Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

5.10. Генераторы независимого возбуждения

Генератор (рис. 3.14,а) включается на нагрузку с регулируемым

сопротивлением R

. Ток в нагрузке I = I

. Обмотка возбуждения ОВ подключается к

независимому источнику постоянного тока через регулировочный реостат R

рег

. Этот

реостат с относительно большим сопротивлением, рассчитанный на ток

возбуждения I

ном.я

I05,001,0

, позволяет регулировать напряжение генератора в

широких пределах. Он включается в схему без разрыва цепи, что исключает

возможный ее обрыв из-за плохого скользящего контакта реостата. Обрыв

цепи возбуждения сопровождается появлением большого напряжения на обмотке

возбуждения из-за большой ее индуктивности. Мощность цепи возбуждения

незначительна: составляет 1—3 % номинальной мощности генератора.

Свойства генераторов независимого возбуждения описываются

характеристиками Е (I

) и U(I

Характеристика XX генератора Е (I

) снимается при отсутствии тока якоря

Рисунок 3.14 – Генератор независимого возбуждения

и n=n

ном

. Так как магнитный поток полюса Ф статора создается током возбуждения

, а э. д. с. Е = сnФ, то зависимость Е (I

) подобна кривой намагничивания стали

(рис. 3.14,б). При I

=0 э. д. с. вращающегося якоря равна Е

(0,02

0,04% Е

ном

) —

создается полем остаточного намагничивания машины (потоком Ф

) в сердечниках

полюсов и станине генератора.

При увеличении тока возбуждения от нуля до I

≈

1,5I

в.ном

получим

характеристику XX с замедлением нарастания э. д. с. при насыщении сердечников.

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U(I

) (рис.

3.14, в) соответствует уравнению его электрического состояния

яя

IREU

⋅

−

при

условии I

= const и n = n

ном

Для снятия внешней характеристики устанавливается такой номинальный

ток возбуждения I

= I

в.ном

чтобы при номинальном токе якоря I

ном

напряжение на

якоре генератора было бы также номинальным (U

ном

). С уменьшением

сопротивления нагрузки напряжение на якоре генератор уменьшается из-за

увеличения падения напряжения

яя

⋅

. Такая характеристика называется жесткой,

так как при номинальном токе в нагрузке напряжение U только на 8 — 10% меньше

напряжения XX (U

) при наличии дополнительных полюсов.

Практически характеристику U(I

) удобно получать, изменяя ток I

от

номинального до нуля.

Генераторы постоянного тока конструируются и рассчитываются так, чтобы при

номинальной нагрузке они работали в режиме с насыщенным магнитопроводом (на

перегибе кривой намагничивания). Это дает возможность рационально использовать

ферромагнитный материал полюсов и станины и обеспечивает при колебаниях

нагрузки некоторую стабилизацию их напряжения вследствие ослабления действия

реакции якоря. Генераторы небольшой мощности независимого возбуждения

используются в качестве т а х о г е н е р а т о р о в, которые предназначены для

получения электрического напряжения, пропорционального частоте вращения вала

какого-либо механизма.

Рисунок 3.15 – Тахогенератор постоянного тока

Конструктивно они не отличаются от генераторов постоянного тока малой

мощности, могут быть независимого возбуждения (рис. 3.15,а) или с возбуждением

постоянными магнитами (рис. 3.15,б).

Поскольку при неизменном токе возбуждения магнитный поток Ф постоянен,

э. д. с. тахогенератора Е = сФn = с'n пропорциональна частоте вращения n. Эту

э. д. с. можно измерить вольтметром, отградуированным в оборотах за минуту, или

использовать в качестве электрического сигнала в системе автоматического

управления.

Вал тахогенератора соединяется с валом механизма или машины

(непосредственно либо через гибкий вал). Точность измерения определяется

выходной характеристикой тахогенератора (рис. 3.15,в), представляющей собой

зависимость выходного напряжения от частоты вращения при фиксированном

потоке возбуждения (1 — идеальная характеристика, 2— действительная).

Наша промышленность изготовляет тахогенераторы постоянного тока серий

СЛ, ЭТ, ,ТД, ТГ, ТГП и многих типов, а также на базе машин постоянного тока

серий П, ПН, МИ.

5.11. Генераторы параллельного возбуждения

В генераторе (рис. 3.16,а) осуществляется самовозбуждение: обмотка

возбуждения включена параллельно якорю машины (I

= 0,02

0,05I

ном

). Э. д. с.

генератора в начальный момент его работы создается за счет остаточного

намагничивания статора. До включения нагрузки обязательно производится

самовозбуждение генератора на XX.

Рисунок 3.16 – Генератор параллельного возбуждения

При вращении якоря генератора первичным двигателем обмотка якоря

пересекает остаточный магнитный поток полюса статора Ф

(составляет 1—3 %

номинального потока машины) и в ней наводится небольшая начальная э. д. с. Е

Так как обмотка возбуждения подключена к якорю, то в ней создается начальный

ток возбуждения

регш

0в

= , возбуждающий в полюсах поток Ф

. Если

потоки Ф

и Ф

действуют согласно, что зависит от направления вращения якоря и

полярности включения обмотки возбуждения, то поток полюса статора

увеличивается. Этот поток создает возрастающую э, д. с. якоря Е, которая

увеличивает ток возбуждения I

, что снова ведет к увеличению потока Ф и т. д.,

пока напряжение XX генератора U

= Е не уравновесится падением напряжения в

обмотке возбуждения

вв

⋅

Характеристика XX генератора параллельного возбуждения Е (

I ) при I=0

и n=n

ном

такая же, как и генератора независимого возбуждения (см. рис. 3.14,б). В

случае отсутствия э. д. с. Е на якоре генератора в режиме XX необходимо изменить

направление вращения якоря или переключить обмотку возбуждения (изменить

направление тока в ней). При отсутствии э. д. с. и в этом случае следует намагни-

тить размагниченные полюсы, подключив кратковременно обмотку возбуждения к

источнику постоянного тока (например, к аккумулятору) с напряжением, не

превышающим U

ном

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения U(I

) (рис.

3.16, б) снимается при условии R

рег

=сonst и n=n

ном

. С увеличением тока в нагрузке

I(I=I

- I

) напряжение па якоре генератора U= Е -

яя

⋅

уменьшается и

значительно быстрее, чем в генераторе независимого возбуждения. Это объясняется

тем, что в генераторе, кроме увеличения напряжения

яя

⋅

еще снижается ток

возбуждения (а с ним и э. д. с. Е) из-за уменьшения напряжения:

регш

= .

Для номинальной нагрузки снижение напряжения составляет 10—18%

напряжения XX (U

). При постепенном уменьшении сопротивления нагрузки

напряжение генератора снижается все быстрее, вплоть до нуля при КЗ (R

=0). Ток в

нагрузке при этом сначала увеличивается до критического значения I

кр

ном

а затем быстро уменьшается (см. рис. 3.16,б) до значения тока КЗ I

при U=0:

номя0к

IR/EI

. (3.20)

Внезапное КЗ генератора о ч е н ь о п а с н о — вызывает большой ток

якоря (см. штриховую кривую на рис. 3.16,б), так как магнитный поток статора при

этом остается почти тем же (не может мгновенно исчезнуть) и создает в якоре

короткозамкнутого генератора ту же э, д. с., что и при его нормальной работе.

5.12. Генераторы смешанного возбуждения

Генератор имеет основную параллельную и вспомогательную после-

довательную обмотки возбуждения (рис. 3.17,а), которые обычно включаются

Рисунок 3.17 – Генератор смешанного возбуждения

согласно, чтобы их магнитные потоки складывались. Его характеристика XX Е(I

)

такая же, как и генератора параллельного возбуждения (см. рис. 3.14,б).

Внешняя характеристика генератора U(I) для согласного включения

обмоток возбуждения при R

рег

=const и n=n

ном

имеет вид кривой 1 на рис. 3.17,б.

Напряжение на генераторе IRIREU

cяя

⋅

−

⋅

−

, где I = I + I

при колебаниях тока

в нагрузке в пределах от нуля до номинального остается примерно постоянным. В

случае необходимости регулирование напряжения осуществляется реостатом R

рег

параллельной цепи возбуждения. Число витков последовательной обмотки w

подбирается так, чтобы номинальное напряжение генератора U

ном

было равным

напряжению XX (U

В сварочных генераторах смешанного возбуждения с увеличением тока в

нагрузке крутоспадающая характеристика 2 (см. рис. 3.17,б) достигается благодаря

встречному включению обмоток возбуждения. Генераторы обеспечивают

постоянство тока при колебаниях длины дуги, что необходимо для

высококачественной сварки.

5.13. Двигатели постоянного тока

Если обмотку возбуждения и якорь двигателя подключить к сети

постоянного тока напряжением U, то, как сказано в п. 3.7, возникает

электромагнитный вращающий момент М

эм

, определяемый по формуле (3.10).

Полезный вращающий момент М на валу двигателя меньше электромагнитного на

значение противодействующего момента, создаваемого в машине силами трения и

равного моменту М

в режиме XX, т. е. М = М

эм

- М

Пусковой момент двигателя должен быть больше статического тормозного

в состоянии покоя ротора, иначе якорь двигателя не начнет вращаться. В

установившемся режиме (при n=const) имеет место равновесие вращающего М и

тормозного М

моментов:

.МММM

тхэм

−

Из механики известно, что механическая мощность двигателя может быть

выражена через вращающий момент и угловую скорость

⋅

Ω

как Р =

⋅

Ω

. Следовательно, полезный вращающий момент двигателя М (

⋅

выраженный через полезную мощность Р (кВт) и частоту вращения n (об/мин),

М = 9550Р/n. (3.21)

Обсудим некоторые важные вопросы пуска и работы двигателей

постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя (3.9) следует,

что

= (U – E)/R

. (3.22)

В рабочем режиме ток якоря I

ограничивается э. д. с. Е, значение которой

согласно равенству (3.9) велико, если n

≈

ном

. В момент пуска n = 0, э. д. с. Е = 0 и

пусковой ток I

= U/R

в 10—30 раз больше номинального. Поэтому прямой пуск

двигателя, т. е. непосредственное включение якоря на напряжение сети, недо-

пустимо. Чтобы ограничить большой пусковой ток якоря, перед пуском

последовательно с якорем включается пусковой реостат R

с небольшим

сопротивлением. В этом случае при Е = 0

япяп

R/U)RR/(UI <<+= . (3.23)

Сопротивление реостата R

выбирается по допустимому току якоря. Обычно

номп

I5,22I

По мере разгона двигателя до номинальной частоты вращения э. д. с. Е

увеличивается, а ток уменьшается, и пусковой реостат постепенно и полностью

выводится (пусковые реостаты рассчитываются на кратковременное включение).

Регулировочный реостат R

рег

в цепи возбуждения с относительно большим

сопротивлением (десятки и сотни ом) перед пуском двигателя полностью

выводится, чтобы при пуске ток возбуждения и магнитный поток статора Ф были

номинальными. Это приводит к увеличению пускового момента, который

обеспечивает быстрый и легкий разгон двигателя.

После пуска и разгона наступает установившийся режим работы двигателя,

при котором тормозной момент на валу М

будет уравновешиваться моментом,

развиваемым двигателем М

эм

, т. е. М

эм

=М

при n=const.

Электродвигатели постоянного тока могут восстанавливать нарушенный

изменением тормозного момента установившийся режим работы, т. е. могут

развивать вращающий момент М, равный новому значению тормозного момента

, при соответственно новой частоте вращения

′

Действительно, если тормозной момент нагрузки

′

окажется больше

вращающего момента двигателя М

эм

, то частота вращения якоря уменьшится. При

постоянных напряжении U и потоке Ф это вызовет уменьшение э. д. с. Е якоря,

увеличение тока якоря [см. уравнение (3.22)] и вращающего момента (М

эм

= kФI

)

до наступления равновесия, при котором

ММ

′

При уменьшении тормозного момента до М" аналогично наступает новый

установившийся режим работы при М"

эм

′

Таким образом, двигатели постоянного тока обладают свойством

саморегулирования — могут развивать вращающий момент, равный тормозному.

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока определяется на

основании уравнения электрического состояния U = Е + R

после подстановки в

него э. д. с. Е = сФn:

IRU

яя

⋅

−

= . (3.24)

Падение напряжения в якоре R

небольшое: при поминальной нагрузке оно

не превышает 0,03

0,07U

ном

Таким образом, частота вращения двигателя постоянного тока прямо

пропорциональна приложенному напряжению сети и обратно пропорциональна

магнитному потоку статора.

Из уравнения (3.24) следует, что регулировать частоту вращения двигателя

можно двумя способами: изменяя поток статора Ф или напряжение U, подводимое

к двигателю. Регулирование частоты вращения изменением магнитного поля

машины осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения

двигателя. Изменение подводимого к двигателю напряжения производится

регулированием напряжения источника.

Можно ввести дополнительный реостат в цепь якоря. В этом случае

пусковой реостат заменяется пускорегулирующим R

пр

. Такой реостат выполняет

функции как пускового реостата, так и регулировочного. Уравнение (3.24) при этом

имеет вид

I)RR(U

япря

⋅

−

= . (3.25)

Отсюда следует, что регулирование частоты вращения двигателя можно

осуществить, изменяя напряжение сети, сопротивление пускорегулирующего

реостата или поток статора.

Реверсирование двигателей. Из уравнения вращающего момента двигателя

(3.10) М

эм

= kФI

вытекает, что реверсирование, т. е. изменение направления

вращения якоря, может быть осуществлено изменением направления тока в обмотке

возбуждения (потока Ф) или тока якоря.

Для реверсирования двигателя «на ходу» изменяют направление тока якоря

(переключением якорных выводов), а обмотку возбуждения не переключают, так

как она обладает большой индуктивностью и разрыв ее цепи с током недопустим.

Реверсирование отключенного двигателя осуществляется и изменением

направления тока в обмотке возбуждения (переключением ее выводов).

5.14. Зависимости магнитного потока и электромагнитного

момента двигателей постоянного тока от тока якоря

Свойство и характеристики двигателей постоянного тока существенно

зависят от способа их возбуждения.

У двигателей параллельного и независимого возбуждения (см. рис. 3.7, а и б)

ток возбуждения I

и магнитный поток Ф статора (если пренебречь

размагничивающим действием реакции якоря) не зависят от тока якоря I

Магнитный поток этих двигателей является функцией тока возбуждения, т. е. Ф(I