Характеристики генераторов постоянного тока

Для определения свойств генераторов обычно рассматривают следующие характеристики.

Нагрузочные характеристики – зависимости напряжения на выводах генератора от тока возбуждения при постоянном токе нагрузки и частоте вращения . Нагрузочная характеристика называется характеристика при нулевой нагрузке называется характеристикой холостого хода;

Внешние характеристики – зависимости напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и сопротивлении цепи возбуждения . Основное значение имеют две внешние характеристики: 1) номинальное напряжение при номинальном токе нагрузки ; 2) номинальное напряжение при холостом ходе ;

Регулировочные характеристики – зависимости при заданном характере изменения напряжения на зажимах U и . Обычно . При – характеристика короткого замыкания.

Характеристики генератора с независимым возбуждением.

Характеристика холостого хода, рисунок 4.20, – при и . Снятие характеристики начинают со значения , при котором напряжение . После этого уменьшают ток возбуждения до , а затем изменяют его направление на обратное и снова увеличивают его до начального значения. Это дает нисходящую ветвь характеристики холостого хода. Чтобы получить восходящую ветвь характеристики, достаточно повернуть нисходящую ветвь на 180° вокруг начала координат. На практике пользуются кривой, проведенной посредине между восходящей и нисходящей ветвями и проходящей через начало координат (пунктирная линия на рисунке 4.20).

Рис. 4.20. Характеристика холостого хода (слева) и короткого замыкания (справа) генератора независимого возбуждения.

При холостом ходе и постоянной частоте вращения генератора:

,
поэтому характеристика холостого хода соответствует в другом масштабе кривой намагничивания машины:

.

По характеристике холостого хода можно судить о свойствах магнитной цепи машины. По ней можно судить о величине потока остаточного магнетизма , который объясняется явлением гистерезиса и свидетельствует о свойствах стали полюсов и ярма.

Характеристика короткого замыкания, рисунок, – , при и . Зажимы якоря замыкают накоротко через амперметр и при токе возбуждения вращают якорь с номинальной частотой вращения. В якоре индуцируется небольшая ЭДС от потока остаточного намагничивания, а в короткозамкнутой цепи якоря появляется ток . Увеличивая ток возбуждения , можно довести значение тока до (или ).

Обычно характеристика короткого замыкания прямолинейна, так как при коротком замыкании машина не насыщена, следовательно, . Пренебрегая переменным сопротивлением контакта щеток, можно считать, что , тогда .

При заданных значениях частоты вращения и тока возбуждения режим короткого замыкания генератора определяется двумя факторами:

1) падением напряжения в цепи якоря ;

2) реакцией якоря.

Треугольник короткого замыкания, см. рисунок 4.21, учитывает в графической форме оба эти фактора.

Рис. 4.21. Треугольник короткого замыкания.

При коротком замыкании , поэтому , где – ЭДС, индуцируемая в генераторе при коротком замыкании и номинальном токе. Для создания ЭДС требуется ток возбуждения , который определяется по характеристике холостого хода при . На рисунке катет треугольника, равный , учитывает падение напряжения в машине.

Чтобы определить реакцию якоря, нужно воспользоваться характеристикой короткого замыкания, построенной в той же координатной системе. Для тока якоря определяют ток возбуждения . Если бы в машине не было реакции якоря, то ток возбуждения был равен . Следовательно представляет собой вторую сторону треугольника короткого замыкания, учитывающую реакцию якоря в масштабе тока возбуждения. Соединив точки на характеристиках которкого замыкания и холостого хода, получим треугольник короткого замыкания.

Рабочие характеристики генератора независимого возбуждения.Внешняя характеристика – при и . Для снятия внешней характеристики следует привести генератор во вращение с номинальной частотой вращения и установить такой ток возбуждения , чтобы при иметь номинальное напряжение на зажимах генератора , см. кривую 1 на рисунке. Затем постепенно разгружают генератор до холостого хода. Напряжение на зажимах генератора растет и при достигает значения . Внешнюю характеристику также снимают, начиная с точки номинального напряжения в режиме холостого хода , см. кривую 2 на рисунке 4.22.

Рис. 4.22. Внешняя (слева) и регулировочная (справа) характеристики генератора независимого возбуждения.

Регулировочная характеристика, рисунок, – при и . Показывает как следует изменять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменении нагрузки генератора его напряжение оставалось постоянным при постоянной частоте вращения.

Нагрузочные характеристики, рисунок, – при и . Напряжение на зажимах генератора всегда меньше ЭДС вследствие падения напряжения в якоре и реакции якоря. При действие этих двух факторов почти постоянно, поэтому нагрузочная характеристика расположена почти параллельно характеристике холостого хода. Нагрузочные можно построить по характеристике холостого и треугольнику короткого замыкания путем перемещения треугольника короткого замыкания по характеристике холостого хода. Это возможно благодаря постоянному току нагрузки .

Рис. 4.23. Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока.

Характеристики генератора параллельного возбуждения. Генератор параллельного возбуждения работает с самовозбуждением. Для самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе оставался небольшой (2 – 5 % номинального) поток остаточного намагничивания , образованный при его предыдущем возбуждении. Если, замкнув цепь возбуждения, привести генератор во вращение с некоторой (номинальной) частотой вращения, то на его зажимах появится небольшое напряжение и в цепи возбуждения возникнет ток, который вновь образует добавочный поток намагничивания . Генератор может самовозбудиться только при согласном направлении обоих потоков и . В этом случае результирующий поток возбуждения увеличивается. Это приводит к увеличению индуцируемой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение тока и потока возбуждения.

Процесс самовозбуждения (при холостом ходе ) происходит до определенного предела, определяемого сопротивлением цепи возбуждения .

Уравнение ЭДС цепи возбуждения:

или ,
где – переменное напряжение на зажимах генератора и цепи возбуждения; – сопротивление цепи возбуждения; – индуктивность цепи возбуждения.

При падение напряжения представляет собой прямую под углом к оси абсцисс:

.

Процесс самовозбуждения завершится, когда ЭДС генератора уравновесит падение напряжения на обмотке возбуждения и якоря:

.
На рисунке 4.24 этому положению соответствует точка А пересечения характеристик холостого хода 1 и прямая падения напряжения на сопротивлении обмотки возбуждения 2. Точке А соответствует некоторое напряжение на зажимах ненератора и ток возбуждения. При увеличении сопротивления в цепи возбуждения равенство ЭДС и падения напряжения будет возникать при меньшем токе возбуждения, чему соответствует точка А' пересечения характеристики холостого хода 1 и прямой 2'. Существует некоторое критическое значение сопротивления цепи возбуждения, соответствующая касательной к начальному участку характеристики холостого хода (пунктирная прямая), при котором самовозбуждение не возникает, т.к. точка пересечения характеристик близка к началу кооринат. Критичекое сопротивление:

.

Рис. 4.24. Графическое обоснование самовозбуждения генератора: 1 – характеристика холостого хода; 2 и 2' – прямые падения напряжения в цепи возбуждения.

При изменении частоты вращения генератора характеристика холостого хода изменяется пропорционально, см. рисунок справа. Точка пересечения характеристик, соответствющая установившемуся режиму после завершения самовозбуждения при этом также изменяется. Например, при уменьшении частоты вращения точка пересечения характеристик В переходит в B'.

Характеристика холостого хода – при и . Характеристика холостого хода, снятая при самовозбуждении, практически совпадает с соответствующей характеристикой при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика, рисунок 4.25, – при и .

Рис. 4.25. Внешние характеристики генератора независимого и параллельного возбуждения.

При работе с самовозбуждением падение напряжения с увеличением нагрузки происходит быстрее, поскольку при увеличении нагрузки генератора параллельного возбуждения, кроме реакции якоря и падения напряжения в якоре, еще имеет место уменьшение тока возбуждения , которое влечет за собой уменьшение потока и соответствующее уменьшение ЭДС и напряжения на зажимах генератора.

Генератор последовательного возбуждения. Поскольку в генераторе последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем, то . Поэтому характеристику холостого хода генератора и его нагрузочные характеристики можно снять только по схеме с независимым возбуждением. При независимом возбуждении снимается также характеристика короткого замыкания. По ней можно построить треугольник короткого. Имея характеристику холостого хода и треугольник короткого замыкания, можно построить внешнюю характеристику ( при ).

Генератор смешанного возбуждения. Генератор смешанного возбуждения имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения и совмещает в себе свойства генераторов обоих типов. Обычно обе обмотки включаются согласно: параллельная обмотка создает номинальное напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения при его холостом ходе, а последовательная компенсирует МДС реакции якоря и падение напряжения в якоре при определенной нагрузке. Этим достигается автоматическое регулирование напряжения генератора в определенных пределах нагрузки.

Рис. 4.26. Внешние (слева) и регулировочные (справа) характеристики генератора смешанного возбуждения.

При холостом ходе ток нагрузки, а следовательно, и ток последовательной обмотки равны нулю. Поэтому характеристика холостого хода генератора смешанного возбуждения не отличается от соответствующей характеристики генератора параллельного возбуждения.

Нагрузочные характеристики, рисунок 4.26, генератора смешанного возбуждения имеют тот же вид, что и соответствующие характеристики генератора параллельного возбуждения или генератора независимого возбуждения, но они могут расположиться выше характеристики холостого хода, поскольку в генераторе смешанного возбуждения напряжение U при нагрузке может быть больше (при перекомпенсации), чем при холостом ходе.

Внешнаяя характеристика, рисунок 4.26, представляет собой зависимость напряжения от тока нагрузки при . В нормально компенсированном генераторе последовательная обмотка компенсирует реакцию якоря и падение напряжения в якоре при номинальном токе . Если последовательная обмотка компенсирует реакцию якоря, обеспечивая постоянство напряжения у потребителя, генератор называется перекомпенсированным. Генераторы смешанного возбуждения применяют в случаях для поддержания постояного напряжения U при резко переменной нагрузке.