не должна превосходить 7–10 В (меньшие значения относятся к быстроходным машинам с n ≥ 3000 об/мин). При волновых обмотках, которые применяют в машинах с током до 400 А и в тихоходных машинах с большим числом полюсов, реактивная э.д. с. не должна превышать 5 В. В машинах средней мощности с диаметром якоря до 30 см, в которых обычно применяют волновые обмотки с несколькими витками в секциях, значение ер.ср должно быть не более 2,5 – 3 В.

Другой критерий основан на определении величины электромагнитной энергии или мощности, выделяющейся под краем щетки при искрении в процессе коммутации. Электромагнитная энергия, выделяющаяся в возникающей дуге при разрыве остаточного тока iост = 2iпΔ = 2uпIaΔ,

, (2.46)

где

–

степень некомпенсации реактивной э.д.с.

Соответствующая мощность, выделяющаяся под краем щетки при искрении и постоянно действующем расстройстве коммутации,

Pa = mWv, (2.62)

где m – число разрывов остаточного тока в секунду.

Так как искрение возникает при коммутации тока в каждой последней секции паза, то каждый разрыв остаточного тока соответствует перемещению коллектора на uп коллекторных делений. Следовательно,

При этом мощность

. (2.62а)

Величина представляет собой реактивную э.д.с. ер, вычисленную в предположении, что щетка перекрывает одну коллекторную пластину, (по формуле 2.32а), поэтому

, (2.62б)

где iп = uпia – полный ток во всех секциях, лежащих в каждом слое паза.

Таким образом, при заданных технологии и условиях эксплуатации мощность, выделяющаяся под щеткой при искрении, зависит от полного тока паза 2iп и величины реактивной э. д. с, вычисленной в предположении, что bщ=tк.

Для более полной оценки напряженности коммутации по величине мощности, выделяющейся под щеткой при искрении, необходимо учитывать коммутационные свойства самих щеток. При расстройстве коммутации и применении электрографитированных, графитовых и угольно-графитных щеток искрение возникает равномерно по всей длине коллекторных пластин (при искрении коллекторные пластины обычно имеют по всей длине равномерный подгар с одного края), в результате чего происходит равномерная эрозия щеток и коллекторных пластин. Износ щетки будет зависеть от удельной мощности, выделяющейся на единице длины края щетки:

. (2.63)

При этом kщ = iпeр.п/lщ является мерой оценки коммутационной напряженности машины. Обычно коммутация машины не вызывает затруднений, если kщ < 500 Вт/см. В общем случае величина kщ должна уточняться для каждого типа машины, исходя из особенностей ее технологии изготовления и условий эксплуатации. При этом должно учитываться демпфирующее действие вихревых токов в проводниках якоря, особенно заметное в машинах большой мощности.

Проведенные исследования показали, что если удельная мощность ри.уд, выделяющаяся под краем щетки, менее 1 Вт/см, то современные электрографитированные щетки уменьшают остаточный ток настолько, что искрения совершенно не наблюдается, т.е. для безыскровой коммутации необходимо, чтобы

Вт/см. (2.64)

Из (2.64) можно определить ориентировочную величину допустимой степени некомпенсации

Или

. (2.65)

Режимы, при которых Δпр% ≤ 1 ÷ 2%, неизбежно сопровождаются искрением под щетками. Интенсивность износа коллекторных пластин должна оцениваться величиной kк = (km/z) 2 р, так как искрение, повреждающее данную пластину, возникает при выходе пластины из-под каждого щеткодержателя, число которых обычно равно числу полюсов 2 р, а число искрящих пластин равно числу пазов z. Рекомендуется, чтобы предельно допустимая величина kк не превосходила 20 – 30 Вт/см (при этом не будет чрезмерного износа коллектора).

Экспериментальная проверка коммутации и настройка добавочных полюсов. Обычно машины постоянного тока при выпуске с завода проходят контрольные испытания, в которые входит и проверка качества коммутации (обычно визуальная). Головные образцы машин проходят более основательную проверку коммутации, в процессе которой путем изменения величины воздушных зазоров в магнитной цепи добавочных полюсов устанавливают оптимальную величину коммутирующей э.д.с.

Основным методом проверки и наладки коммутации является экспериментальное определение зоны безыскровой работы (путем подпитки обмотки добавочных полюсов). Для этой цели в обмотку добавочных полюсов от специального генератора (рис. 2.44) подают дополнительный ток ΔI (ток подпитки), вследствие чего изменяется ее м.д.с. Fдo6. При этом изменяются индукция Вк в зоне коммутации и величина коммутирующей э.д.с. ек.ср. При проведении опыта, постепенно увеличивая м. д. с. добавочных полюсов, добиваются появления искрения под щетками и фиксируют ток подпитки +ΔI Затем изменяют направление тока подпитки и повторяют опыт, добиваясь снова появления искрения под щетками при токе – ΔI. Этот опыт проводят при постоянной частоте вращения n и различных значениях тока якоря. По полученным данным строят зону безыскровой работы машины (см. заштрихованную зону на рис. 2.45). Обычно при построении зоны безыскровой работы величину тока подпитки выражают в процентах от номинального тока якоря. Ширина зоны безыскровой работы характеризует устойчивость коммутации машины при случайных отклонениях условий коммутации от оптимальных, что всегда имеет место в эксплуатации. При номинальном режиме предельная допустимая неточность компенсации реактивной э.д.с. примерно равна половине ширины зоны безыскровой работы: Δпред% ≈ 0,5bв.ном%.

Рис. 2.44 – Схема экспериментальной установки для определения зоны безыскровой работы:

Я1 – якорь исследуемой машины: ОВ1 – ее обмотка возбуждения;

ДП – ее обмотка добавочных полюсов; Я2 – якорь вспомогательного генератора;

ОВ2 – его обмотка возбуждения

Рис. 2.45. Зоны безыскровой работы машины постоянного тока

Обычно добавочные полюсы настраивают так, чтобы середина зоны безыскровой работы соответствовала току подпитки, равному нулю. Этому режиму отвечает слегка ускоренная коммутация. Исключение составляют машины, работающие в широком диапазоне изменения частоты вращения. В этом случае также нужно настраивать добавочные полюсы по средней линии зоны безыскровой работы, но зону снимать при частоте вращения машины, близкой к максимальной (рис. 2.45, а). При такой настройке добавочных полюсов в области малых частот вращения машина будет недокоммутирована, т.е. поле в зоне коммутации будет слишком слабым (средняя линия ab зоны безыскровой работы на рис. 2.45, б лежит в области положительных значений тока подпитки ΔI).

Это объясняется тем, что при снижении частоты вращения уменьшается абсолютное значение реактивной э.д.с. и увеличивается роль падения напряжения в переходном контакте между щеткой и коллектором, которое не зависит от частоты вращения. В результате резко расширяется область допустимой перекоммутации, т.е. можно было бы увеличить м. д. с. добавочных полюсов. Несоответствие м. д. с. добавочных полюсов оптимальному расположению зон безыскровой работы при малых частотах вращения не имеет практического значения, так как в рассматриваемых режимах машина менее нагружена в коммутационном отношении и имеет более устойчивую коммутацию, чем при большой частоте вращения[4].

2.8 Генераторы постоянного тока

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

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 нею.

Рассматриваемые генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения, имеющие большое число витков, изготовляют из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения, имеющую небольшое число витков, – из провода большого сечения. Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Генератор с независимым возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.46) ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iа, который равен току нагрузки Iн. Величина тока Iв определяется только положением регулировочного реостата rр.в, включенного в цепь обмотки возбуждения:

, (2.66)

где Uв – напряжение источника питания; rв – сопротивление обмотки возбуждения; rр.в-сопротивление регулировочного реостата.

Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1–3% от номинального тока якоря.

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Рис. 2.46. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Характеристикой холостого хода (рис. 2.47, а) называют зависимость U0 = f(Iв) при Iн= 0 и n = const. При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U0 на зажимах якоря равно э.д.с. Е = сеФn.

Обычно частота вращения якоря n поддерживается неизменной и напряжение при холостом ходе зависит только от величины магнитного потока Ф, т.е. оттока возбуждения Iв. Поэтому характеристика U0 = f(Iв) подобна магнитной характеристике Ф = f(Iв)

Рис. 2.47 – Характеристики генератора с независимым возбуждением

Характеристику холостого хода легко снять экспериментально. Вначале устанавливают ток возбуждения таким, чтобы U0 ≈ 1,25Uном; 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 этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуктируется остаточная э.д.с. Еост, которая составляет 2–4% от Uном.

Внешней характеристикой (рис. 2.47, б) называют зависимость U==f(Iн) при n = const и Iв = const. В режиме нагрузки напряжение генератора

, (2.67)

где ∑r – сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, добавочных полюсов и компенсационной).

С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:

а) из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении ∑r машины;

б) из-за уменьшения э.д.с. Е в результате размагничивающего действия реакции якоря.

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

. . (2.68)

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

Регулировочной характеристикой (рис. 2.47, в) называют зависимость Iв = f(Iн) при U = const и n = const. Она показывает, каким образом следует регулировать ток возбуждения, чтобы поддержать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Нагрузочной характеристикой (рис. 2.48, а) называют зависимость U=f(Iв) при n = const и Iн = const. Нагрузочная характеристика при Iн = Iном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 1), которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iн = 0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении ∑r машины. Наглядное представление о влиянии этих факторов дает характеристический, или реактивный, треугольник ABC (рис. 2.48, а). Если к отрезку аА, равному в определенном масштабе напряжению U при некотором токе нагрузки Iн, и некотором токе возбуждения Iв, прибавить отрезок АВ, равный в том же масштабе падению напряжения Ia∑r в генераторе, то получим отрезок аВ, равный э.д.с. Е. При холостом ходе такая э.д.с. индуктируется в обмотке якоря при меньшем токе I'в, соответствующем абсциссе точки С. Следовательно, отрезок ВС характеризует размагничивающее действие реакции якоря в масштабе тока возбуждения. При неизменном токе Iн катет АВ характеристического треугольника является постоянным; катет ВС зависит не только от тока Iн, но и от степени насыщения магнитной системы, т.е. от тока возбуждения Iв. Однако в ряде случаев влиянием тока возбуждения пренебрегают и принимают, что отрезок ВС пропорционален только току Iн.

Рис. 2.48 – Нагрузочная характеристика генератора с независимым возбуждением (а) и ее построение с помощью реактивного треугольника (б)

Это позволяет строить нагрузочные характеристики при разных токах, изменяя лишь величину всех сторон треугольника ABC. Если вершину С характеристического треугольника, построенного для некоторого тока Iн, совместить с характеристикой 1 холостого хода (рис. 2.48, б), а затем перемещать треугольник по этой характеристике так, чтобы катет ВС оставался параллельным оси абсцисс, то след вершины А даст приближенно искомую нагрузочную характеристику 2 при заданной величине тока Iн. Эта характеристика будет несколько отличаться от реальной характеристики 3 (которая может быть снята опытным путем), так как величина катета ВС характеристического треугольника будет изменяться вследствие изменения условий насыщения. Используя характеристику холостого хода, с помощью характеристического треугольника могут быть построены и другие характеристики генератора: внешняя и регулировочная.

Рис. 2.49 – Построение внешней характеристики генератора с независимым возбуждением с помощью характеристического треугольника

Построение внешней характеристики. При построении исходят из характеристики холостого хода 1 (рис. 2.49). Взяв точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению Uном, проводят через нее прямую AD, параллельную оси абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника, снятого при номинальном токе якоря так, чтобы катет АВ был параллелен оси ординат, а вершина С находилась на характеристике 1. Затем, опустив перпендикуляр из вершины А на ось абсцисс, находят точку Ак, соответствующую номинальному току возбуждения Iв.ном.

При этом способе определения тока Iв.ном исходят из того, что под действием реакции якоря э.д.с. при нагрузке будет меньше, чем при холостом ходе, т.е. будет создаваться как бы меньшим током возбуждения. Это уменьшение тока Iв соответствует отрезку ВС, характеризующему размагничивающее действие реакции якоря. Напряжение при номинальном токе также будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения Iа∑r, которому соответствует катет АВ.

При построении искомой зависимости 2 напряжения U от тока нагрузки I = Iа ее точки могут быть легко определены: номинальному току Iа.ном отвечает номинальное напряжение Uном (точка b), а режиму холостого хода (ток якоря равен нулю) – напряжение U0 (точка а), равное э.д.с. при токе возбуждения Iв.ном. Другие точки (с, d и т.д.) внешней характеристики можно построить, изменяя все стороны характеристического треугольника прямо пропорционально изменению тока якоря и располагая его так, чтобы катеты А'В', А «В» и т.д. оставались параллельными оси ординат. При этом точки В, В', В» и т.д. должны располагаться на вертикальной линии АкВ, соответствующей току возбуждения Iв.ном, а точки С, С', С» и т.д. на характеристике холостого хода. Тогда ординаты точек В', В» и т.д. будут определять величину напряжения при токах нагрузки Iа1= IаномА'В'/AB; Iа2=IаномА "В»/АВ и т.д.

Обычно при построении внешней характеристики 2 проводят только гипотенузы характеристических треугольников А'С', А «С» и т.д., параллельные АС, до пересечения с характеристикой холостого хода и с линией АкВ, соответствующей току Iв.ном. Ординаты найденных точек А', А» и т.д. дадут искомые величины напряжений (т.е. точки с, d и т.д. внешней характеристики 2), при токах нагрузки

:::···=АС:А'С':А «С»: ··.

Если из точки Ак, соответствующей Iв.иом, провести прямую, параллельную АС, до пересечения с характеристикой холостого хода в точке Ск, то получим величину тока короткого замыкания Iк = IномАкСк/АС, которая в 5–15 раз превосходит номинальный ток. Зная ток короткого замыкания, можно рассчитать максимальный момент и механическую прочность вала, выбрать аппаратуру защиты и т.д. Экспериментальное определение тока короткого замыкания затруднительно, так как в процессе проведения опыта может возникнуть круговой огонь.

Построенная характеристика является приближенной. Основная погрешность обусловлена тем, что размагничивающее действие реакции якоря (т.е. катет ВС) не пропорционально току якоря. Обычно приведенное построение дает несколько заниженное значение напряжения, а также тока короткого замыкания.

Построение регулировочной характеристики (рис. 2.50). Это построение начинают с того, что находят ток возбуждения, соответствующий номинальному напряжению при холостом ходе. Чтобы определить ток возбуждения при номинальном токе нагрузки, вершину А характеристического треугольника (соответствующего номинальной нагрузке) располагают на прямой 2, параллельной оси абсцисс и находящейся от нее на расстоянии Uном. Катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна располагаться на характеристике холостого хода 1. Абсцисса вершины А дает искомую величину тока возбуждения. Доказательство справедливости этого построения дано при построении внешней характеристики.

Проводя прямые, параллельные гипотенузе АС, получим отрезки А'С', А «С», А' «С'» и т.д., заключенные между характеристикой холостого хода 1 и прямой 2, соответствующей условию U = Uном = const. Эти отрезки представляют собой гипотенузы характеристических треугольников при других токах нагрузки. Искомая регулировочная характеристика Iв = f(Iа) – кривая 3 – построена в нижнем координатном углу. Значения тока возбуждения определяются абсциссами точек А, А', А» и т.д., которым соответствуют токи нагрузки, пропорциональные длинам отрезков АС, А'С', А «С» и т.д.

Рис. 2.50 – Построение регулировочной характеристики с помощью характеристического треугольника

Рис. 2.51 – Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением

Достоинствами генераторов с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от нуля до Uмакс путем изменения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако такие генераторы требуют наличия внешнего источника постоянного тока для – питания обмотки возбуждения.

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.51) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно нагрузке. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Чтобы установить их, рассмотрим процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуждения – якорь» при режиме холостого хода. Для рассматриваемого контура можно написать уравнение

e = iBRB + LBdiB/dt, (2.69)

где е и iв–мгновенные значения э.д.с. Е в обмотке якоря и тока возбуждения Iв; Rв = rв + rр.в–суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением ∑r можно пренебречь, так как оно значительно меньше Rв); Lв–суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Все члены, входящие в (2.69), могут быть изображены графически. На рис. 2.52 показаны зависимость e = f(iв), представляющая собой характеристику холостого хода генератора ОА, и вольт-амперная характеристика сопротивления его цепи возбуждения iвRв = = f(iв). Последняя представляет собой прямую ОВ, проходящую через начало координат под углом у к оси абсцисс; при этом tgγ=Rв. Из (2.69) имеем

diB/dt=(e-iBRB)/LB. (2.70)

Следовательно, если имеется положительная разность (е–iвrв), то производная diв/dt > 0 и происходит процесс увеличения тока возбуждения iв. Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения будет иметь место при diв/dt = 0, т.е. в точке С пересечения характеристики холостого хода 0А с прямой 0В. В этом режиме машина будет работать с некоторым установившимся током возбуждения Iв0 и э.д.с. Е0= U0.

Из уравнения (2.70) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий.

1. Процесс самовозбуждения в генераторе может начаться только в том случае, если в начальный момент (iв = 0) в обмотке якоря индуктируется некоторая начальная э.д.с. енач. Такая э.д.с. может быть создана потоком остаточного магнетизма. Поэтому для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в машине имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуктирует в его обмотке э.д.с. Еост. 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 iв по обмотке возбуждения ее м. д. с. Fв должна быть направлена согласно с м. д. с. остаточного магнетизма Fост. В этом случае под действием разности е–iвRв происходит процесс нарастания тока iв, магнитного потока возбуждения Фв 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 е–iвRв, необходимая для возрастания тока возбуждения iв от нуля до установившегося значения Iв0, может иметь место только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока iв прямая ОВ располагается ниже характеристики холостого хода ОА.

Рис. 2.52 – Характер изменения э.д.с. и тока возбуждения генератора в процессе самовозбуждения

При увеличении сопротивления цепи возбуждения Rв возрастает угол наклона у прямой ОВ к оси тока Iв и при некотором критическом значении этого угла γкр (соответствующем критическому значению сопротивления Rв.кр) прямая ОВ практически совпадет с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ≈ iвRв 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 Rв<.Rв.кр, то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока iв ниже установившегося значения Iв0 или увеличении его свыше Iв0 возникает соответственно положительная или отрицательная разность (е–iвRв), стремящаяся изменить ток iв так, чтобы он снова стал равным Iв0. Однако при Rв> Rв.кр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения Rв до величины, большей Rв.кр, то машина размагничивается и ее э. д. с. уменьшается до Еост. Если же генератор начал работать при Rв > Rв.кр, то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие Rв < Rв.кр ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора, а следовательно, и его напряжения. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления Rв можно лишь до (0,6 ÷ 0,7) Uном.

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U = f(Iв) при n = const и Rв = const (рис. 2.53, кривая 1). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызщающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки (падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря), существует еще третья причина – уменьшение тока возбуждения Iв = U/Rв, который зависит от напряжения U, т.е. от тока Iн.

Рис. 2.53. Внешняя характеристика генераторов с независимым и параллельным возбуждением

Особенно наглядно видно действие причин, уменьшающих напряжение генератора при увеличении тока нагрузки, из рассмотрения рис. 2.54, на котором показано построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, параллельную оси абсцисс.

На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника; катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна лежать на характеристике холостого хода 1. Через начало координат и вершину А проводят прямую 2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является вольт-амперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения. Ордината точки пересечения Е характеристик 1 и 2 даст напряжение генератора U0 при холостом ходе.

Рис. 2.54 – Построение внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением с помощью характеристического треугольника

Произведенное построение справедливо, так как:

а) ток возбуждения при номинальном режиме Iв.ном = Uном/ Rв соответствует абсциссе точки А;

б) э. д. с. генератора при номинальной нагрузке Еном = Uном + Iаном∑r соответствует ординате точки В;

в) э. д. с. Еном можно определить по характеристике холостого хода, если взять ток возбуждения, который меньше Iв.ном на величину отрезка ВС, учитывающего размагничивающее действие реакции якоря.

При построении внешней характеристики 3, ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются величинами напряжений U0 и Uном. Промежуточные точки получают, проводя прямые А'С', А «С» и т.д., параллельные гипотенузе АС, до пересечения с вольт-амперной характеристикой 2 в точках А', А» и т.д., а также с характеристикой холостого хода 1 в точках С', С» и т.д. Ординаты точек А', А» и т.д. будут соответствовать напряжениям при токах нагрузки Iа1, Iа2 и т.д., величины которых определяются из соотношения Iаном: Iа1: Iа2:… = АС: А'С': А «С»:…

Изменение напряжения генератора при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода составляет 10–20%, т.е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При коротком замыкании якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал, так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4 – 0,8) Iном. Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока Iкр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки rн ток Iн ≈ Iа≈ U/rн начинает уменьшаться, так как U падает быстрее, чем уменьшается rн. Работа на участке ab внешней характеристики (см. рис. 10–53) неустойчива; в этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий точке b, т.е. в режим короткого замыкания.

Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как для генератора с независимым возбуждением.

Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 2.55, а) ток возбуждения Iв = Iа = Iн. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.55, б, кривая 1) может быть построена по характеристике холостого хода (кривая 2) и реактивному треугольнику ABC, стороны которого увеличиваются пропорционально току Iн.

Рис. 2.55 – Схема генератора с последовательным возбуждением и его внешняя характеристика

При токах, меньших Iкр, с увеличением тока нагрузки возрастает магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, вследствие чего увеличивается и его напряжение U. Только при очень больших токах Iн > Iкр напряжение U с ростом нагрузки уменьшается, так как в этом случае магнитная система машины насыщается и небольшое возрастание потока Ф не может скомпенсировать увеличенное падение напряжения на внутреннем сопротивлении ∑r. 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. Используют их лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Рис. 2.56 – Схема генератора со смешанным возбуждением и его внешние характеристики

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.56, а) имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.56, б) в первом приближении может быть представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн, напряжение возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).

Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔUпосл компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до Iном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2–3%. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение Uном > U0 (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении ∑r генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы ее м. д. с. была направлена против м. д. с. параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большем числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей (кривая 5). Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Генераторы постоянного тока, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики их снабжают небольшой последовательной обмоткой (один-три витка на полюс).

При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением. Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.

2.9 Параллельная работа генераторов постоянного тока

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

Подключение генератора к сети (рис. 2.57, а). 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 напряжение генератора Uг0 = E0 равно напряжению сети U. При обеспечении этих условий включение генератора не будет сопровождаться броском тока, так как IH = (Uг0 – U)/∑r = 0. Условие Uг0 – U проверяют с помощью нулевого вольтметра V.

Нагрузка генератора. Чтобы нагрузить генератор, подключенный к сети, необходимо повысить его э. д. с. Это можно сделать путем увеличения частоты вращения якоря или тока возбуждения. Удобнее однако, воздействовать на ток возбуждения.

Рис. 2.57 – Схема подключения генератора с параллельным возбуждением к сети и определение его тока нагрузки по внешним характеристикам

Величину тока нагрузки Iн да Iа при заданном токе возбуждения можно определить графически по внешним характеристикам генератора 1 и 2, построенным при различных величинах тока возбуждения (рис. 2.57, б). Например, при некотором токе возбуждения Iв1 (кривая 1) равенство напряжений генератора Uг и сети U имеет место в точке А при токе нагрузки Iн1 = 0. При токе возбуждения Iв2 внешняя характеристика генератора (кривая 2) пересекается с линией U = const в точке В, соответствующей некоторому установившемуся значению Iн2 тока нагрузки.

Работа генератора в этой точке является устойчивой: при случайном изменении тока нагрузки, а следовательно, и тока якоря на величину ΔIн ≈ ΔIа возникает переходный процесс, для которого можно написать уравнение

, (2.71)

где u = U – мгновенное значение напряжения, сети; iн и е–мгновенные значения тока нагрузки и э. д. с. генератора при переходном процессе; La – индуктивность цепи обмотки якоря; иг – мгновенное значение напряжения генератора.

Из (2.71) следует, что

dijdt = (ur–u)/La. (2.72)

При случайном увеличении тока нагрузки свыше Iн2 напряжение генератора uг становится меньше напряжения сети u, следовательно, производная diв/dt будет отрицательной, т.е. ток нагрузки начнет уменьшаться, стремясь к установившемуся значению Iн2. При случайном уменьшении тока ниже Iн2 напряжение иг > и, производная diн/dt > 0 и ток нагрузки начнет возрастать до установившегося значения Iн2.

Генератор с последовательным возбуждением устойчиво работать параллельно с сетью не может, так как его напряжение Uг увеличивается при возрастании тока нагрузки Iн (рис. 2.58, а). Поэтому при случайном отклонении тока якоря от некоторого установившегося значения Iн, при котором Uг = U (точка А), машина сбрасывает нагрузку или переходит в режим работы, соответствующий очень большому току.

Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением (рис. 2.58, б) 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, так как для него характерны броски тока при переходе из неустойчивого режима в устойчивый.

Рис. 2.58 – Определение тока нагрузки при подключении к сети генераторов с последовательным и смешанным возбуждением

2.10 Электродвигатели постоянного тока

Машина постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением, подключенная к сети с постоянным напряжением U, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой.

Для контура «обмотка якоря – сеть» можно согласно II закону Кирхгофа написать уравнение

, (2.73а)

Откуда

. (2.73б)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9