Генератор независимого возбуждения

Глава 28

Коллекторные генераторы постоянного тока

Основные понятия

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений 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 указанных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент . Если генератор работает в режиме х.х. , то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого 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, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему 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 вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом 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 (механическая); —мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключенной нагрузке); — электромагнитная мощность генератора.

Согласно (25.27), получим

или с учетом (28.1)

, (28.5)

где — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощность, 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 мощность, затрачиваемую на покрытие потерь .

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного 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 возбуждения :

при и .

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки :

при и ,

где — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выходе генератора:

при и .

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока.

Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 28.2, а. Реостат , включенный в цепь возбуждения, 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 постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем.

Рис. 28.2 Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б)генератора 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 . Полученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается выше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагничивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от до , а затем увеличивают его до значения . В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагничивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, получим расчетную характеристику х.х.

Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении 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 характеристика выражает зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС [см. (28.1)], поэтому нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характеристики холостого хода 2 (рис. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению , отложить вверх отрезок аb, равный , и провести горизонтально отрезок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbс — треугольник реактивный (характеристический).

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбуждения напряжение на выводах ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генератора снизится до значения . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения при . Напряжение 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 характеристика генератора независимого возбуждения

Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке: падение напряжения в цепи якоря определяет катет

(28.7)

ток возбуждения , компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря, определяет катет

, (28.8)

где и — величины, определяющие размагничивающее действие реакции якоря по поперечной и продольной осям (см. § 26.2); —число витков в полюсной катушке обмотки возбуждения.

Реактивный треугольник а'b'с' построен для другого значения тока возбуждения . Сторона а'b' треугольника осталась неизменной (), что объясняется неизменностью тока нагрузки, но сторона b'с' уменьшилась (b'с' < bс), так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнитной цепи генератора, а следовательно, и размагничивающее действие реакции якоря.

Внешняя характеристика генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения навыводах генератора от тока нагрузки . При снятии данных для построения внешней характеристики генератор приводят во вращение с номинальной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. ( = 0), снимают показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными.

На рис. 28.4, а представлена внешняя характеристика генератора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки напряжение на выводах генератора понижается; 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. Характеристика показывает, как следует менять ток в цепи возбуждения, 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 устанавливают 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 восходящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепенно уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответствующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б).Нисходящая ветвь регулировочной 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 характеристикой генератора.

Основной недостаток генераторов независимого возбуждения — это необходимость в постороннем источнике энергии постоянного тока — возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.

Рис. 28.4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора независимого возбуждения