При увеличении нагрузки синхронного генератора, т. е. с ростом тока I1 происходит увеличение угла, что ведет к изменению электромагнитной мощности генератора и его электромагнитного момента. Зависимости 
и 
, представленные графически, называются угловыми характеристиками синхронной машины.
Рассмотрим угловые характеристики электромагнитной мощности 
и электромагнитного момента явнополюсного синхронного генератора (рис. 21.5). Эти характеристики построены при условии постоянства напряжения сети (
) и магнитного потока возбуждения, т. е. = const. Из выражений (21.8) и (21.11) видим, что основная составляющая электромагнитного момента и соответствующая ей составляющая электромагнитной мощности изменяются пропорционально синусу угла (график 1), а реактивная составляющая момента (21.12) и соответствующая ей составляющая электромагнитной мощности изменяется пропорционально синусу угла 2 (график 2). Зависимость результирующего момента 
и электромагнитной мощности 
от угла определяется графиком 3, полученным сложением значений моментов и и соответствующих им мощностей по ординатам.
Рис. 21.5. Угловая характеристика синхронного генератора.
Максимальное значение электромагнитного момента 
соответствует критическому значению угла 
.
Как видно из результирующей угловой характеристики (график 3), при увеличении нагрузки синхронной машины до значений, соответствующих углу ≤, синхронная машина работает устойчиво. Объясняется это тем, что при ≤, рост нагрузки генератора (увеличение) сопровождается увеличением электромагнитного момента. В этом случае любой установившейся нагрузке соответствует равенство вращающего момента первичного двигателя сумме противодействующих моментов, т. е. 
. В результате частота вращенияротора остается неизменной, равной синхронной частоте вращения.
При нагрузке, соответствующей углу >, электромагнитный момент M я, уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующих моментов. При этом избыточная (неуравновешенная) часть вращающего момента первичного двигателя 
вызывает увеличение частотывращения ротора, что ведет к нарушению условий синхронизации (машина выходит из синхронизма).
Электромагнитный момент, соответствующий критическому значению угла (), является максимальным М mах.
Для явнополюсных синхронных машин = 60÷80 эл. град. Угол можно определить из формулы
(21.14)
Здесь
. (21.15)
У неявнополюсных синхронных машин 
= 0, а поэтому угловая характеристика представляет собой синусоиду и угол = 90°.
Отношение максимального электромагнитного момента Мmax к номинальному 
называется перегрузочной способностью синхронной машины или коэффициентом статической перегружаемости:
. (21.16)
Пренебрегая реактивной составляющей момента, можно записать
, (21.17)
т.е. чем меньше угол 
, соответствующий номинальной нагрузке синхронной машины, тем больше ее перегрузочная способность. Например, у турбогенератора = 25 ÷ 30°, что соответствует 
= 2,35÷2,0.
Вопрос 35. Конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока независимого возбуждения
ДПТ состоит из трех основных частей: статора с обмоткой возбуждения, ротора с якорной обмоткой и щеточно-коллекторного узла, необходимого для подведения напряжения к обмотке якоря (далее ОЯ). При этом щетки неподвижны, а коллектор жестко связан с якорем.
В ДПТ для улучшения условий коммутации могут быть также предусмотрены и дополнительные полюса, а для компенсации поперечной реакции якоря и компенсационные обмотки на полюсах статора.
В зависимости от способа электромагнитного возбуждения ДПТ подразделяют на ДПТ с НВ, ПВ, смешанным возбуждением и параллельным возбуждением.
Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбуждением, когда обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику постоянного тока или на зажимы двигателя, и на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением, когда вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.
Необходимым условием процесса преобразования энергии является протекание переменных токов хотя бы по части обмоток машины. В двигателе постоянного тока это условие выполняется работой коллектора, коммутирующего постоянный ток, поступающий от источника питания, с частотой ω эл, равный угловой скорости вращения ротора.
a) б)
Рис.6.1. Двухфазная модель двигателя постоянного тока c независимым возбуждением
Обмотка статора по оси β включена на постоянное напряжение Uв. Обмотки ротора 2 d и 2 q получают питание от преобразователя частоты ПЧ, осуществляющего коммутацию токов i 2d и i 2q в функции угла поворота φ эл с частотой ω эл. Если коммутация осуществляется механическим коммутатором-коллектором, то мы имеем обобщенную электрическую модель двигателя постоянного тока. В случае применения в качестве ПЧ вентильного преобразователя частоты, мы имеем модель вентильного двигателя.
МДС статора неподвижна в пространстве; она создается током возбуждения iв = i1β, а ее направление соответствует направлению оси β. Соответственно и МДС ротора при его вращении со скоростью ω должна быть неподвижна относительно статора, что возможно лишь при условии вращения МДС ротора против его вращения со скоростью ω. Это условие выполняется, если обмотки ротора обтекаются токами, изменяющимися по законам:
; 
(6.1)
МДС ротора в этом случае неподвижна относительно статора, поэтому для математического описания динамических процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока целесообразно использовать формулы прямого преобразования координат обобщенной машины: α, β, d, q -› α, β (ω к =0). Для роторных переменных они имеют вид:
(6.2)
Подставив u= α, v= β, 
, получим:
(6.3)
(6.4)
Следовательно, в осях α, β действительным переменным токам обмотки ротора эквивалентна одна якорная обмотка, ось которой совпадает с осью α и которая обтекается постоянным током iя. В реальной машине по оси α расположены также обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка. Поэтому модель двигателя постоянного тока в осях α, β будет иметь вид (рис. 6.1б).
Вопрос 36. Регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока
Частота вращения двигателя постоянного тока:
где U — напряжение питающей сети; Iя — ток якоря; Rя — сопротивление цепн якоря; kc — коэффициент, характеризующий магнитную систему; Ф — магнитный поток электродвигателя.
Из формулы видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя путями: изменением потока возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.
Наиболее широкое применение получили первые два способа регулирования, третий способ применяют редко: он неэкономичен, скорость двигателя при этом значительно зависит от колебаний нагрузки. Механические характеристики, которые при этом получаются, показаны нарисунке.
Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при различных способах регулирования частоты вращения
Жирная прямая — это естественная зависимость скорости от момента на валу, или, что то же, от тока якоря. Прямая естественной механической характеристики несколько отклоняется от горизонтальном штриховой линии. Это отклонение называют нестабильностью, нежесткостью, иногда статизмом. Группа непаралельных прямых I соответствует регулированию скорости возбуждением, параллельные прямые II получаются в результате изменения напряжения якоря, наконец, веер III — это результат введения в цепь якоря активного сопротивления.
Величину тока возбуждения двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью реостата или любого устройства, активное сопротивление которого можно изменять по величине, например транзистора. При увеличении сопротивления в цепи ток возбуждения уменьшается, частота вращения двигателя увеличивается. При ослаблении магнитного потока механические характеристики располагаются выше естественной (т. е. выше характеристики при отсутствии реостата). Повышение частоты вращения двигателя вызывает усиление искрения под щетками. Кроме того, при работе электродвигателя с ослабленным потоком уменьшается устойчивость его работы, особенно при переменных нагрузках на валу. Поэтому пределы регулирования скорости таким способом не превышают 1,25 - 1,3 от номинальной.
Регулирование изменением напряжения требует источника постоянного тока, например генератора или преобразователя. Такое регулирование используют во всех промышленных системах электропривода: генератор - двигатель постоянного тока (Г - ДПТ),электромашинный усилитель - двигатель постоянного тока (ЭМУ - ДПТ), магнитный усилитель - двигатель постоянного тока (МУ - ДПТ),тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока (Т - ДПТ).
Вопрос 37. Условия самовозбуждения генераторов постоянного тока
Различаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.
В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.
Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3—5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая — к машинам мощностью около 1 кет.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рис. 9-1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рис. 9-1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рис. 9-1, г).
Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают н. с. одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток возбуждения называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть н. с. возбуждения (65—80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.
Рис. 9-1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки — направления токов в режиме генератора, штриховые стрелки — в режиме двигателя)
Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения происходит при соблюдении следующих условий: 1) наличия остаточного магнитного потока полюсов; 2) правильного подключения концов обмотки возбуждения или правильного направления вращения. Кроме того, сопротивление цепи возбуждения RB при данной скорости вращения п должно быть ниже некоторого критического значения или скорость вращения при данном RB должна быть выше некоторой критической величины.
Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2—3% от номинального. Остаточный поток такой величины практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную машину или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.
При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Небольшая э. д. с, индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, вызывает в обмотке возбуждения малый ток iB. Этот ток вызывает увеличение потока полюсов, а следовательно увеличение э. д. с, которая в свою очередь обусловливает дальнейшее увеличение iB, и т. д. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения.
Если подключение концов обмотки возбуждения или направление вращения неправильны, то возникает ток £„ обратного направления, вызывающий ослабление остаточного потока и уменьшение э. д. с, вследствие чего самовозбуждение невозможно. Тогда необходимо переключить концы обмотки возбуждения или изменить направление вращения. В соблюдении этих условий можно убедиться, следя с помощью вольтметра с малым пределом измерения за напряжением якоря прл замыкании и размыкании цепи возбуждения.
Полярность зажимов генератора при самовозбуждении определяется полярностью остаточного потока. Если при заданном направлении вращения полярность генератора необходимо изменить, то следует перемагнитить машину путем подачи тока в обмотку возбуждения от постороннего источника.
Вообще любые процессы самовозбуждения — электрические, и другие, наблюдаемые в различных устройствах, — ограничиваются только нелинейностью характеристик системы.
Из сказанного следует, что генератор параллельного возбуждения может работать только при наличии определенного насыщения магнитной цепи. Посредством изменения RB можно регулировать U до значения V = £/мии, соответствующего началу колена кривой х. х. х. В машинах обычного исполнения Umm= (0,65 -4- 0,75) UB.
Вопрос 38. Коммутация в машинах постоянного тока
Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровождающийся изменением направления тока в секциях. Направления и значения тока коммутируемой (переключаемой) секции в различных ее положениях относительно неподвижной щетки показаны на рис. 9.10.
В результате изменения тока в коммутирующей секции возникает ЭДС самоиндукции eL.
Для увеличения механической прочности щеток их ширину выбирают обычно больше ширины коллекторной пластины. Вследствие этого щеткой замыкаются накоротко и одновременно коммутируются несколько секций. Последнее вызывает в каждой секции ЭДС взаимной индукции еM. Кроме того, в секции возникает ЭДС еv, вызываемая вращением секции в магнитном поле поперечной реакции якоря.
Сумма перечисленных ЭДС невелика. Однако, поскольку секция замкнута щеткой накоротко, это приводит к заметному дополнительному току в замкнутом контуре секции, в результате чего плотность тока под щеткой становится неодинаковой. Под сбегающим краем щетки плотность тока возрастает, что приводит к искрению под щеткой, особенно интенсивному в момент размыкания секции. Если не принять специальных мер для улучшения условий коммутации (уменьшения искрения под щетками), то наиболее ответственная часть машины — коллектор — через непродолжительное время выйдет из строя.
Рис. 9.10. К пояснению явл-я коммутации Рис. 9.11. Полярность гл и доп полюсов
Для улучшения коммутации машины мощностью 1 кВт и более снабжаются дополнительными полюсами (рис. 9.11). В машинах с дополнительными полюсами щетки устанавливают на геометрической нейтрали. С помощью дополнительных полюсов в зоне коммутации создается магнитное поле, в результате чего в коммутируемых секциях индуктируется ЭДС, компенсирующая ЭДС eL, eM и ev. Так как ЭДС eL, eM и ev зависят от тока якоря, то для их компенсации при различных нагрузках обмотку дополнительных полюсов включают последовательно с якорем. Вследствие насыщения дополнительных полюсов при перегрузках машины условия коммутации ухудшаются и под щетками появляется недопустимое искрение. Наибольший допустимый ток машин постоянного тока определяется условиями коммутации и лежит для различных машин в пределах (2 ÷ 3) I ном, где I ном — номинальный ток машины.
Так как ЭДС ev возникает вследствие вращения якоря в магнитном поле реакции якоря, то для ее уничтожения с помощью МДС дополнительных полюсов должно быть создано магнитное поле, от вращения в котором возникла бы ЭДС, направленная против ev. Учитывая характер изменения результирующего магнитного поля при нагрузке генератора и двигателя с указанными направлениями их вращения (см. рис. 9.8, в), следует сказать: полярность дополнительного полюса генератора должна быть такой же, как последующего за ним по направлению вращения главного полюса (рис. 9.11); полярность дополнительного полюса двигателя должна быть такой же, как предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. Выбирая соответствующее значение МДС обмотки дополнительных полюсов, можно скомпенсировать также ЭДС eL и еM.
Вопрос 39. Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока
Частота вращения двигателя постоянного тока
п = [ U - Iа (Σ Rа + R до6)]/(се Ф).
Из уравнения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:
1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,
2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,
3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.
Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря. Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 1, а электромеханические и механические характеристики — на рис. 2, а.
Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)
Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3.
Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.
Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.
Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.
При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока — уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.
При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2, а и 2, б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.
Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.
Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.
Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.
Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и Uном двигателя.
Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.
Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.
Вопрос 40. Характеристики генератора постоянного тока
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре I, ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n.
Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничнвании стали, б — при изменении частоты вращения якоря
Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.
Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между эдс в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как эдс, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ, то при постоянной частоте вращения эдс окажется прямо пропорциональной магнитному потоку. Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.
При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф0, который индуктирует в обмотке якоря эдс Е (изо, а).
Эта эдс составляет несколько процентов (2 - 5%) номинального напряжения машины.
С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и эдс, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв возрастает и эдс (кривая 1).
Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения Iв, то эдс также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).
На изо, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различной частоте вращения якоря генератора.
Вращению якоря машины с номинальной частотой 
, указанной в паспорте генератора, соответствует кривая 1. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики.
При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так как эдс пропорциональна частоте. При n' > nн характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2), а при n' < - ниже (кривая 3), чем при номинальной частоте вращения.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения (I = Iв). Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.
Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения 
постоянно) и снимается при неизменной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при постоянном неизменен также и ток возбуждения Iв. Внешние характеристики такого генератора показаны на изо, а.
