Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

ной к зажимам машины, не только не вызывает увеличения I, а наобо-

рот, происходит уменьшение /, так как U падает быстрее R

Работа машины на ветви об характеристики несколько неустой-

чива и имеется склонность самопроизвольного изменения /. Ток /

ус1

в некоторых случаях может быть больше /

Построение внешней характеристики генератора параллельного

возбуждения с помощью х. х. х. и характеристического треуголь-

ника показано на рис. 9-16, где 1 — кривая х. х. х.; 2 — характе-

ристика цепи возбуждения U

= R

при заданном R

= const и

3 — построенная кривая внешней характеристики.

Рис. 9-16. Построение внешней характеристики гене-

ратора параллельного возбуждения с помощью харак-

теристики холостого хода и характеристического тре-

угольника

При / = О значение U определяется пересечением кривой 1

и прямой 2. Для получения значения U при / = /„ разместим харак-

теристический треугольник для номинального тока так, чтобы

его вершины а ив расположились на кривой 1 и прямой 2. Тогда

точка в определит искомое значение U, что можно доказать с по-

мощью подобных же рассуждений, как в § 9-3 в случае построения

внешней характеристики генератора независимого возбуждения.

Для других значений тока между 1 и 2 можно провести наклонные

отрезки прямых, параллельные аз, которые представляют собой

гипотенузы новых характеристических треугольников. Нижние

точки этих отрезков в', в" и т. д. определяют U при токах

г, а'в' , ,ц а"в" ,

/ =—•/„, I — L и т. д.

08 08

Перенеся все эти точки в левый квадрант диаграммы рис. 9-16 и

соединив их плавной кривой, получим искомую характеристику 3,

^ учетом нелинейной зависимости катета аб треугольника от /

опытная зависимость U = f (i

) имеет характер, показанный на

рис. 9-16 слева штриховой линией.

Хотя установившийся ток короткого замыкания генератора

параллельного возбуждения невелик, внезапное короткое замыка-

ние на зажимах этого генератора практически столь же опасно,

как и у генератора независимого возбуждения. Объясняется это

тем, что вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения

и индуктирования вихревых токов в массивных частях магнитной

цепи уменьшение магнитного потока полюсов происходит медленно.

Поэтому быстро нарастающий ток якоря достигает значений /

= (5 ч- 15)/,.

Регулировочная характеристика i

— f (/) при U = const и

п = const и нагрузочная характеристика U = f (г

) при I = const и

п = const снимаются так же, как и у генератора независимого

возбуждения. Так как i

и R

малы, то падение напряжения от

в цепи якоря практически не оказывает влияния на напряже-

ние на зажимах генератора. Поэтому указанные характеристики

получаются практически такими же, как и у генератора независимого

возбуждения. Построение этих характеристик с помощью х. х. х.

и характеристического треугольника также производится аналогич-

ным образом.

В заключение можно отметить, что характеристики и свойства

генераторов независимого и параллельного возбуждения мало

отличается друг ог друга. Единственное заметное отличие заклю-

чается в некотором расхождении внешних характеристик в пре-

делах от / = 0 до / = /

. Более сйльное расхождение этих харак-

теристик при / /

не имеет значения, поскольку в таких режи-

мах машины в условиях эксплуатации не работают.

§ 9-5. Генераторы последовательного возбуждения

В генераторах последовательного возбуждения (см. рис. 9-1, в)

= I

= / и поэтому при п = const имеются только две независимые

переменные: U и /. Вследствие этого такой генератор имеет только

одну характеристику, а именно внешнюю U = / (/) при ti — const

(рис. 9-17, кривая /). При увеличении I растет поток Фа и э. д. с. Е

Поэтому в соответствии с равенствами (9-11) и (9-14) с ростом I

сначала U растет линейно, а при достижении насыщения рост U

замедляется. При весьма больших I напряжение будет снова умень-

шаться вследствие большой реакции якоря и большого па-

дения напряжения R

Характеристики холостого хода, короткого замыкания и другие

могут быть сняты только при отсоединении обмотки возбуждения

от якоря и питании ее от постороннего источника тока, как у генера-

тора независимого возбуждения, причем источник должен икеть

низкое напряжение и быть рассчитанным на большой ток. По дан-

ным этих характеристик можно построить характеристический

треугольник, и тогда внешнюю характе-

ристику 1 (рис. 9-17) можно построить

по х. х. х. (кривая 2, рис. 9-17) и харак-

теристическому треугольнику. Для этого

треугольник нужно передвигать парал-

лельно самому себе так, чтобы его вер-

шина а скользила по х. х. х., и одновре-

менно изменять его размеры пропорцио-

нально I. Тогда вершина б очертит внеш-

нюю характеристику 1.

При коротком замыкании генератора

последовательного возбуждения возникает

чрезвычайно большой ток.

Так как напряжение генератора после-

довательного возбуждения сильно Изме-

няется с изменением нагрузки, то он не

пригоден для питания большинства потребителей и применяется

только в некоторых специальных установках.

§ 9-6. Генераторы смешанного возбуждения

Генератор смешанного возбуждения самовозбуждается так же,

как и генератор параллельного возбуждения, и их X. х. х. анало-

гичны. Характеристику короткого замыкания генератора смешан-

ного возбуждения можно снять только при питании лараллельной

обмотки возбуждения от постороннего источника, если действие

последовательной обмотки является встречным, так как при соглас-

ном действии обмоток возбуждения возникает недопустимо большой

ток короткого замыкания.

Если снять характеристики коррткого замыкания при встречном

включении последовательной обмотки и при отключении этой обмот-

ки, то можно определить н. с. последовательной обмотки возбужде-

ния в масштабе тока параллельной обмотки возбуждения.

Тогда можно построить характеристический треугольник и для

случая согласного включения последовательной обмотки возбуж-

дения.

Снятие внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик

генератора смешанного возбуждения производится так же, как

и у генератора параллельного возбуждения.

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость

напряжения U от тока параллельной обмотки возбуждения, поэтому

при согласном включении последовательной обмотки нагрузочная

характеристика генератора смешанного возбуждения будет располо-

рактеристикэ генератора

последовательного воз-

буждения

жена выше нагрузочной характеристики генератора независимого

или параллельного возбуждения. На рис. 9-18 кривая 1 представ-

ляет собой нагрузочную характеристику

генератора смешанного возбуждения,

кривая 2 — х. х. х. и кривая 3 — на-

грузочную характеристику генератора

независимого или параллельного воз-

буждения.

На рис. 9-18 отрезок Ов равен сум-

марной н. с. возбуждения Fx, которая

требуется для создания номинального

напряжения при номинальном токе яко-

ря, отрезок Оа равен F

— н. с. парал-

лельной обмотки и отрезок ав равен F

—

н. с. последовательной (сериесной)_ об-

мотки возбуждения. Катет

еж

= бв опре-

деляет размагничивающее действие реак-

ции якоря F

„ в масштабе н. с. возбуж-

дения. Так как н. с. F

и F

p-a

пропор-

циональны току якоря, можно рассмат-

ривать их совместное действие, т. е. определить н. с. F = F

—

— fp.a = ав — бе = аб = де. В этом случае говорят, что при со-

гласном включении последовательной обмотки ее действие ана-

ного (2), смешанного возбуждения с согласным (3) и

встречным (4) включением последовательной обмотки

логично намагничивающей реакции якоря и характеристический

треугольник генератора имеет вид треугольника дег на рис. 9-18.

Построение внешней характеристики генератора с помощью

х. х. х. и характеристического треугольника производится в прин-

ципе так же, как и у генератора параллельного возбуждения.

' Jp

'Т\Х.—

У/1

// У

1 1

! 1

/ /1

L. ../ |

! ! ш

О а б В

Рис. 9-18. Построение внеш-

ней характеристики генера-

тора смешанного возбужде-

ния с помощью характери-

стики холостого хода и ха-

рактеристического треуголь-

ника

На рис. 9-19, а и б произведено сопоставление внешних и регули-

ровочных характеристик генераторов различных типов. Генератор

смешанного возбуждения с согласным включением последова-

тельной обмотки возбуждения имеет самую благоприятную внеш-

нюю характеристику. Его напряжение при надлежащем выборе

н. с. последовательной обмотки мало изменяется с изменением на-

грузки.

У генератора смешанного возбуждения с встречным включением

последовательной обмотки возбуждения действие последней эквива-

лентно увеличению размагничивающего действия реакции якоря.

Вследствие этого с увеличением нагрузки напряжение генератора

сильно падает. Поэтому этот генератор применяется редко.

§ 9-7. Параллельная работа генераторов постоянного тока

Общие положения. В ряде случаев целесообразно питать опре-

деленную группу потребителей от двух или нескольких генерато-

ров постоянного тока, которые при этом работают совместно на

общую сеть. В этом случае в периоды малых нагрузок можно часть

генераторов отключить, чем достигается экономия на эксплуата-

ционных расходах. Если должно быть обеспечено бесперебойное

питание потребителей при всех условиях, то нужно иметь резерв-

ный генератор. Необходимая мощность резервного генератора при

совместной работе нескольких генераторов будет меньше. Возможно

также выведение генераторов в плановый или аварийный ремонт

без какого-либо или без серьезного нарушения бесперебойного

обеспечения потребителей электроэнергией.

Для совместной работы используются генераторы независимого,

параллельного или смешанного возбуждения. При этом они под-

ключаются к сети параллельно. Последовательное включение гене-

раторов применяется в редких случаях.

При параллельной работе генераторов необходимо соблюсти

следующие условия: 1) при включении генератора на параллель-

ную работу с другими не должно возникать значительных толчков

тока, способных вызвать нарушения в работе генераторов и потре-

бителей; 2) генераторы должны нагружаться по возможности рав-

номерно, пропорционально их номинальной мощности.

При нарушении последнего условия полное использование мощ-

ности всех генераторов невозможно: когда один генератор нагру-

жается полностью, другие недогружены, а дальнейшее увеличение

общей нагрузки невозможно, так как отдельные генераторы будут

перегружаться. Кроме того, при неравномерной нагрузке генерато-

ров суммарные потери всех генераторов могут быть больше, а общий

к. п. д. — меньше, чем при равнрмерной нагрузке.

В параллельной работе генераторов независимого и параллель-

ного возбуждения нет никаких существенных различий. Поэтому

ниже сначала рассмотрим параллельную работу генераторов парал-

лельного возбуждения, а затем укажем на особенности парал-

лельной работы генераторов смешанного возбуждения.

Включение на параллельную работу. Схема параллельной

работы двух генераторов параллельного возбуждения показана

на рис. 9-20. Пусть генератор 1 уже работает на сборные шины

и необходимо подключить к этим шинам генератор 2.

Тогда надо соблюсти следующие условия: 1) полярность

генератора 2 должна быть такой же, как и генератора 1 или шин Ш,

т. е. положительный(+) и отрицательный (—) зажимы генера-

тора 2 должны с помощью рубильника или другого выключа-

теля соединяться с одноименными зажимами сборных шин;

2) э. д. с. генератора 2 должна равняться напряжению на шинах.

При соблюдении этих условий при подключении генератора 2

к шинам с помощью рубильника не возникает Никакого толчка

тока и этот генератор после его включения будет работать без

нагрузки, на холостом ходу.

Для выполнения и проверки этих условий включения поступают

следующим образом. Генератор 2 приводят во вращение с номиналь-

ной скоростью и возбуждают до нужного напряжения. Его напряже-

ние измеряют с помощью вольтметра V

и вольтметрового переключа-

теля Я, для чего последний ставят в положение 2—2. Напряжение

шин измеряют тем же вольтметром в положении переключа-

теля Ш — Ш. Чтобы одновременно проверить соответствие поляр-

ностей, вольтметр Vi должен быть магнитоэлектрического типа.

Тогда при включении вольтметра по схеме, изображенной на

рис. 9-20, отклонения его стрелки при правильнрй полярности

генератора 2 и шин будут происходить в одинаковую сторону. Если

полярность генератора 2 неправильна, то необходимо переключить

два конца от его якоря. Нужная величина напряжения генератора

достигается путем регулирования его тока возбуждения i

с помощью

реостата.

Возможен также другой способ контроля правильности условий

включения — с помощью вольтметра V

, подключенного к зажимам

одного полюса рубильника Р

. Если другой полюс (нож) рубильника

включить, то при равенстве напряжений и правильной полярности

генераторов показание вольтметра V

будет равно нулю.

При включении генератора 2 с неправильной полярностью

в замкнутой цепи, образованной якорями обоих генераторов

(рис, 9-20) и шинами, э. д. с. обойх генераторов будут складываться.

Так как сопротивление этой цепи мало, то возникают условия, экви-

валентные короткому замыканию, что приводит к аварии. При пра-

вильной полярности, но неравных напряжениях генераторов в ука-

занной цепи возникнет уравнительный ток

/ ^Д ^аЗ Е

IglRgl

— Egi

УР

Ra, ~ Rat

величина которого также может оказаться большой.

При включении нагрузки уравнительный ток вызывает увели-

чение тока одного генератора и уменьшение тока другого, в резуль-

тате чего генераторы на-

гружаются неодинаково.

Параллельная работа

генераторов параллель-

ного возбуждения. При

параллельной работе

двух или более генерато-

ров их напряжения U

всегда равны, так как

генераторы включены На

общие шины. Поэтому

для случая работы двух

генераторов их уравне-

ния напряжения можно

написать в следующем

виде:

U = E

—

I alRal

—

= Е

а а

—

атНаЪу

(9-16)

где

Eai = с^ФаЛ;

а а

= с

е2

Фв

Яа.

После включения генератора 2 (рис. 9-20) на шины его можно

нагрузить током. Для этого нужно увеличить э. д. с. генератора Е

а2

которая станет больше U, в результате чего в якоре генератора 2

возникнет ток I

[см. уравнение (9-16)1. Тогда при неизменном

токе нагрузки ток 1

а1

уменьшится. Если э. д. с. Е

а1

остается посто-

янной, то разность

а1

—

не будет уже равна прежнему значе-

нию напряжения на шинах и U увеличится. Поэтому для поддержа-

ния U = const одновременно с увеличением Е

аг

нужно уменьшать Е

а1

Изменение Е

а1

и Е

а2

возможно двояким путем: изменением тока воз-

буждения г„ или скорости вращения п. В обоих случаях генератор и

его первичный двигатель изменят свою мощность. В эксплуата-

ционных условиях обычно изменяют ток возбуждения, В этом слу-

чае первичный двигатель работает на своей естественной характе-

ристике п = f (Р). При изменении нагрузки двигателя его скорость

торов параллельного возбуждения

также изменится и его регулятор в случае использования теплового

или гидравлического двигателя изменит подачу топлива, пара или

воды в двигатель.

Таким образом, если желательно, например, генератор 1 раз-

грузить и передать его нагрузку на генератор 2, то поступают сле-

дующим образом: уменьшают i

(или raj и одновременно увеличи-

вают г

в2

(или га

) до тех пор, пока не будет = 0. После этого гене-

ратор 1 можно отключить от сети. Если бы ток г

в1

был уменьшен

слишком сильно, то возникло бы положение, при котором Е

а1

< U.

При этом /

Я1

и изменили бы свой знак [см. уравнение (9-16)],

т. е. свое направление. При этом генератор 1 стал бы работать

в режиме двигателя, потребляя

энергию от генератора 2. Для

теплового или гидравлического

первичного двигателя такой ре-

жим недопустим, так как может

вызвать аварию двигателя.

Необходимо иметь в виду, что

вследствие малости R

и R

даже малые изменения токов г

в1

и г

в2

способны вызвать большие

изменения токов генераторов,

так как, согласно уравнению

(9-16), изменения Е

а1

и Е

аъ

при

U — const должны компенсиро-

ваться изменениями I

iRai и

. Поэтому регулирование токов возбуждения генераторов

должно производиться осторожно и достаточно плавно. В условиях

эксплуатации напряжение U часто регулируется автоматическими

регуляторами токов возбуждения генераторов. При этом характе-

ристики регуляторов подбираются таким образом, чтобы обеспечить

правильное распределение нагрузок между генераторами.

Если генераторы работают параллельно без регулирования токов

возбуждения, то распределение нагрузок между ними зависит от

вида их внешних характеристик. Пусть, например, внешние харак-

теристики двух генераторов одинаковой мощности 1 и 2 изобра-

жаются кривыми / и 2 на рис. 9-21. Если генераторы включены

на параллельную работу при холостом ходе, то эти характеристики

исходят из одной точки U

на оси ординат. Если затем подключить

к генераторам некоторую нагрузку, то напряжение упадет до неко-

торого значения U, общего для обоих генераторов. При этом гене-

ратор 1, имеющий более «мягкую» внешнюю характеристику, будет

нагружаться меньшим током (/j), чем генератор 2 (/

), имеющий

более «жесткую» характеристику. Зависимость U от общего тока

нагрузки / =_/j + /

изобразится на рис. 9-21 в виде кривой 3,

Рис. 9-21. Параллельная работа гене-

раторов в режиме внешних характе-

ристик

Если мощности генераторов 1 и 2 различны, то более правильно

о распределении нагрузки между ними можно судить, если начертить

характеристики 1 и 2 на рис. 9-21 в функции относительных токов:

При совпадении таких характеристик обоих генераторов распре-

деление нагрузок между ними происходит пропорционально их

номинальным мощностям, что является наиболее выгодным.

При трех и более параллельно ра-

ботающих генераторах также имеют

место описанные выше явления,

и анализ их работы можно произвести

аналогичным образом.

Параллельная работа генераторов

смешанного возбуждения. Упрощен-

ная схема параллельной работы двух

генераторов смешанного возбуждения

с согласным включением последова-

тельных обмоток изображена на

рис. 9-22.

Если показанный на рис. 9-22 урав-

нительный провод аб отсутствует, то

устойчивая параллельная работа не-

возможна. Действительно, пусть при

отсутствии этого провода ток первого

генератора по какой-либо случайной

причине (например, вследствие увеличения скорости вращения гене-

ратора) несколько увеличился. Тогда действие последовательной об-

мотки возбуждения

этого генератора усилится, его э. д. с. возра-

стет, что вызовет дальнейшее увеличение /

и т. д. Одновременно ток

и э. д. с. Е

а2

второго генератора будут беспрерывно уменьшаться.

В результате возможна значительная перегрузка генератора 1, а ге-

нератор 2 разгрузится и даже может перейти в двигательный режим.

При наличии уравнительного провода аб параллельная работа

будет протекать нормально, так как случайное приращение тока

якоря одного генератора распределителя между последователь-

ными обмотками возбуждения обоих генераторов и вызовет увели-

чение э. д. с. обоих генераторов.

Можно также перекрестить последовательные обмотки возбуж-

дения обоих генераторов: обмотку генератора / включить последо-

вательно в цепь якоря генератора 2 и наоборот.

Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения

со встречным включением последовательных обмоток происходит

бе

з подобных затруднений.

возбуждения с согласным вклю-

чением последовательных об-

Глава десятая

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 10-1. Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в про-

мышленных, транспортных и других установках, где требуется

широкое и плавное регулирование скорости вращения (прокатные

станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на

транспорте и т. д.).

По способу возбуждения двигатели постоянного тока подраз-

деляются аналогично генераторам на двигатели независимого,

параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Схемы двигателей и генераторов с данным видом возбуждения

одинаковы (рис. 9-1). В двигателях независимого возбуждения токи

якоря /

и нагрузки I равны:

/ = /

, в двигателях параллельного

и смешанного возбуждения I =

= /„+», ив двигателях последова-

тельного возбуждения 1 = 1

= /

С независимым

возбуждением

от отдельного источника тока

обычно выполняются мощные дви-

гателя с целью более удобного

и экономичного регулирования

величины тока возбуждения. По

своим свойствам двигатели неза-

висимого и параллельного воз-

буждения почти одинаковы, и поэтому первые ниже отдельно

не рассматриваются.

Энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбужде*

ния изображена на рис. 10-1. Первичная мощность Р

является

электрической и потребляется из питающей сети. За счет этой мощ-

ности покрываются потери на возбуждение р

и электрические

потери рб

яа

= laRa в цепи якоря, а оставшаяся часть составляет

электромагнитную мощность якоря Р

9м

= Е

, которая превра-

щается в механическую мощность Р

мх

. Потери магнитные р

мг

, доба-

вочные р

и механические р

мх

покрываются за счет механической

мощности, а остальная часть этой мощности представляет собой,

полезную механическую мощность Р

на валу.

Аналогичные энергетические диаграммы, иллюстрирующие пре-

образование энергии в двигателе, можно построить и для других

типов двигателей.

^ И

р/

Рала

Рис 10-1 Энергетическая диаграм-

ма двигателя параллельного воз-

буждения