Электрические машины: машины постоянного тока

Подождите немного. Документ загружается.

ΔU =

− U

НОМ

(8)

НОМ

Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет

5–15 %.

Регулировочной характеристикой (рисунок 26, в) называют зависи-

мость

= f(I

) при U = const и n = const. Она показывает каким образом

следует регулировать ток

возбуждения, чтобы поддерживать постоянным на-

пряжение генератора при изменении

нагрузки. Очевидно, что в этом случае по

мере роста нагрузки нужно увеличивать ток

возбуждения.

Нагрузочной характеристикой (рисунок 27, а) называют зависимость

U = f(I

) при n = const и I

= const.

а) б)

Рисунок 27 − Нагрузочная характеристика генератора с независимым возбуждением и

ее построение с помощью характеристического треугольника

Нагрузочная характеристика при

= I

НОМ

(рисунок 27, а, кривая 2) про-

ходит ниже характеристики холостого

хода (рисунок 27, а, кривая

1), которую

можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при

= 0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим дейст-

вием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении

ΣR

машины.

Наглядное представление о влиянии этих факторов дает

характери-

стический

, или реактивный, треугольник ABC. Если к отрезку аА, равному

в определенном масштабе напряжению

U, при некотором токе нагрузки I

токе возбуждения

прибавить отрезок АВ, равный в том же масштабе паде-

нию напряжения

⋅ΣR

в генераторе, то получим отрезок аВ, равный ЭДС Е.

При холостом ходе ЭДС Е индуцируется в обмотке якоря при меньшем

токе

, соответствующем абсциссе точки С. Следовательно, отрезок ВС ха-

рактеризует размагничивающее действие реакции якоря в масштабе тока

воз-

буждения. При неизменном токе

катет АВ характеристического треугольни-

ка является

постоянным; катет

ВС зависит не только от тока I

, но и от степени

насыщения магнитной

системы, т. е. от тока возбуждения

. Однако в ряде

случаев влиянием тока возбуждения пренебрегают и

принимают, что отрезок

ВС пропорционален только току I

Такое допущение позволяет строить нагрузочные характеристики при

разных

токах, изменяя лишь величину всех сторон треугольника ABC. Если

вершина

С характеристического треугольника, построенного для некоторого

тока

, расположена на характеристике 1 холостого хода (рисунок 27, б), а за-

тем по этой характеристике перемещается треугольник

ABC так, что катет ВС

остается параллельным оси абсцисс, то след точки

А изображает приближенно

искомую нагрузочную характеристику

2 при заданном значении тока I

. Эта

характеристика несколько отличается от реальной характеристики

3 (которая

может быть снята опытным

путем), так как величина катета

ВС характеристи-

ческого треугольника изменяется

из-за насыщения. Используя характеристику

холостого

хода, с помощью характеристического треугольника можно постро-

ить и другие характеристики

генератора: внешнюю и регулировочную.

Рисунок 28 − Графики построения внешней (а) и регулировочной (б) характеристик

генератора с независимым возбуждением с помощью характеристического треугольника

При построении внешней характеристики исходят из характеристики хо-

лостого хода

1 (рисунок 28, а). Взяв точку D на оси ординат, соответствующую

номинальному напряжению

НОМ

, через нее проводят прямую AD, параллель-

ную 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, соот-

ветствующую номинальному току возбуждения

В НОМ

При определении

В НОМ

учитывают, что под действием реакции якоря

ЭДС при нагрузке

меньше, чем при холостом ходе, т. е. создается как бы мень-

шим током

возбуждения. Уменьшению тока

соответствует отрезок ВС, ха-

рактеризующий размагничивающее действие реакции

якоря. Напряжение при

номинальном токе также меньше ЭДС на величину падения напряжения

⋅ΣR

которому соответствует катет

АВ. При построении искомой зависимости 2, т.

е. напряжения

U от тока нагрузки I

, две ее точки можно легко определить: но-

минальному току

а НОМ

соответствует номинальное напряжение U

НОМ

(точ-

ка

b), а току якоря, равному нулю (режим холостого хода),— напряжение U

(точка

а), равное ЭДС при токе возбуждения I

В НОМ

. Другие точки (с, d и т. п.)

внешней характеристики можно

построить, изменяя все стороны характеристи-

ческого треугольника пропорционально изменению тока якоря и располагая его

так, чтобы катеты

А′В′, А′′В′′,... оставались параллельными оси ординат. При

этом точки

В, В′, В′′ должны располагаться на вертикальной линии АкВ, со-

ответствующей току возбуждения

В НОМ

, а точки С, С′, С′′,...— на характери-

стике холостого

хода 1. Тогда ординаты точек

А′, А′′... будут определять иско-

А′В′

мую величину напряжения при токах нагрузки

а1

= I

а НОМ

АВ

А′′В′′

а2

= I

а НОМ

АВ

и т. п. Обычно при построении внешней характеристики

проводят только гипотенузы характеристических треугольников

А′С′,

А′′С′′,..., параллельные АС до пересечения с характеристикой холостого хода

и с линией

АкВ. Ординаты найденных точек А′, А′′... определяют искомые ве-

личины

напряжений (т. е. точки

с, d внешней характеристики 2 при токах на-

грузки

а НОМ

, I

а1

, I

а2

Если из точки

Ак провести прямую, параллельную АС до пересечения с

характеристикой холостого хода в точке

Ск, то можно получить величину тока

= I

а НОМ

АС

, которая в 5–15 раз превышает номинальный ток. Зная ток

короткого замыкания, можно рассчитать максимальный момент, механическую

прочность вала и выбрать параметры аппаратуры

защиты. Экспериментальное

определение тока короткого замыкания

затруднительно, так как в процессе

проведения опыта может возникнуть круговой

огонь.

Построенная характеристика является приближенной. Основная ее по-

грешность обусловлена

тем, что размагничивающее действие реакции якоря

(т. е. катет ВС) не пропорционально току якоря. Обычно приведенное построе-

ние дает несколько заниженное значение напряжения и тока короткого

замыка-

ния.

При построении регулировочной характеристики (рисунок 27, б) сначала

находят ток возбуждения

В0

, 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

НОМ

. 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. Дока-

зательство справедливости этого построения приведено при построении

внеш-

ней

характеристики. Проводя прямые, параллельные гипотенузе

АС, получаем

отрезки

А′С′, А′′С′′,..., заключенные между характеристикой холостого хода 1

и прямой

2, соответствующей условию U = U

НОМ

= const. Эти отрезки пред-

ставляют собой гипотенузы характеристических треугольников при различных

токах

нагрузки. Искомая регулировочная характеристика

= f(I

) — кривая

3 — построена в нижнем координатном углу. Значения тока возбуждения опре-

деляются абсциссами точек

А, А′, А′′,..., которым соответствуют токи нагруз-

ки, пропорциональные длинам отрезков

АС, А′С′, А′′С′′,....

Достоинством генераторов с независимым возбуждением являются воз-

можность регулирования напряжения в широких пределах от нуля до

МАХ

пу-

тем изменения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения

под

нагрузкой. Однако для питания обмотки возбуждения таких генераторов

требуются внешние источники постоянного

тока.

Генераторы с независимым возбуждением используют только при боль-

шой

мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. Незави-

симо от значения напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на

стандартное напряжение постоянного тока

110 или 220 В для упрощения ре-

гулирующей

аппаратуры.

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (ри-

сунок 29, а) обмотка возбуждения подсоединена через регулировочный реостат

параллельно якорю и

нагрузке.

Следовательно, в данном случае используется принцип самовозбуждения,

при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от

об-

мотки якоря

генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при

выполнении определенных

условий. Чтобы установить их, рассмотрим процесс

изменения тока в

контуре «обмотка возбуждения — обмотка якоря» в режиме

холостого

хода. Для рассматриваемого контура получим уравнение

e = i

⋅ΣR

+ L

, где е и i

– мгновенные значения ЭДС в обмотке якоря и

тока возбуждения;

ΣR

= R

+ R

Р В

– суммарное сопротивление цепи возбуж-

дения генератора (сопротивлением ΣR

можно пренебречь, так как оно значи-

тельно меньше

ΣR

); L

– суммарная индуктивность обмоток возбуждения и

якоря.

Рисунок 29 − Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и

зависимости изменения ЭДС и падения напряжения в цепи возбуждения I

⋅ΣR

при измене-

нии тока возбуждения

генератора (б)

Уравнение

e = i

⋅ΣR

+ L

можно изобразить графически (рису-

нок 29, б). ЭДС

e при некотором значении i

тока возбуждения можно опреде-

лить по характеристике

ОА холостого хода генератора, а падение напряжения

⋅ΣR

– по вольт-амперной характеристике ОВ его цепи возбуждения. Харак-

теристика

ОВ представляет собой прямую, проходящую через начало коорди-

нат под углом

γ к оси абсцисс; при этом tg γ = ΣR

. Отсюда имеем

e − i

⋅ΣR

(9)

dt L

Следовательно, если разность

(

e − i

⋅ΣR

)

> 0, то производная

> 0,

и происходит процесс увеличения тока возбуждения

Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения наблюдается при

= 0, т. е. в точке пересечения С характеристики холостого хода ОА с пря-

мой

ОВ. При этом машина работает с некоторым установившимся током воз-

буждения

В0

и ЭДС Е

= U

Из уравнения

следует, что для самовозбуждения генератора необходимо

выполнение определенных

условий:

1) процесс самовозбуждения может начаться только в том случае, если в

начальный

момент (

= 0) в обмотке якоря индуцируется некоторая начальная

ЭДС. Такая ЭДС может быть создана потоком остаточного магнетизма, поэто-

му для начала процесса самовозбуждения

необходимо, чтобы в генераторе

имелся поток остаточного

магнетизма, который при вращении якоря индуциру-

ет в его обмотке ЭДС

ОСТ

. 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 по-

стороннего

источника;

2) при прохождении тока

по обмотке возбуждения ее МДС F

должна

быть направлена согласно МДС остаточного магнетизма

ОСТ

. В этом случае

под действием разности

(

e − i

⋅ΣR

)

происходит процесс нарастания тока i

магнитного потока возбуждения

и ЭДС е. Если указанные МДС направлены

встречно, то МДС обмотки возбуждения создает поток, направленный против

потока остаточного

магнетизма, машина размагничивается и процесс самовоз-

буждения не сможет

начаться;

3) положительная разность

(

e − i

⋅ΣR

)

, необходимая для возрастания

тока возбуждения

от нуля до установившегося значения I

В0

, может возникать

только в том

случае, если в указанном диапазоне изменения тока

прямая ОВ

располагается ниже характеристики холостого хода

ОА. При увеличении со-

противления цепи возбуждения

ΣR

возрастает угол наклона γ прямой ОВ к

оси тока

и при некотором критическом значении угла γ

КР

(соответствующем

критическому значению сопротивления

ΣR

В КР

) прямая ОВ практически сов-

падает с прямолинейной частью характеристики холостого

хода. В этом случае

e ≈ i

⋅ΣR

и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следова-

тельно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление

цепи возбуждения было меньше критического

значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что

ΣR

< ΣR

В КР

, то

в точке

С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случай-

ном уменьшении тока

ниже установившегося значения I

В0

или увеличении

его свыше

В0

возникает соответственно положительная или отрицательная

разность

(

e − i

⋅ΣR

)

, стремящаяся изменить ток i

так, чтобы он стал снова

равным

В0

. Однако при ΣR

> ΣR

В КР

устойчивость режима самовозбуждения

нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи

возбуждения ΣR

до значения, большего ΣR

В КР

, то его магнитная система

размагничивается и ЭДС уменьшается до

0СТ

. Если генератор начал работать

при

ΣR

> ΣR

В КР

, то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие

ΣR

< ΣR

В КР

ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуж-

дения генератора и его

напряжения. Обычно можно уменьшать напряжение ге-

нератора, увеличивая сопротивление

ΣR

лишь до (0,6 – 0,7)U

НОМ

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость

U = f(I

) при n = const и R

= const (рисунок 30, кривая 1). Она располагает-

ся ниже внешней характеристики генератора с независимым

возбуждением (ри-

сунок 30, кривая

2). Это объясняется тем, что в рассматриваемом генераторе

кроме двух

причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки

(падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря),

существует еще третья причина — уменьшение тока возбуждения I

ΣR

который зависит от напряжения

U, т. е. от тока I

Рисунок 30 − Внешние характеристики генераторов с параллельным (1) и независи-

мым (2) возбуждением

Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального то-

ка

КР

. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки R

ток I

на-

чинает уменьшаться, так как напряжение

U падает быстрее, чем уменьшается

. Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива; в этом случае

машина переходит в режим

работы, соответствующий точке

b, т. е. в режим ко-

роткого

замыкания. Особенно наглядно видно действие причин, вызывающих

уменьшение напряжения генератора с ростом

нагрузки, из рисунка 31, на кото-

ром показано построение внешней характеристики по характеристике холосто-

го хода и характеристическому

треугольнику.

Рисунок 31 − Графики построения внешней характеристики генератора с параллель-

ным возбуждением с помощью характеристического треугольника

Построение производится в следующем порядке. Через точку

D на оси

ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, па-

раллельную оси

абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характери-

стического

треугольника, соответствующего номинальной нагрузке; катет

АВ

должен быть параллелен оси ординат, а вершина

С должна лежать на характе-

ристике холостого хода

1. Через начало координат и вершину А проводят пря-

мую

2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является

вольт-амперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения.

По ординате точки пересечения

Е характеристик 1 и 2 получаем напряжение

генератора

= E

при холостом ходе.

Ток возбуждения

В НОМ

при номинальном режиме соответствует абсцис-

се точки

А, а ЭДС генератора E

НОМ

при номинальной нагрузке — ординате

точки

В. Ее можно определить по характеристике холостого хода, если умень-

шить ток возбуждения

В НОМ

на величину отрезка ВС, учитывающего размаг-

ничивающее действие реакции

якоря. При построении внешней характеристики

3 ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке,

определяются напряжениями

и U

НОМ

. Промежуточные точки с, d,... полу-

чают, проводя прямые А′С′, А′′С′′, А′′′С′′′, ... . параллельные гипотенузе АС,

до пересечения с

вольт-амперной характеристикой

2 в точках А′, А′′, А′′′,..., а

также с характеристикой холостого хода

1 в точках С′, С′′, С′′′, .... Ординаты

точек

А′, А′′, А′′′, ... соответствуют напряжениям при токах нагрузки I

а1

, I

а2

а3

, ..., величины которых определяются из соотношения

а НОМ

: I

а1

: I

а2

: I

а3

… = АС : А′С′ : А′′С′′ : А′′′С′′′…

При переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода

напряжение генератора изменяется на

10–20 %, т. е. больше, чем в генераторе

с независимым

возбуждением.

При установившемся коротком замыкании якоря ток

генератора с па-

раллельным возбуждением сравнительно

мал (см. рисунок 30), так как в этом

режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток корот-

кого замыкания создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет

(0,4–0,8)I

НОМ

Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллель-

ным возбуждением имеют такой же

характер, как и у генератора с независимым

возбуждением.

Большинство генераторов постоянного тока, выпускаемых отечественной

промышленностью, имеют параллельное возбуждение. Для улучшения внеш-

ней характеристики они обычно имеют небольшую последовательную обмотку

(один — три витка на полюс). При необходимости такие генераторы можно

включать и по схеме с независимым

возбуждением.

Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе с

последовательным

возбуждением (рисунок 32, а) ток возбуждения

= I

. Внешнюю характеристику генератора (рисунок 32, б, кривая 1)

можно построить по характеристике холостого

хода (рисунок 32, б кривая

и реактивному треугольнику

ABC, стороны которого увеличиваются про-

порционально току

. При токах, меньших I

КР

, с увеличением тока нагрузки

возрастает магнитный поток Φ и ЭДС генератора

Е, вследствие чего увели-

чивается и его напряжение

U. Только при больших токах I

> I

КР

напряже-

ние

U с возрастанием нагрузки уменьшается, так как в этом случае магнит-

ная система машины

насыщается, и небольшое возрастание потока Φ не мо-

жет скомпенсировать увеличение падения напряжения на внутреннем

сопро-

тивлении. Поскольку в генераторе с последовательным возбуждением на-

пряжение сильно изменяется при изменении

нагрузки, а при холостом ходе

оно близко к

нулю, такие генераторы непригодны для питания большинства

электрических

потребителей. Их используют лишь при электрическом тор-

можении двигателей с последовательным

возбуждением, которые при этом

переводятся в генераторный

режим.

Рисунок 32 − Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя

характеристика (б)

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рису-

нок 33, а) имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспо-

могательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет

получить приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении

нагрузки. Внешнюю характеристику генератора (рисунок 32, б) в первом при-

ближении можно представить в виде суммы

характеристик, создаваемых каж-

дой из обмоток

возбуждения. При включении одной параллельной

обмотки, по

которой проходит ток возбуждения

В1

, напряжение генератора U постепенно

уменьшается с увеличением тока нагрузки

(см. рисунок 32, б, кривая 1).

Рисунок 33 − Схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние харак-

теристики (б)