Генераторы постоянного тока независимого возбуждения

Генераторы постоянного тока используются в качестве регулируемых источников напряжения в различных системах автоматики. Наиболее часто они используются в системах регулируемого электропривода постоянного тока. Генератор - это электромеханический преобразователь энергии. Он преобразует механическую энергию, поступающую на его вал от приводного двигателя, в электрическую энергию постоянного тока. Конструктивные особенности генераторов подробно рассматриваются в /3/.

Достоинства преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока:

- линейность преобразования управляющего сигнала в выходную ЭДС в широком диапазоне его изменения;

- хорошая перегрузочная способность;

- отсутствие искажений напряжения питающей сети переменного тока от работы генератора и возможность работы с высоким коэффициентом мощности.

Недостатки агрегата:

- существенная инерционность при отработке сигнала управления по каналу возбуждения генератора;

- плохие массогабаритные показатели и значительные затраты на его установку;

- вибрация и шум при работе агрегата;

- относительно невысокий результирующий КПД из-за многократного преобразования энергии.

У генераторов общего назначения перегрузочная способность по току равна 2 при длительности перегрузки до 3 с и равна 1,5 при продолжительности перегрузки до 60 с.

Регулировать выходную ЭДС генератора можно двумя способами: изменением напряжения на обмотке возбуждения и изменением скорости вращения вала генератора. Регулирование изменением скорости вращения очень редко используется в схемах автоматики и здесь рассматриваться не будет.

б)

а)

Схема включения генератора при регулировании его выходного напряжения изменением напряжения возбуждения приведена на рис. 2.1, а.

Рис. 2.1. Генератор постоянного тока независимого возбуждения:

а - принципиальная схема; б - структурная схема

На рис. 2.1 приняты следующие обозначения: G - обмотка якоря генератора; ОВ - независимая обмотка возбуждения; Н - цепь нагрузки генератора; u_в - напряжение возбуждения; i_в - ток возбуждения; w_г - угловая скорость вращения вала генератора; Ф - поток возбуждения от намагничивающей силы на один полюс генератора; u_г - напряжение на выходе генератора; i - ток якоря генератора; u_в(p) - изображение по Лапласу напряжения возбуждения; е_г(p) - изображение по Лапласу выходной ЭДС генератора; W_г(p) - передаточная функция генератора по Лапласу; 1 и 2 - зажимы для подключения источника напряжения возбуждения; 3 и 4 - зажимы для подключения цепи нагрузки генератора.

Рассмотрим характеристики генератора независимого возбуждения при общепринятых в инженерных расчетах допущениях, полагая, что петля гистерезиса характеристики намагничивания генератора достаточно узка и ее не учитываем; насыщением магнитных цепей генератора и реакцией якоря пренебрегаем; скорость вала генератора считаем постоянной; влиянием вихревых токов, увеличивающих инерционность цепи возбуждения, пренебрегаем. Также пренебрегаем влиянием индуктивности якорной цепи генератора на его выходное напряжение. При таких допущениях процессы в генераторе описываются системой линейных уравнений:

(2.1)

где L_в - индуктивность цепи возбуждения; R_в - активное сопротивление цепи возбуждения; k = pN/(2pa) - конструктивная постоянная машины; p - число пар полюсов; а - число пар параллельных ветвей якорной обмотки; N - число активных проводников якорной обмотки; R_я - активное сопротивление якорной цепи; k_в - коэффициент, связывающий поток возбуждения на один полюс с током цепи возбуждения, Вб/А.

Индуктивность цепи возбуждения находится по формуле

,

где DФ и DF - приращение магнитного потока и соответствующее ему приращение намагничивающей силы на один полюс, которые можно определить по линейному рабочему участку кривой намагничивания генератора; W_в - число витков обмотки возбуждения на один полюс; а_в - число параллельных ветвей обмотки возбуждения; s - коэффициент, учитывающий рассеяние магнитного потока полюсов.

По кривой намагничивания также определяется коэффициент

В установившемся режиме di_в /dt = 0 и соответственно для статического режима уравнения (2.1) преобразуются к виду:

(2.2)

Прописными буквами в данных уравнениях обозначены токи и напряжения в установившемся режиме.

Из (2.2) может быть найдено выражение для расчета статического значения выходной координаты генератора

(2.3)

где k_г = kk_вw_г /R_в - коэффициент усиления генератора.

Принимая в (2.3) за аргумент напряжение возбуждения U_в, а за параметр - возмущающее воздействие в виде тока якоря I, получим семейство характеристик управления, которое приведено на рис. 2.2, а. Если за аргумент принять ток I, а за параметр - напряжение U_в, то получим семейство внешних характеристик, приведенное на рис. 2.2, б.

Рис. 2.2. Статические характеристики генератора:

а - управления; б - внешние

Если в качестве выходной величины принято напряжение генератора u_г, как следует из рис. 2.2, а, то характеристики управления будут неоднозначны. Неоднозначность обусловлена наличием падения напряжения на сопротивлении якорной цепи генератора. Неоднозначность характеристик управления будет исключена, если в качестве выходной координаты элемента рассматривать ЭДС генератора, как показано на рис. 2.2, б. При таком представлении генератора сопротивление его якорной цепи можно рассматривать в составе цепи внешней нагрузки генератора. При таком представлении генератора характеристика управления единственная, и ее формула имеет вид

,

где Е_г- установившееся значение ЭДС генератора. Соответственно внешние характеристики будут абсолютно жесткими. Характеристика управления приведена на рис. 2.3, а, а внешние характеристики - на рис. 2.3, б.

Рис. 2.3. Статические характеристики генератора как источника ЭДС:

а - управления; б - внешние

Введя для обозначения операции дифференцирования символ p, то есть , и полагая, что на холостом ходу i = 0, а u_г = е_г, систему (2.1) можно записать в виде

Из последней системы после несложных преобразований может быть получена передаточная функция генератора по входной величине u_в в операторном виде:

,

где T_в = L_в/R_в - электромагнитная постоянная времени цепи возбуждения.

Система (2.1) имеет неизменные во времени коэффициенты. Поэтому при нулевых начальных условиях передаточная функция генератора по Лапласу с точностью до обозначений совпадает с операторной передаточной функцией и равна

. (2.4)

Как следует из передаточной функции (2.4), процессы в генераторе по управлению соответствуют апериодическому звену первого порядка, которое имеет переходную характеристику вида

Переходная характеристика приведена на рис. 2.4, б.

На рис. 2.4, а приведены частотные характеристики генератора: кривая L(w) - амплитудно-частотная характеристика, кривая j(w) – фазово-частотная характеристика.

Как следует из графика переходной характеристики, быстродействие генератора при отработке управляющего воздействия U_в определяется величиной постоянной времени цепи возбуждения T_в. Увеличение активного сопротивления цепи возбуждения R_в увеличивает быстродействие, но при этом возрастают активные потери электрической энергии на этом сопротивлении.

Снижение быстродействия генератора из-за эффекта вихревых токов может быть учтено путем увеличения электромагнитной постоянной времени цепи возбуждения T_в на 10 – 15 % . Представление различных генераторов постоянного тока как элементов систем автоматики более подробно рассмотрено в /1/.

Вопросы для самопроверки

1. Какое преобразование энергии осуществляется генератором постоянного тока при его работе в генераторном режиме?

2. Назовите основные достоинства преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока.

3. Назовите основные недостатки преобразовательного агрегата из приводного двигателя переменного тока и генератора постоянного тока.

4. Как можно регулировать выходную ЭДС генератора постоянного тока?

5. Перечислите основные допущения, при которых генератор постоянного тока можно считать линейным звеном?

6. Что обусловливает неоднозначность характеристик управления генератора постоянного тока для случая, когда выходной координатой будет напряжение на обмотке якоря?

7. Что необходимо принять за выходную координату генератора постоянного тока для того, чтобы исключить неоднозначность характеристик управления?

8. Какова жесткость внешних характеристик генератора постоянного тока в случае, когда выходной координатой будет ЭДС генератора?

9. Какому элементарному звену структурной схемы соответствует передаточная функция генератора постоянного тока, когда в качестве выходной координаты звена рассматривается ЭДС обмотки якоря, а в качестве входной - напряжение на обмотке возбуждения?

10. Какие электрические параметры генератора определяют быстродействие генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

11. Как влияет на быстродействие генератора постоянного тока наличие вихревых токов в элементах конструкции генератора?

12. Какой вид имеет формула передаточной функции генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

13. Какой вид имеет формула переходной характеристики генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

14. Какой вид имеет формула для расчета электромагнитной постоянной времени обмотки возбуждения генератора постоянного тока?

15. Чему равна частота среза логарифмической амплитудной частотной характеристики генератора постоянного тока при регулировании выходной ЭДС изменением напряжения возбуждения?

16. Как можно уменьшить электромагнитную постоянную времени обмотки возбуждения генератора постоянного тока?

Электромашинные усилители

Электромашинные усилители (ЭМУ) используются в качестве регулируемых источников напряжения в различных системах автоматики, обычно в системах регулируемого электропривода постоянного тока. ЭМУ- это электромеханический преобразователь энергии. Он преобразует механическую энергию, поступающую на его вал от приводного двигателя, в электрическую энергию постоянного тока. Конструктивные особенности ЭМУ рассматриваются в /1/. По сравнению с генераторами постоянного тока независимого возбуждения ЭМУ имеют более высокое значение коэффициента усиления мощности сигнала управления. Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля.

ЭМУ поперечного поля без поперечной подмагничивающей обмотки приведен на рис. 2.5. Номинальная мощность таких усилителей может быть до 20 кВт.

Статор такого ЭМУ выполняют неявнополюсным. В пазах ста­тора помещают одну или несколько обмоток управления ОУ, компенса­ционную обмотку ОК, обмотку доба­вочных полюсов ОДП. Якорь ЭМУ поперечного поля отличается от якоря обычной машины постоянного тока лишь наличием на его коллекторе двух пар щеток: поперечных 1-1 и продольных 2-2. Поперечные щетки замыкаются накоротко. ЭМУ поперечного поля мощностью до 1500 Вт выполняют в одном корпусе с приводным электродвигателем. Если подвести к одной из обмоток управления ОУ небольшую мощность P_у = U_уI_у и создать поток управления Ф_у, то при вращении якоря в этом потоке в его проводниках наводится ЭДС E_кз, максимальное значение которой окажется на поперечных щетках 1-1.

Так как щетки 1-1 замкнуты накоротко, даже под действием небольшой E_кз возникает зна­чительный ток I_кз. Последний, проходя по проводникам якоря, вызовет соответствующий поток Ф_кз, который наводит в тех же самых проводниках якоря выходную ЭДС E_эму, наибольшее значение которой оказывается на продольных щетках 2-2. Так как I_кз и Ф_кз на один-два порядка больше, чем Фу, величина ЭДС E_эму зна­чительна.

Если к выводам 4-4 подключить нагрузку, то под действием ЭДС E_эму во внешней цепи и по обмотке якоря потечет ток I_эму. Намагничивающая сила, создаваемая этим током, вызовет поток реакции якоря Ф_р, направленный против потока управления Ф_у. Если действие потока реакции якоря не устранить, поток Ф_у будет уменьшен, что приведет к резкому снижению E_кз, а следовательно, и Ф_кз, то есть ЭМУ не сможет отдать в нагрузку сколько-нибудь существенную мощность. Для того чтобы поток Ф_р не размагнитил машину, последовательно с обмоткой якоря включают компенсационную обмотку ОК.Ток, про­текающий по компенсационной обмотке, создаст поток Ф_к, компен­сирующий поток Ф_р. Степень компенсации можно изменять путем изменения сопротивления, шунтирующего компенсационную обмотку. Обмотка добавочных полюсов ОДПпредназначается для улучшения коммутации под щетками 2-2.

Усиление мощности в ЭМУ происходит в две ступени. На первой ступени происходит усиление от мощности P_у = I_уU_у до P_кз = E_кзI_кз на второй - от P_кз до P_эму = E_эмуI_эму.

Результирующий коэффициент усиления мощности

k_p = (P_кз / P_у)(P_эму / P_кз) = P_эму /P_у= k_P1k_P2,

где k_P1=P_кз /P_у; k_P2=P_эму / P_кз - коэффициенты усиления на отдельных ступенях.

Коэффициент k_p практически может достигать значения 10000, причем k_P1 всегда меньше k_P1. Результирующий коэффициент усиления мощности может быть выражен и в виде

k_p = k_uk_i,

где k_u = E_эму / U_у; k_i = I_эму / I_у - соответственно коэффициенты усиления напряжения и тока.

Для обеспечения максимального постоянства коэффициентов усиления во всех рабочих режимах магнитная система ЭМУ делается ненасыщенной.

В конструкцию ЭМУ может вводиться дополнительная подмагничивающая обмотка, которая располагается на статоре и включается в цепь тока поперечных щеток 1-1. Наличие этой обмотки при одной и той же выходной мощности снижает требуемое значение тока короткозамкнутых щеток, в связи с чем номинальная мощность усилителя может быть увеличена до 100 кВт.

Гистерезис магнитной цепи ЭМУ, вследствие больших значений коэффициентов усиления, ведет к появлению неоднозначности в характеристиках управления и внешних характеристиках, что показано на рис. 2.5 б, в. Для уменьшения неоднозначности регулировочных и внешних характеристик и снижения замедляющего действия вихревых токов, индуктируемых при изменении магнитного потока, магнитная система ЭМУ выполняется из листов электротехнической стали толщиной 0,35 - 0,5 мм с узкой петлей гистерезиса. Неоднозначность характеристик может быть уменьшена при введении отрицательной обратной связи по выходному напряжению ЭМУ с помощью одной из обмоток управления или путем введения специальной размагничивающей обмотки, питаемой переменным током. Такая обмотка наматывается вокруг спинки статора. При таких мероприятиях характеристики управления и внешние характеристики при инженерных расчетах могут аппроксимироваться прямыми линиями.

В режиме холостого хода в предположении линейности характеристики управления в рассматриваемом диапазоне изменения координат динамика ЭМУ, например, по первой обмотке управления, описывается передаточной функцией

,

где Δe_эму (p), Δu_у1(p) - изображение приращения выходной ЭДС ЭМУ и соответствующе-го ему приращения напряжения первой обмотки управления; k_эму1=(ΔE_эму/ΔI_у1)(1/R_у1) - коэффициент усиления по напряжению первой обмотки, определяемый по аппроксимированной характеристике управления; R_у1 = R_оу1+R_д1 - активное сопротивление цепи с первой обмоткой управления; R_оу1 - собственное активное сопротивление первой обмотки управления; R_д1 - внешнее добавочное сопротивление в цепи первой обмотки управления; T_у1 = L_оу1 / R_у1 и T_кз = L_я / R_я - электромагнитные постоянные времени соответственно цепи с первой обмоткой управления и короткозамкнутой цепи; L_оу1 - собственная индуктивность первой обмотки управления; L_я - индуктивность обмотки якоря; R_я - активное сопротивление обмотки якоря.

Следует иметь в виду, что приведенная передаточная функция ЭМУ справедлива только при одной задействованной в работе обмотке управления.

Обычно ЭМУ в схемах автоматики имеют несколько обмоток управления, образующих замкнутые через источники управляющих сигналов контуры, по которым могут замыкаться токи в переходных режимах в цепях управления. Эти токи возникают под действием ЭДС взаимоиндукции, наводящихся в обмотках при изменении тока в любой из них, так как они связаны общим магнитным потоком. По правилу Ленца индуктируемые токи препятствуют изменению тока в любой из обмоток, происходящего под действием изменения напряжения управления, приложенного к этой обмотке. Это ведет к ухудшению быстродействия ЭМУ и, соответственно, к увеличению электромагнитных постоянных времени обмоток управления. При этом эквивалентная постоянная времени любой из n обмоток управления будет определяться по формуле

,

где T_оуi = L_оуi / R_оуi - электромагнитная постоянная времени i-й обмотки управления. Здесь L_оуi - собственная индуктивность i-й обмотки управления; R_оуi- собственное активное сопротивление i-й обмотки управления; R_уi - активное сопротивление цепи i-й обмотки управления; i - номер обмотки управления.

Если на вход ЭМУ подают одновременно n управляющих напряжений, каждое из этих напряжений на свою обмотку управления, то приведенное к первой обмотке результирующее напряжение управления Δu^'_у1:

,

где Δu_уi - изменение напряжения на i-й обмотке управления; w_уi - число витков i-й обмотки управления.

Для обеспечения хорошего запаса устойчивости систем автоматики, в которых используется ЭМУ, подбором значения R_ш устанавливается недокомпенсация реакции якоря, при которой падение напряжения на эквивалентном внутреннем сопротивлении якорной цепи и цепи усилителя при номинальном токе якоря лежит в пределах 5 – 10 % от номинального выходного напряжения. Конструкция ЭМУ, их работа и характеристики более подробно изложены в работах /2, 3/.

Вопросы для самопроверки

1. Какое преобразование энергии осуществляется электромашинным усилителем?

2. В качестве каких элементов систем автоматики используются электромашинные усилители поперечного поля?

3. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля без подмагничивающей обмотки?

4. Что удобно считать выходной и входной координатами электромашинного усилителя поперечного поля?

5. Сколько ступеней усиления мощности управляющего сигнала имеет электромашинный усилитель поперечного поля?

6. Каких значений может достигать коэффициент усиления мощности управляющего сигнала электромашинного усилителя поперечного поля?

7. Что такое коэффициент усиления напряжения электромашинного усилителя поперечного поля?

8. Что такое коэффициент усиления тока электромашинного усилителя поперечного поля?

9. Каких значений достигает номинальная мощность электромашинных усилителей поперечного поля с подмагничивающей обмоткой?

10. Какой процесс в магнитной цепи электромашинного усилителя поперечного поля обусловливает неоднозначность его характеристик управления?

11. Какие мероприятия позволяют уменьшить неоднозначность характеристик управления электромашинного усилителя поперечного поля?

12. Какой вид имеет передаточная функция электромашинного усилителя поперечного поля, когда входное напряжение управления подается только на первую обмотку управления, а выходная координата - ЭДС продольных щеток?

13. Что происходит с эквивалентной электромагнитной постоянной времени любой из обмоток управления в случае, если кроме нее источники управляющих напряжений подключены и к другим обмоткам управления электромашинного усилителя?

14. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи короткозамкнутых щеток электромашинного усилителя поперечного поля?

15. Отношением каких параметров определяется электромагнитная постоянная времени цепи любой обмотки управления электромашинного усилителя поперечного поля?