В) Генератор с параллельным возбуждением

Схема генератора с параллельным возбуждением представлена на рис. 5-47. Здесь обмотка возбуждения питается от самого генератора. Такая работа возможна благодаря самовозбуждению машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем.

Рис. 5-47. Генератор с параллельным возбуждением.

В полюсах и ярме машины обычно всегда имеет место остаточный магнетизм, наличие которого обусловливает самовозбуждение.

Действительно, поток остаточного магнетизма при вращении якоря наводит в его обмотке небольшую э.д.с., которая создает небольшой ток в обмотке возбуждения. Этот ток при правильном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря увеличивает поток полюсов, который в свою очередь наводит в якоре большую э.д.с. Она создает в обмотке возбуждения соответственно больший ток — снова увеличивается поток и э.д.с. в якоре и т. д. до тех пор, пока не установится соответствие между током возбуждения, магнитным потоком и э.д.с.

Для уяснения процесса самовозбуждения обратимся к рис. 5-48. Здесь изображены характеристика холостого хода E₀=f(I_в) и "прямая постоянного сопротивления цепи возбуждения"
E₀ = r_вI_в,
где Е₀ принята равной напряжению, приложенному к цепи возбуждения; r_в — сопротивление этой цепи.

Можно считать, что падение напряжения в цепи якоря, вызванное током I_в, ничтожно, поэтому напряжение на зажимах якоря, а следовательно, и на зажимах цепи возбуждения можно принять равным э.д.с. Е_в. При постоянном сопротивлении r_в цепи возбуждения напряжение на ее зажимах пропорционально току I_в, т. е. изменяется при изменении I_в по закону прямой линии, которую мы назвали прямой постоянного сопротивления цепи возбуждения (встречается также название "вольт-амперная" характеристика цепи возбуждения).

Оба уравнения E₀=f(I_в) и E₀=r_вI_в одновременно будут удовлетворяться только в точке А. В этой точке мы получаем установившуюся в процессе самовозбуждения э.д.с. Е₀ = при данном сопротивлении r_в. При отклонении э.д.с. от этого значения вследствие какой-нибудь причины после устранения этой причины э.д.с. снова вернется, очевидно, в исходное положение, т. е. будет равна .

На рис. 5-48 . При увеличении r_в угол a будет увеличиваться и при совпадении прямой постоянного сопротивления цепи возбуждения с прямолинейной частью характеристики холостого хода будет равен критическому значению a_кр. Соответствующее ему значение r_в.кр (tga_кр=r_в.кр) называется критическим сопротивлением цепи возбуждения. Оно определяет "порог самовозбуждения" — при увеличении r_в сверх r_в.кр самовозбуждение невозможно.

Рис. 5 48. Самовозбуждение генератора с параллельным возбуждением.

При r_в = r_в.кр напряжение на зажимах якоря практически будет неустойчивым. Поток остаточного магнетизма дает очень небольшое напряжение (0,02—0,04 U_н), которое может быть практически устойчивым только при холостом ходе. Этим и объясняется то, что у генератора нормального исполнения получить устойчивое напряжение при холостом ходе, которое было бы меньше 60—70% номинального, не представляется возможным.

Если все же требуется от генератора параллельного возбуждения, чтобы он давал устойчивое напряжение, начиная, например, с 20% номинального, то приходится переходить к специальному выполнению его главных полюсов. Полюсы при этом собирают из листов, показанных на рис. 5-49,а, или их выполняют, как показано на рис. 5-49,б. В обоих случаях в полюсах получаются участки (а и b или участки сплошных листов), которые насыщаются при малом значении потока, вследствие чего характеристика холостого хода искривляется в своей начальной части (рис. 5-50). Генераторы с такой характеристикой применяются в качестве возбудителей, например, для турбогенераторов, для которых требуется изменять их ток возбуждения в широких пределах.

Рис. 5-49. Полюсы для получения искривленной в начальной части характеристики холостого хода.

Рис. 5-50. Характеристика холостого хода, искривленная в начальной части.

Обмотка возбуждения должна быть присоединена к зажимам якоря таким образом, чтобы ток, проходящий по этой обмотке, увеличивал поток остаточного магнетизма, в противном случае машина не может самовозбудиться.

Убедиться в наличии остаточного магнетизма можно путем измерения напряжения при холостой работе машины с отключенной обмоткой возбуждения. Если при включении обмотки возбуждения напряжение уменьшается, то это указывает на неправильное присоединение обмотки возбуждения. Следует или поменять местами ее концы, или изменить направление вращения машины. Обычно применяют первый способ. Генераторы с параллельным возбуждением часто встречаются на практике.

Так как ток, ответвляющийся в обмотку возбуждения, составляет небольшую долю номинального тока, то характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением, снятая для напряжения на зажимах, а не для э.д.с., практически не отличается от той же характеристики генератора с независимым возбуждением; то же можно сказать и о регулировочной характеристике.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением U = f(I) при n = const и r_в = const представлена на рис. 5-51. Верхняя кривая здесь представляет собой внешнюю характеристику при постоянном токе возбуждения.

Рис. 5-51. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением.

Понижение напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением будет больше, чем на зажимах генератора независимого возбуждения, работающего при постоянном токе возбуждения. У генератора с параллельным возбуждением напряжение понижается не только из-за реакции якоря и внутренних сопротивлений цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения.

При некотором нагрузочном токе дальнейшее уменьшение внешнего сопротивления влечет за собой не увеличение тока, а его уменьшение. Этот наибольший возможный ток I_кр генератора с параллельным возбуждением называется критическим током (рис. 5-51).

Представленный на рис. 5-51 вид внешней характеристики объясняется следующим образом. Если мы при критическом токе уменьшим сопротивление внешней цепи, то в первый момент ток в якоре возрастет. Это вызовет возрастание реакции якоря и внутреннего падения напряжения, а следовательно, понижение напряжения yа его зажимах, которое еще больше уменьшится вследствие обусловленного им уменьшения тока возбуждения. В результате установится режим работы, при котором напряжение будет снижено на относительно большую величину (например, на 30%), чем было уменьшено внешнее сопротивление (например, на 20%), что и приводит к уменьшению нагрузочного тока.

Когда сопротивление внешней цепи равно нулю. т. е. при коротком замыкании, ток якоря равен I_к (рис. 5-51). Этот ток обусловлен наличием остаточного магнетизма. Для больших машин он может быть больше номинального.

Внезапное короткое замыкание для генератора с параллельным возбуждением так же опасно, как и для генератора с независимым возбуждением. Магнитный поток здесь не может быстро уменьшиться из-за большой индуктивности обмотки возбуждения; следовательно, и э.д.с., наведенная им в обмотке якоря, будет уменьшаться постепенно, что приводит к большим значениям тока в цепи якоря в процессе перехода к установившемуся режиму короткого замыкания.

Поэтому генераторы с параллельным возбуждением также должны быть снабжены предохранителями, причем при большой их мощности часто устанавливаются быстродействующие выключатели, отключающие короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достиг опасных значений.