Кулик Ю.А. Электрические машины
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 2.30. Кривая размагничивания
чивающего действия, которое может создаваться м. д. с. обмотки с током, охватывающей
магнитопровод, или падением магнитного потенциала во внешней магнитной цепи. Точка
пересечения кривой размагничивания с осью ординат определяет значение остаточной
индукции В
r
, а точка пересечения с осью абсцисс — значение коэрцитивной силы Н
с
. В
современных магнитах В
r
= 0,5 — 1,5 тл; H
с
=20 000 — 40 000 а/м.
При полном отсутствии размагничивающего действия (например, постоянный магнит в
виде замкнутого кольца) индукция в теле магнита равна В
r
. Если магнитопровод имеет
воздушный зазор или магнитопровод охватывает размагничивающая обмотка, то
индукция в теле магнита уменьшается в соответствии с кривой размагничивания. Если
размагничивающее действие соответствует напряженности Н
с
, то магнит полностью
размагничивается. Способность магнита создавать магнитное поле во внешнем
пространстве характеризуется удельной магнитной энергией А = BH/2.
Если индукция магнита равна В
r
или напряженность равна Н
с
, то энергия магнита (кривая
2, рис. 2.30) равна нулю. Кривая 2, характеризующая удельную энергию магнита, имеет
максимум BH
макс
. Чем ближе кривая размагничивания приближается к прямоугольному
виду, тем больше максимальная энергия магнита.
На практике стараются создать такой режим работы магнита, чтобы его полезная энергия
была бы близка к максимальной. Из-за наличия рассеяния рабочую точку магнита
выбирают несколько выше точки максимальной энергии кривой размагничивания.
Если магнит размагнитить до точки К (рис. 2.30), то его свойства, характеризуемые
участком КВ
r
кривой размагничивания, утрачиваются. Если снять вынужденное
размагничивание, индукция в теле магнита не восстановится до значения В
r
. При
уменьшении размагничивающего действия увеличение индукции происходит по кривой
нового гистерезисного цикла, представляющего собой узкую петлю, которую можно
аппроксимировать прямой КС, носящей название линии возврата.
Если при работе машины не происходит размагничивания ниже точки K, то в дальнейшем
характеристика состояния постоянного магнита определяется линией возврата КС. При
размагничивании до точки К' характеристика магнита определяется линией возврата К'С'.
Конструкция машин с постоянными магнитами отличается лишь особенностью
устройства магнитной системы, в которой делаются вставки из постоянных магнитов (рис.
71
2.31). Все остальные конструктивные узлы и детали остаются такими же, как и в машинах
с электромагнитным возбуждением. Выбор конструктивной формы
Рис. 2.31. Вставки из постоянных магнитов: а — радиальные; б — скобообразные; в — кольцевые; г —
торцовые; д — цилиндрические
магнитопровода в значительной степени определяется свойствами материала вставки из
постоянного магнита. Вставки магнитов с высоким значением коэрцитивной силы Н
с
и
малым значением остаточной индукции В
r
делают короткими с большой площадью
поперечного сечения. Наоборот, вставки материала с малой Н
с
и большим В
r
делают
длинными с малой площадью поперечного сечения.
Для получения хороших качеств постоянного магнита при заливке он должен остывать с
большой скоростью (обычно 15—20 град/сек), что не удается получить в магнитах
большого объема. Поэтому большие постоянные магниты делаются составными.
Магнитная проницаемость постоянных магнитов в десятки раз меньше, чем обычной
электротехнической стали. Это оказывает специфическое влияние на рабочие свойства
машины, в частности реакция якоря проявляется значительно слабее.
Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода показывает
зависимость э. д. с. Е генератора от тока возбуждения I
в
при отсутствии нагрузки I
а
= 0 и
постоянной скорости вращения п, т. е. Е = f(I
в
) при I
a
= 0, п = const.
72
Рис. 2.32. Характеристики холостого хода: а — полная; б — практическая
Для того чтобы получить э. д. с. якоря равной нулю, необходимо, чтобы по обмотке
возбуждения проходил бы в обратном направлении ток I
в
, соответствующий абсциссе об.
При дальнейшем увеличении отрицательного значения тока I
в
э. д. с. Е меняет знак (ветвь
2). При уменьшении тока I
в
значение э. д. с. уменьшается (ветвь 5).
После изменения направления тока в обмотке возбуждения э. д. с. становится
положительной и с ростом тока увеличивается (ветвь 4). Последнюю ветвь называют
восходящей. Характеристика имеет вид петли, вызванной гистерезисом. Средняя линия 5
между ветвями 1 и 4 представляет собой основную или расчетную характеристику
холостого хода, аналитическое определение которой рассмотрено в § 1.1. Точка
номинальной работы машины к обычно выбирается на колене характеристики.
На практике обычно характеристику холостого хода снимают упрощенным методом от
точки остаточного магнетизма а (рис. 2.32,б) до максимального значения напряжения
U
макс
≈ 1,25U
н
и обратно до тока возбуждения I
в
= 0. Ветвь 2, расположенную
73
Рис. 2.33. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения
между нисходящей ветвью 1 и восходящей 3, называют практической характеристикой
холостого хода. В генераторе параллельного возбуждения нельзя изменять направление
тока в обмотке возбуждения (иначе он размагничивается), поэтому представляется
возможным снять только практическую характеристику. При холостом ходе в якоре
генератора с параллельным возбуждением проходит ток возбуждения I
в
, он создает
некоторую реакцию якоря и падение напряжения в цепи якоря. Однако практически
характеристики холостого хода генераторов параллельного и независимого возбуждения
совпадают.
При холостом ходе генератора ток в последовательной обмотке возбуждения отсутствует.
Поэтому характеристика холостого хода компаундного генератора такая же, как у
генератора с параллельным возбуждением.
Самовозбуждение генератора с параллельной обмоткой возбуждения. Генератор
параллельного возбуждения может возбуждаться без постороннего источника
напряжения. Этот процесс называется самовозбуждением.
Для исследования процесса самовозбуждения необходимо иметь характеристику
холостого хода U = f(I
в
) и характеристику обмотки возбуждения U
в
= f
в
(I
в
) = r
в
I
в
(рис.
2.33). При вращении якоря невозбужденного генератора в его проводниках вследствие
остаточного магнетизма индуктируется остаточная э. д. с. Е
ост
= 0—1. В результате ее
действия по обмотке возбуждения проходит ток I
в1
, который создает в машине поток.
Если этот поток оказывается направленным встречно по отношению к потоку остаточного
магнетизма, то машина размагничивается окончательно и самовозбуждения генератора не
происходит. Если же поток направлен согласно с потоком остаточного магнетизма, то
суммарный поток машины усиливается. В этом случае току возбуждения I
в
= 1—1'
согласно характеристике холостого хода соответствует напряжение U
2
, равное ординате
точки 2. Но при напряжении U
2
, согласно характеристике обмотки возбуждения, ток
возбуждения увеличивается до значения I
в2
. В свою очередь при токе возбуждения I
в2
напряжение на якоре увеличивается до U
3
и так далее. В точке А пересечения
характеристик холостого хода и обмотки возбуждения
74
процесс самовозбуждения заканчивается, и на зажимах генератора устанавливается
напряжение U
A
. Этот процесс, рассмотренный как ступенчатый, в действительности
проходит плавно.
Таким образом, в результате самовозбуждения напряжение на генераторе повышается от
Е
ост
до U
a
. Если надо получить напряжение U<U
a
, то необходимо, чтобы ордината точки
пересечения характеристик холостого хода и обмотки возбуждения была бы меньше
(например, А'В'<АВ). Для этого надо увеличить угол а наклона характеристики обмотки
возбуждения к оси абсцисс. Тангенс угла α определяется из треугольника АОВ.
где m
I
— масштаб тока, а/мм;
т
U
— масштаб напряжения, в/мм;
r
в
— сопротивление цепи обмотки возбуждения, ом.
Из этого выражения видно, что тангенс угла наклона характеристики обмотки
возбуждения пропорционален сопротивлению r
в
. Поэтому для увеличения угла α
необходимо увеличить сопротивление r
в
, что можно осуществить увеличением
сопротивления регулировочного реостата в цепи обмотки возбуждения. В результате
увеличения r
в
точка А перемещается в A
1
, и на якоре генератора устанавливается новое
напряжение, меньшее U
a
. При дальнейшем увеличении сопротивления r
в
угол а растет, а
напряжение на якоре генератора уменьшается. При некотором значении сопротивления r
вк
цепи обмотки возбуждения, которое называется критическим, характеристика обмотки
возбуждения OА
2
сливается с начальной частью характеристики холостого хода. Такой
угол α
кр
называется критическим. При значении угла α = α
кр
самовозбуждения генератора
не происходит. Если α>α
кр
, например характеристика обмотки возбуждения занимает
положение ОА
3
, генератор тем более не может возбудиться.
Если необходимо возбудить генератор при α>α
кр
, то следует увеличить скорость вращения
якоря. В этом случае ординаты всех точек характеристики холостого хода возрастают
пропорционально скорости вращения и при некотором значении скорости вращения n
кр
,
называемой критической, начальная часть характеристики холостого хода сольется с
прямой 0А
3
. При дальнейшем увеличении скорости вращения характеристика холостого
хода будет пересекать характеристику обмотки возбуждения ОА
3
и генератор возбудится.
Таким образом, для самовозбуждения параллельного генератора необходимо соблюдение
следующих условий:
1) наличие остаточного магнетизма;
2) совпадение направления действия потоков обмотки возбуждения и остаточного
магнетизма;
75
Рис. 2.34. Нагрузочные характеристики:
а — генератор с независимым возбуждением; б — сравнение характеристик при одинаковом токе якоря
жения в цепи якоря. Поэтому нагрузочная характеристика располагается ниже
характеристики холостого хода. Чем больше ток I
а
якоря, при котором снята нагрузочная
характеристика, тем ниже она смещена (рис. 2.34, а). Обычно снимают несколько
характеристик, в том числе при I
а
= I
н
.
Нагрузочные характеристики генераторов параллельного и независимого возбуждения
обычно практически совпадают, так как в большинстве случаев реакция якоря и падения
напряжения, создаваемые проходящим по якорю током возбуждения, невелики.
Последовательная обмотка компаундного генератора соединяется таким образом, что
создаваемый ею поток направлен согласно с потоком параллельной обмотки возбуждения.
Поэтому нагрузочная характеристика компаундного генератора (кривая 2 на рис. 2.34, б)
идет выше, чем у генератора независимого возбуждения (кривая 1). Если
последовательная обмотка имеет достаточное число витков, то нагрузочная
характеристика может идти даже выше, чем характеристика холостого хода (кривая 3).
Характеристический треугольник. Для оценки влияния реакции якоря и падения
напряжения в цепи якоря строят характерис-
76
Рис. 2.35. Построение характеристического треугольника
тический треугольник абв (рис. 2.35), катеты которого соответствуют: аб — падению
напряжения в цепи якоря, бв — току возбуждения, компенсирующему влияние реакции
якоря.
Для построения характеристического треугольника необходимо иметь характеристику
холостого хода 1 и нагрузочную 2. На нагрузочной характеристике находят точку
номинального напряжения а. Для определения э. д. с. генератора вертикально вверх от
точки а откладывают отрезок аб =I
a
R
a
.
Ордината бд определяет э. д. с. генератора. Для ее создания при номинальном режиме
необходимо, чтобы по обмотке возбуждения проходил ток, равный од. Если бы реакции
якоря не было, то (согласно характеристике холостого хода) для создания этой э. д. с.
потребовался бы ток возбуждения ог. Следовательно, сторона характеристического
треугольника бв = од — ог соответствует току возбуждения, компенсирующему
размагничивающее действие реакции якоря. Прямоугольный треугольник абв называется
характеристическим. Характеристический треугольник, построенный для того же
значения тока якоря при более высоком напряжении U (например, треугольник а'б'в'),
оказывается не равным треугольнику абв. Действительно, сторона треугольника,
соответствующая падению напряжения, а'б' = аб, но сторона, соответствующая реакции
якоря, б'в' > бв. Это объясняется тем, что при насыщении машины у
величивается
размагничивающее действие поперечной реакции якоря.
Внешние характеристики. Внешняя характеристика показывает зависимость напряжения
U якоря от тока 1
а
якоря в случае, если сопротивление r
в
регулировочного реостата в цепи
обмотки возбуждения и скорость вращения п остаются неизменными, т. е. U = f(I
a
) при r
в
=
const и п = const.
В генераторе с независимым возбуждением напряжение на обмотке возбуждения
сохраняется постоянным, и внешняя характеристика может быть определена как U = f(I
a
)
при I
в
= const и п = const.
При увеличении тока I
а
возрастают падение напряжения в якоре и реакция якоря,
вследствие чего уменьшается напряжение U на зажимах генератора (рис. 2.36, а).
Внешняя характеристика может
77
быть снята при уменьшении тока нагрузки (кривая 1) или при его увеличении (кривая 2).
В первом случае ток возбуждения устанавливается таким образом, чтобы при
номинальном токе якоря напряжение U = U
н
, а во втором — чтобы при холостом ходе Е
0
=
U
н
. На рис. 2.36, а стрелками показано направление, в котором снимаются
характеристики. Обычно внешние характеристики снимают при уменьшении тока
нагрузки.
Снижение напряжения на якоре генератора параллельного возбуждения уменьшает ток I
в
возбуждения, так как на-
Рис. 2.36. Внешние характеристики: а — характеристики генератора с независимым возбуждением; б —
характеристики генераторов с различной системой возбуждения
пряжение на обмотках якоря и возбуждения одинаково. Уменьшение тока I
в
ведет к
добавочному снижению напряжения U. Поэтому внешняя характеристика генератора
параллельного возбуждения 2 (рис. 2.36, б) идет ниже, чем характеристика 3 генератора с
независимым возбуждением. При снятии внешней характеристики ток I
а
увеличивают
путем уменьшения сопротивления нагрузочного реостата в цепи якоря.
На величину тока якоря I
а
генератора параллельного возбуждения оказывает влияние как
уменьшение нагрузочного сопротивления, так и уменьшение тока I
в
. Пока сталь
насыщена, преобладающее значение имеет первый фактор. При размагничивании машины
начинает преобладать второй фактор. Поэтому при уменьшении нагрузочного
сопротивления ток якоря растет лишь до критического значения I
кр
, обычно
превышающего I
н
в два - два с половиной раза. После этого, несмотря на дальнейшее
понижение нагрузочного сопротивления, ток якоря I
а
уменьшается (на рис. 2.36, б рта
часть характеристики 2 показана пунктиром).
Изменение напряжения генератора при переходе от номинального режима к холостому
ходу называется номинальным изменением напряжения и обозначается
где U
0
— напряжение при холостом ходе генератора, равное его э. д. с. Е
0
.
Обычно ΔU = 5—10% для генераторов независимого возбуждения и 10—15% —для
генераторов параллельного возбуждения.
Большой интерес представляет внешняя характеристика компаундного генератора. Его
последовательная обмотка возбуждения в значительной степени компенсирует реакцию
78
якоря и падение напряжения в цепи якоря. Поэтому с изменением нагрузки напряжение
якоря компаундного генератора может в определенных пределах автоматически
поддерживаться приблизительно постоянным (кривая 4). Часто последовательную
обмотку возбуждения проектируют таким образом, чтобы генератор при холостом ходе и
при номинальной нагрузке имел номинальное напряжение (кривая 4). Такой генератор
называется нормально компаундированным. В некоторых случаях необходимо
поддерживать постоянным напряжение не на зажимах якоря, а в конце линии. Так как в
линии имеет место падение напряжения, то при номинальной нагрузке на зажимах якоря
напряжение должно быть выше номинального (кривая 5), для этого увеличивают число
витков последовательной обмотки возбуждения.
В сварочных генераторах последовательная обмотка возбуждения соединяется таким
образом, что ее м. д. с. направлена встречно по отношению к м. д. с. параллельной или
независимой обмотки возбуждения. В этом случае внешняя характеристика имеет резко
падающий характер (кривая 1).
Регулировочные характеристики. Регулировочная характеристика показывает, как
должен меняться ток I
в
возбуждения, чтобы при изменении тока I
а
нагрузки сохранялось
бы постоянным напряжение U якоря при неизменной скорости вращения п, т. е. I
в
= f(I
a
),
при U = const и п=const.
Напряжение генератора с независимым возбуждением падает при увеличении тока
нагрузки (внешняя характеристика, рис. 2. 36, а). Поэтому для поддержания напряжения
необходимо с ростом нагрузки увеличить ток возбуждения (кривая 1, рис. 2.37).
Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения имеет точно
такой же вид, как и независимого.
Согласно внешним характеристикам 4 и 5 компаундного генератора (рис. 2.36, б), при
увеличении тока нагрузки I
а
напряжение U генератора в некотором интервале возрастает,
а затем начинает падать. Для поддержания неизменным напряжения U регулировочная
характеристика тока I
в
параллельной обмотки возбуждения должна иметь характер,
обратный внешней характеристике. Поэтому регулировочная характеристика 2 (рис. 2.37)
имеет вначале падающий, а затем возрастающий характер.
Регулировочная характеристика 3 компаундного генератора с усиленной
последовательной обмоткой имеет более падающий характер.
Характеристики нагрузочная, внешняя и регулировочная называются рабочими.
Характеристики генератора последовательного возбуждения. В генераторе
последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения, т. е. I
в
= I
а
= I (см.
рис. 2.29, в). Поэтому характеристику холостого хода, нагрузочную и регулировочную
снять нельзя. Их можно снять по схеме независимого возбуждения. В генераторе
последовательного возбуждения имеются лишь две переменные U и I
а
. Поэтому генератор
имеет только внешнюю
79
Рис. 2.37 Регулировочные характеристики
Рис. 2.38. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением
С целью сохранения величины потока при изменений режима тахогенераторов их
выполняют с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов.
80