Буквенно-цифровые обозначения выводов обмоток машин постоянного тока

Наименование обмотки	Обозначение выводов по ГОСТ 26672-85	Обозначение выводов по ГОСТ 183-74
Начало	Конец	Начало	Конец
Обмотка якоря	A1	A2	Я1	Я2
Обмотка добавочного полюса	B1	B2	Д1	Д2
Компенсационная обмотка	C1	C2	К1	К2
Последовательная обмотка возбуждения	D1	D2	С1	С2
Параллельная обмотка возбуждения	E1	E2	Ш1	Ш2
Независимая обмотка возбуждения	F1	F2	Н1	Н2

В генераторах постоянного тока параллельного и смешанного возбуждения обмотка получает питание от собственного якоря; подобный способ называют самовозбуждением. Для самовозбуждения необходимо выполнение следующих условий: а) наличие в генераторе остаточного магнитного потока Ф_ост, создающего во вращающемся якоре остаточную (начальную) ЭДС E_ост; б) совпадение направлений остаточного магнитного потокаФ_ост и магнитного потока обмотки возбужденияФ_в, которое достигается правильной полярностью подключения обмотки возбуждения относительно цепи якоря; в) определенное сопротивление цепи возбуждения r_в, которое не должно превышать некоторого критического для данного генератора значения r_{в кр}. В этом случае, после запуска генератора, его ЭДС автоматически возрастает от E_ост до значения, определяемого сопротивлением цепи возбуждения и насыщением магнитной цепи.

Принцип действия генератора постоянного тока. Генератор постоянного тока предназначен для преобразования механической энергии приводного двигателя в электрическую энергию постоянного тока. Предположим, что с помощью приводного двигателя якорь генератора приводится во вращение с частотой n и в машине каждый главный полюс создает одинаковый магнитный поток возбуждения F (рис. 3.3).

При вращении якоря начальные стороны секций пересекают силовые линии магнитного поля полюсов одной полярности, а конечные – противоположной полярности, в результате чего в них наводятся ЭДС, которые суммируются по контуру секции.

Когда щетки одной полярности соединены между собой, они разбивают обмотку якоря на параллельные ветви. Относительно щеток противоложной полярности направление ЭДС всех параллельных ветвей одинаково и при вращении якоря остается постоянным, так как щетки неподвижны. Направление индуктируемой ЭДС в проводниках параллельной ветви, расположенных под одним из главных полюсов, показано на рис. 3.3. При вращении якоря под неподвижными щетками в зоне коммутации происходит непрерывный процесс переключения секций обмотки из параллельных ветвей с одним направлением ЭДС в параллельные ветви с противоположным направлением ЭДС. Число секций в параллельных ветвях вращающегося якоря и, соответственно, значение их ЭДС практически постоянно. Результирующая ЭДС якоря равна ЭДС одной параллельной ветви, поскольку все ветви одинаковы. Она прямо пропорциональна магнитному потоку F и частоте вращения n:

E=c_EFn, (3.1)

где c_E –коэффициент, определяемый конструктивными параметрами обмотки якоря.

Постоянная по величине и направлению ЭДС якоря создает на его выводах (между щетками противоположной полярности) постоянное напряжение U. В режиме холостого хода это напряжение равно возбуждаемой ЭДС: U=E.

Рис.3.3. Принцип действия генератора постоянного тока

Если к выводам якоря подключить электроприемник (нагрузку), то по замкнутой цепи «якорь – электроприемник» под действием ЭДС будет протекать ток. Положение щеток «на линии геометрической нейтрали» обеспечивает протекание тока в якоре под северными полюсами – в одном направлении (рис. 3.3), под южными – в противоположном.

Со стороны магнитного поля главных полюсов на обтекаемые током проводники обмотки якоря действуют электромагнитные силы. Направление действия этих сил, которое можно определить по известному правилу левой руки (рис. 3.3), противоположно направлению вращения якоря, и они создают тормозной электромагнитный момент, который может быть рассчитан по формуле:

М_эм=с_мФI_а, (3.2)

где конструктивный коэффициент c_М =c_E/(2p).

Чтобы обеспечить стационарное вращение якоря, тормозной момент электромагнитных сил нужно уравновешивать вращающим моментом приводного двигателя: М_эм=М_дв. Чем больше протекающий по обмотке генератора ток нагрузки, тем больше действующий на якорь тормозной момент электромагнитных сил и уравновешивающий его вращающий момент приводного двигателя.

Описанным путем механическая энергия, подводимая от приводного двигателя, преобразуется генератором в электрическую энергию, потребляемую электроприемником.

При нагрузке напряжение на щетках изменяется. В соответствии со 2-м законом Кирхгофа уравнение электрического равновесия цепи якоря имеет вид:

U=E–I_аr_а, (3.3)

где I_а – сила тока в якоре, r_а – сопротивление цепи якоря.

Реакция якоря.В режиме нагрузки на магнитное поле возбуждения главных полюсов оказывает влияние поле обмотки якоря, называемое реакцией якоря. Если щетки расположены на линии геометрической нейтрали, то магнитная ось поля обмотки якоря направлена по поперечной оси машины (по оси добавочных полюсов) и реакция якоря называется поперечной. Магнитный поток реакции якоря замыкается через полюсные наконечники главных полюсов и магнитную цепь добавочных полюсов. При этом на одних участках поле реакции складывается с полем главных полюсов, усиливая насыщение, на других вычитается. Насыщение магнитной цепи главных полюсов всегда увеличивает ее магнитное сопротивление, что приводит к некоторому уменьшению магнитного потока возбуждения (на 2…3%). Это называют «размагничивающим» действием поперечной реакции якоря.

Кроме этого при нагрузке поле реакции якоря приводит к другим негативным последствиям:

1) Создает магнитное поле в зоне коммутации (в междуполюсном пространстве). Для его компенсации в этой зоне применяют добавочные полюсы.

2) Накладываясь на поле возбуждения в зазоре, приводит к резко неравномерному распределению результирующего магнитного поля под главными полюсами. Это увеличивает напряжение между коллекторными пластинами и, как следствие, может усилить искрение под щетками.

В крупных машинах постоянного тока для компенсации поля поперечной реакции якоря укладывают компенсационную обмотку (в полюсных наконечниках главных полюсов), которая электрически включается последовательно в цепь якоря, а по полю – согласно с обмоткой добавочных полюсов.

Эксплуатационные свойства генераторов постоянного тока определяются его характеристиками, из которых основными являются характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная. Все характеристики снимаются при номинальной частоте вращения якоря n=n_н=const.

Характеристика холостого хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения Е=f(I_в) при n=n_н=const и разомкнутой цепи нагрузки (I=0). В случае, когда характеристику снимают при самовозбуждении, обмотка последовательного возбуждения, если она имеется, не должна быть нагружена током обмотки параллельного возбуждения. Поскольку в соответствии с (3.1) ЭДС прямо пропорциональна потоку, эта характеристика отражает свойства магнитопровода машины (рис. 3.4).

Рис.3.4. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока

При отсутствии тока возбуждения (I_в=0) в якоре индуктируется небольшая остатоная ЭДС Е_ост, обусловленная магнитным потоком Ф_ост остаточного намагничивания полюсов и станины. С увеличением тока возбуждения ЭДС возрастает, отражая степень насыщения материала магнитопровода. При малых токах возбуждения магнитная система генератора не насыщена и зависимость Е(I_в) имеет линейный характер. Наклон прямолинейной части преимущественно обусловлен величиной воздушного зазора, который создает основное магнитное сопротивление потоку. Насыщение магнитопровода нарушает эту пропорциональность, и рост ЭДС при увеличении тока возбуждения замедляется. При этом характеристика отклоняется в сторону оси абсцисс, образуя характерный изгиб – «колено».

Генераторы рассчитывают таким образом, чтобы точка, соответствующая номинальной ЭДС находилась, на изгибе характеристики холостого хода. Это необходимо для ослабления влияния реакции якоря и обеспечения более стабильного напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки.

Внешняя характеристика (рис. 3.5,а) представляет зависимость напряжения на зажимах генератора оттока нагрузки U=f(I) при неизменной частоте вращения (n=n_н=const) и постоянном сопротивлении цепи возбуждения (r_в=const). Внешняя характеристика показывает, как влияет ток нагрузки на напряжение генератора.

а) б)

Рис.3.5. Внешние (a) и регулировочные (б) характеристики
генератора постоянного тока

В генераторе параллельного возбуждения при увеличении тока нагрузки I напряжение на зажимах генератора уменьшается (кривая 1, рис. 3.5,а).

Из выражения (3.3) следует, что снижение напряжения U на зажимах генератора вызывается двумя основными причинами:

1. Уменьшением индуктируемой в якоре ЭДС E из-за ослабления магнитного потока главных полюсов.

2. Падением напряжения I_аr_а в обмотке якоря.

В свою очередь, ослабление магнитного потока происходит из-за снижения тока возбуждения вследствие уменьшения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря (I_в=U/r_в, где r_в – сопротивление цепи возбуждения).

Уменьшение изменения напряжения генератора при нагрузке, выражаемое графически наклоном внешней характеристики к оси абсцисс, оценивается относительной величиной изменения напряжения

, (3.5)

где U₀ – напряжение на зажимах генератора при холостом ходе;
U – напряжение на зажимах генератора при нагрузке.

Обычно для генераторов с параллельным возбуждением величина находится в пределах 10-25%.

В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение параллельной и последовательной обмоток главных полюсов.

При согласном включении обмоток возбуждения магнитодвижущая сила последовательной обмотки подмагничивает машину и при этом полностью компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря. Напряжение на зажимах генератора остается практически постоянным в режимах работы от холостого хода до номинальной нагрузки. То есть, внешняя характеристика при таком способе возбуждения является жесткой (кривая 2 рис. 3.5,а).

При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора с ростом нагрузки резко уменьшается (кривая 3 рис. 3.5,а). Это объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки, магнитный поток которой направлен навстречу магнитному потоку параллельной обмотки. Встречное включение обмоток применяется только в генераторах специального назначения, например, в сварочных генераторах, в которых для ограничения тока необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Регулировочная характеристика (рис. 3.5,б) – это зависимость тока возбуждения от нагрузки I_в=f(I) при n=n_н=const и постоянном номинальном напряжении на зажимах генератора U=U_н=const.

Регулировочная характеристика показывает, как нужно регулировать ток возбуждения I_в, чтобы при изменении нагрузки генератора напряжение на его зажимах оставалось постоянно равным номинальному значению, т.е. U=U_н=const. Как следует из характеристики холостого хода (рис. 3.4), регулирование тока возбуждения влечет соответствующее изменение ЭДС якоря, за счет чего можно поддерживать неизменным напряжение на его выводах.

При параллельном возбуждении с ростом нагрузки необходимо увеличивать ток возбуждения I_в, чтобы компенсировать влияние причин, вызывающих снижение напряжения на зажимах генератора (кривая 1 рис. 3.5,б).

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением обмоток при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора почти не изменяется. Поэтому требуется лишь незначительное регулирование тока возбуждения, вследствие чего соответствующая регулировочная характеристика почти не отличается от прямой, параллельной оси абсцисс (кривая 2 рис. 3.5,б).