Условия самовозбуждения генераторов постоянного тока

Для работы генераторов постоянного тока (исключая генераторы с независимым возбуждением) обязательно должны выполняться условия самовозбуждения. Рассмотрим эти условия для генератора параллельного возбуждения в соответствии со схемой его включения, рис.14.1. Станина и полюсы генератора, находящегося в отключенном состоянии, практически всегда имеют незначительную намагниченность. Эта намагниченность вызывает существование небольшого по величине магнитного потока, который принято называть остаточным магнитным потоком Фост. Он, как правило, составляет (2...3 )% от нормального рабочего потока генератора, что является достаточным для возможности его самовозбуждения [1,6,12]: Подсоединим обмотку возбуждения параллельно обмотке якоря. Будем считать, что дополнительное сопротивлениеRв в цепи обмотки возбуждения выведено (равно нулю). Нагрузку генератора следует отключить выключателем QF, рис.14.1. Далее приведем во вращение якорь генератора с его номинальной частотой вращения приводным двигателем. За счет наличия остаточного магнитного потока на выводах генератора появится небольшая ЭДС (ее принято также называть остаточной ЭДС обозначенной на характеристике холостого хода, кривая 1, рис14.2 как Еост). Она составляет (2...3 )% от номинального напряжения генератора [12]. Эта ЭДС вызовет появление тока якоря Iя, который в общем случае представляем собой сумму тока нагрузки Iн и тока обмотки возбужденияIв , ш есть Iя = Iн + Iв. Поскольку на генератор нагрузка пока не подана, то весь ток якоря будет поступать в обмотку возбуждения.

Появившийся ток в обмотке возбуждения, обусловленный остаточной ЭДС и вращением якоря, имеющий в общем случае незначительную величину ( на рис.2 - это условно ток Iв₁), вызовет дополнительный магнитный поток в генераторе. При этом в зависимости от направления тока- Iв₁ в обмотке возбуждения, дополнительный магнитный поток может усиливать или ослаблять остаточный магнитный поток. Для самовозбуждения эти потоки должны быть направлены согласно, увеличивая основной магнитный поток главных полюсов.

Суммарный магнитный поток генератора, образовавшийся при протекании в обмотке возбуждения тока Iв₁, вызовет при существующих оборотах якоря появление нового (большего) значения ЭДС. По существу можно допустить, что эта ЭДС практически равна напряжению холостого хода U₁ на выходе генератора, так как сопротивление обмотки якоря значительно меньше сопротивления цепи обмотки возбуждения, присоединяемой к выводам генератора, рис.14.1.

Напряжение U₁ будет прикладываться к обмотке возбуждения (считая, что дополнительное сопротивление, подключаемое к этой об­мотке, равно нулю ), рис.14.1, и вызовет в ней ток Iв₂. Причем ток Iв₂ будет уже больше тока Iв₁, рис.14.2, и определится из соотношения

(4)

где Roв - сопротивление обмотки возбуждения.

В общем случае при дополнительном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения Rвне равном нулю, в произведении выражения (4) учитывается и его значение, произведение по выражению (4) представляет собой прямую линию прямая 2, рис.14.2 ), проходящую через начало координат под углом α1 соответствующим величине сопротивления обмотки

Рис.14.1. Схема включения генератора параллельного возбуждения для пояснения условий самовозбуждения.

Рис.14.2. К пояснению условий самовозбуждения генератора постоянного тока параллельного возбуждения.

Далее ток Iв₂ увеличит результирующий магнитный поток генератора, а также и напряжение на его выходе U2в соответствии с характеристикой холостого хода, зависимость 1, рис.14.2. Процесс самовозбуждения, сопровождающийся взаимным увеличением тока возбуждения и напряжения на выходе генератора, можно условно изобразить ступенчатой линией с использованием характеристики холостого хода ( зависимость 1 ) и напряжения на обмотке возбуждения (зависимость 2), рис.14.2.

На самом же деле процесс самовозбуждения идет непрерывно и заканчивается при пересечении характеристики холостого хода2 и прямой 1 в точке D, рис.14.2, при установившемся токе возбужденияIву и установившемся напряжении на выходе генератора Uy. В этой точке практически наступает полное насыщение магнитной системы генератора и увеличение тока возбуждения уже не приводит к уве­личению магнитного потока, а соответственно и к увеличению напря­жения генератора.

Процесс самовозбуждения и его окончание более подробно можно пояснить с учетом изменяющихся во времени величин тока возбуждения и напряжения генератора следующим образом.

Уравнение изменения электрических величин в процессе самовозбуждения может быть составлено с учетом второго закона Кирхгофа

(5)

где Uв- изменяющееся во времени напряжение на входе цепи возбуждения, равное напря­жению генератора в режиме холостого хода;

Eв - ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения, при изменении в ней тока возбуждения;

Iв - изменяющийся во времени ток в обмотке возбуждения;

Rсв- суммарное сопротивление в цепи обмотки возбуждения ( Rcв = Roв+ Rв ).

С учетом выражения для ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения представим равенство ( 5 ) следующим образом:

(6)

гдеLв - индуктивность обмотки возбуждения, зависящая от насыщения магнитной системы генератора.

В соответствии с рис.14.2 напряжение, подводимое к цепи обмотки возбуждения Uв, представляет собой ордината от оси абсцисс до характеристики холостого хода ( отрезок А В ).

Падение напряжения в цепи обмотки возбуждения ( iв- Rсв ) выражается ординатой до прямой 2 ( отрезок АС ), а ординаты между линиями 1 и 2 представляют собой ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения ев, отрезок ВС.

Исходя из выражения (6) видно, что процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить изменение (увеличение ) тока в цепи обмотки возбуждения, а соответственно и увеличение напряжения на выходе генератора. При прекращении изменения тока возбуждения ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения станет равной нулю, то есть

(7)

и тогда напряжение, прикладываемое к цепи обмотки возбуждения, будет равным падению напряжения в ней

(8)

Это условие выполняется при пересечении линий 1 и 2 в точке D, рис. 2. Действительно, если считать, что обмотка возбуждения обладает соответствующей индуктивностью (Lв > 0), то тогда в точ­ке D будет равно нулю именно изменение тока в обмотке возбуждения, то есть

(9)

Последнее равенство означает, что в точке D появляется уста­новившееся (неизменное во времени) значение тока возбуждения Iву, а соответственно и неизменное напряжение на выходе генератора Uy при постоянной его частоте вращения. То есть процесс самовозбуждения генератора заканчивается.

На рис. 14.2 наклон прямой 2 соответствует определенному суммарному сопротивлениюRcв в цепи обмотки возбуждения. При увеличении этого сопротивления наклон (угол наклона прямой к оси абсцисс) будет возрастать. При каком - то критическом сопротивлении Rкp прямая 3, отражающая зависимость падения напряжения в цепи обмотки возбуждения, будет касательной к характеристике холостого хода 1 (угол а2). Еэти же суммарное сопротивление в цепи обмотки возбуждения превысит его критическое значение, то генератор возбуждаться не будет.

Таким образом, самовозбуждение генератора возможно при наличии следующих условий [4,12]:

1.Существование в генераторе остаточного магнитного потока.

2.Создаваемый магнитный поток, током возбуждения, должен совпадать по направлению с остаточным магнитным потоком генератора.

3.Суммарное сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического.

Следует также учитывать, что при неправильном подключении обмотки возбуждения к обмотке якоря (то есть появление тока возбуждения противоположного направления) появится магнитный поток, направленный встречно по отношению к ос­таточному магнитному потоку. В этом случае генератор не только не запустится, но даже может произойти его полное размагничивание.

Правильное же подсоединение обмотки возбуждения будет сразу сопровождаться увеличением напряжения на выходе генератора.

Если сразу не удалось осуществить правильное присоединение обмотки возбуждения, то следует поменять местами ее выводы, подсоединяемые к обмотке якоря. Отсутствие самовозбуждения и в этом случае может указывать на то, что при первом неверном присоединении обмотки возбуждения генератор размагнитился.

Исчезнувший по каким - либо причинам остаточный магнитный поток ( машина размагничена полностью ) можно восстановить посторонним источником постоянного тока даже незначительной мощности. Для этого его следует подсоединить к обмотке возбуждения на некоторое незначительное время, что и восстановит намагниченность машины.