Генератор независимого возбуждения

Глава 28

Коллекторные генераторы постоянного тока

Основные понятия

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи яко­ря возникает ток, а на выводах генератора устанав­ливается напряжение, определяемое уравнением на­пряжений для цепи якоря генератора:

. (28.1)

Здесь

(28.2)

— сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря , обмотки добавочных полюсов , компенсационной обмотки , последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта .

При отсутствии в машине каких-либо из указан­ных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение при­водным двигателем, который создает на валу гене­ратора вращающий момент . Если генератор ра­ботает в режиме х.х. , то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холо­стого хода . Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодей­ствуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. В генераторе этот момент направлен встречно вра­щающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока

При неизменной частоте вращения вра­щающий момент приводного двигателя уравнове­шивается суммой противодействующих моментов: мо­ментом х.х. и электромагнитным моментом М, т. е.

. (28.3)

Выражение (28.3) — уравнение моментов для генератора при . Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря , получим уравнение мощностей:

, (28.4)

где — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая); —мощ­ность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен­ной нагрузке); — электромагнитная мощность генератора.

Согласно (25.27), получим

,

или с учетом (28.1)

, (28.5)

где — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощ­ность, отдаваемая генератором нагрузке; — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря (см. § 29.8).

Учитывая потери на возбуждение генератора ,получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:

. (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем , преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность , передаваемую нагрузке, и мощ­ность, затрачиваемую на покрытие потерь .

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов посто­янного тока.

Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. от тока возбуждения :

при и .

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбу­ждения :

при и .

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки :

при и ,

где — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуж­дения.

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж­дения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выходе генератора:

при и .

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свой­ства генераторов постоянного тока.

Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения по­казана на рис. 28.2, а. Реостат , включенный в цепь возбужде­ния, дает возможность регулировать ток в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоян­ного тока, называемого в этом случае возбудителем.

Рис. 28.2 Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б)генера­тора независимого возбуждения

Характеристика холостого хода. При снятии характеристики генератор работает в режиме х.х. . Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения от нулевого значения до , при котором напряжение х.х. . Получают данные для построения кривой 1 (рис. 28.2, ). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля, и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до . По­лученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается вы­ше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагни­чивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от до , а затем увеличи­вают его до значения . В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагни­чивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, полу­чим расчетную характеристику х.х.

Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует нена­сыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличе­нии тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость повторяет в другом масштабе магнитную характеристику машины (см. § 26.1) и дает возможность судить о магнитных свойствах машины.

Нагрузочная характеристика генератора. Эта характери­стика выражает зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях на­пряжение на выводах генератора меньше ЭДС [см. (28.1)], поэто­му нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характери­стики холостого хода 2 (рис. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению , отложить вверх отрезок аb, равный , и провести горизонтально отре­зок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbс — треугольник реактивный (характе­ристический).

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбужде­ния напряжение на выводах ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генера­тора снизится до значения . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения при . На­пряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря [см. (28.1)] и размагничивающего влияния реакции якоря . Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения , можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: . На рис. 28.3 эта ЭДС представлена отрезком bе. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (bе < dе), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме х.х. для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения . Следовательно, отрезок fе, равный разности токов возбуждения , представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря.

Рис. 28.3. Нагрузочная характери­стика генератора независимого возбуждения

Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке: падение на­пряжения в цепи якоря определяет катет

(28.7)

ток возбуждения , ком­пенсирующий размагничиваю­щее действие реакции якоря, оп­ределяет катет

, (28.8)

где и — величины, опре­деляющие размагничивающее действие реакции якоря по попе­речной и продольной осям (см. § 26.2); —число витков в по­люсной катушке обмотки возбуждения.

Реактивный треугольник а'b'с' построен для другого значения тока возбуждения . Сторона а'b' треугольника осталась неиз­менной ( ), что объясняется неизменностью тока нагруз­ки, но сторона b'с' уменьшилась (b'с' < bс), так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнит­ной цепи генератора, а следовательно, и размагничивающее дей­ствие реакции якоря.

Внешняя характеристика генератора. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения навыводах генера­тора от тока нагрузки . При снятии данных для построения внеш­ней характеристики генератор приводят во вращение с номиналь­ной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. ( = 0), снимают показания приборов. Сопротивле­ние цепи возбуждения и частоту вращения в течение опыта под­держивают неизменными.

На рис. 28.4, а представлена внешняя характеристика генера­тора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки напряжение на выводах генератора понижа­ется; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

. (28.9)

Обычно для генератора независимого возбуждения .

Регулировочная характеристика генератора. Характери­стика показывает, как следует менять ток в цепи возбуж­дения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной .

При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения уста­навливают ток , при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восхо­дящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепен­но уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответст­вующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б).Нисходящая ветвь регу­лировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характери­стикой генератора.

Основной недостаток генераторов независимого возбужде­ния — это необходимость в постороннем источнике энергии по­стоянного тока — возбудителе. Однако возможность регулирова­ния напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.

Рис. 28.4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характери­стики генератора независимого возбуждения