ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ

Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристика холостого хода; нагрузочная, внешняя и регулировочная характеристики.

Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря. Они могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

На рис. 1,а представлена схема для экспериментального исследования генератора независимого возбуждения. Для возможности изменения в широких пределах тока I_в обмотка возбуждения к независимому источнику подключается через переменный резистор R_в. Ток в цепи якоря I_а регулируется переменным резистором R_нг.

Пределы измерения амперметра и вольтметра в цепи якоря следует выбирать, исходя из номинальных значений тока I_ном и напряжения U_ном, которые указываются на табличке машины, прикрепленной к ее станине. Амперметр в цепи обмотки возбуждения выбирается на ток, равный 1-5 % I_ном.

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС на выводах генератора Е от тока возбуждения I_в при разомкнутой цепи якоря (рубильник QS отключен, ток I_а=0). В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении, а затем в другом эта зависимость, построенная в четырех квадрантах, имеет вид петли, показанной на рис. 3. Несовпадение кривых, полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения, объясняется наличием гистерезиса в стали, из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рис. 3 показана штриховой линией). При I_в=0 в обмотке якоря наводится ЭДС E_ост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Значение E_ост примерно равно 1-3% номинального напряжения машины.

Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли, которую получают, уменьшая ток I_в от максимального значения до нуля (рис.4).

Продолжая полученную кривую 1 до пересечения с осью абсцисс в точке А, а затем передвигая ее параллельно самой себе вправо на расстояние ОА, получаем расчетную характеристику холостого хода 2. При снятии характеристики холостого хода следует обращать внимание на то, чтобы ток возбуждения изменялся в одном направлении (или только увеличивался, или только уменьшался), так как в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того, эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.

Нагрузочная характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах машины U от тока возбуждения I_в при условии, что ток в цепи-якоря I_а поддерживается неизменным. Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том, что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость этой реакции от насыщения магнитной цепи машины и тока якоря.

Можно снять ряд нагрузочных характеристик для различных значений тока I_а. Если снимается одна нагрузочная характеристика, то чаще всего принимают, что I_а = I_ном. Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения, начиная от максимального его значения.

Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику удобно построить на одном графике с нисходящей характеристикой холостого хода (рис. 5). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I_а = 0 (кривая 1 на рис. 5).

Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток и ЭДС машины (кривая 2 на рис. 5).

Составляющую реакции якоря, оказывающую воздействие на магнитный поток и ЭДС машины, можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря I_aR_a, получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке, от тока возбуждения (штриховая кривая на рис. 5; ток I_а равен току, при котором снималась нагрузочная характеристика). Эта зависимость обычно располагается ниже характеристики холостого хода.

Для получения одной и той же ЭДС Е' при холостом ходе требуется ток возбуждения I_в1, а при нагрузке - ток I_в2. Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего "действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению магнитного потока и ЭДС, наводимой в обмотке якоря.

В общем случае разность I_в2 - I_в1  пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря F_в,qd и продольной МДС якоря F_d. Если щетки стоят на геометрической нейтрали, то можно считать

где ω_в - число витков катушки обмотки возбуждения.

Соединяя между собой точки а, b и с, получаем треугольник, носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен I_в,qd, а вертикальный ab равен I_aR_a. Характеристический треугольник используется для построения других характеристик машины. При этом приближенно принимается, что оба его катета изменяются пропорционально току I_a.. Более точную зависимость I_в,qd от тока I_a можно получить, если снять серию нагрузочных характеристик при различных токах I_a, а затем для каждой из них при I_в = const определить I_в,qd.

Если построить характеристические треугольники при различных токах I_в, то можно выявить влияние насыщения магнитной цепи на значение / I_в,qd. При уменьшении насыщения (уменьшении тока I_a) размагничивающее действие поперечной реакции якоря (катет bc) уменьшается.

Внешняя характеристика. Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает, как изменяется напряжение на выводах машины U при возрастании тока Нагрузки I=I_а, если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешняя характеристика U=f(I) снимается при I_в ==const.

Исходной точкой для снятия внешней характеристики является точка, когда при номинальном токе нагрузки I=I_ном на выходах генератора установлено номинальное напряжение U_ном (рис. 6). Напряжение меняют, регулируя ток возбуждения I_в, а ток I меняют, регулируя сопротивление резистора R_нг (рис. 1,а).

Ток возбуждения, соответствующий U=U_ном при I=I_ном, называется номинальным током возбуждения I_в,ном. В процессе снятия внешней характеристики этот ток поддерживается постоянным. Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшается до нуля. Напряжение генератора при этом увеличивается, так как при уменьшении тока I_а уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе U=U₀ (рис. 6).

По внешней характеристике определяют изменение напряжения ΔU Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:

Изменение напряжения ΔU для генераторов независимого возбуждения составляет 10-15 %• На рис. 7. Показана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения при изменении нагрузки от режима холостого хода до режима короткого замыкания. Ток короткого замыкания I_k у таких генераторов составляет 5-10I_ном.

Регулировочная характеристика. Как следует из рассмотрения внешних характеристик генератора независимого возбуждения, при I_в=const напряжение на выводах  генератора с изменением нагрузки не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным, необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения с целью сохранения постоянства напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость I_в = f(I) при U=U_ном=const. Регулировочная характеристика показана на рис. 8. Начинают снимать ее в режиме холостого хода, когда I = 0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения I_в необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Самовозбуждение генератора. У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря (рис. 1,б). Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения or постороннего источника.

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Магнитный поток остаточного магнетизма в обмотке вращающегося якоря наводит ЭДС. Эта ЭДС (ЭДС остаточного магнетизма Е_ост) невелика и составляет 1-3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка воз­буждения подключена к якорю, то ЭДС Е_ост создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения, и т.д. Процесс нарастания тока в обмотке возбуждения при холостом ходе машины (I=0) может быть описан дифференциальным уравнением

где L_в - индуктивность обмотки возбуждения; ΣR_в - суммарное сопротивление цепи этой обмотки, включая сопротивление регулировочного резистора.

Падение напряжения в цепи якоря от тока i_в ничтожно мало, поэтому в (10) напряжение на выводах обмотки возбуждения принято равным ЭДС.

Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения.

Тогда d(L_вi_в )/dt = 0;

На рис. 9 показаны зависимости E=f(I_в) и I_вΣR_в = f(I_в) при n = const. Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1), а вторая - характеристикой цепи возбуждения.

Если принять, что ΣR_в= const, то характеристика цепи возбуждения представляет собой прямую линию (2 на рис. 9), идущую под углом α к оси абсцисс, причем tg α = I_вΣR_в/I_в =.ΣR_в. Точка пересечения характеристик (точка А) соответствует равенству (11), а ЭДС Е, соответствующая этой точке, является той ЭДС, которая установится при данном сопротивлении ΣR_в на выводах машины. При изменении ΣR_в будет изменяться ЭДС Е. Если увеличить сопротивление ΣR_в, то угол наклона характеристики цепи возбуждения а возрастет, а точка А переместится влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения R_в,кр, называемом критическим, прямая I_вR_в,кр совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода (прямая 3). Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления ΣR_в само­возбуждения происходить не будет, так как прямая I_вΣR_в = f(I_в) в этом случае не пересекает характеристику холостого хода (прямая 4).

Если генератор работает с переменной частотой вращения п, то для каждой частоты вращения будет своя характеристика холостого хода E=f(I_в), так как Е пропорциональна п (кривые 1-3 на рис. 10). В соответствии с этим для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления R_в,кр. Для каждого сопротивления ΣR_в существует критическое значение частоты вращения, ниже которого самовозбуждение невозможно (кривая 2 на рис. 10).

Самовозбуждение генератора происходит в том случае, если ток I_в, протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направленный согласно с потоком остаточного магнетизма. При неправильном включении обмотки возбуждения эти потоки будут направлены встречно и самовозбуждения происходить не будет. Тогда для изменения направления тока I_в в обмотке возбуждения следует поменять местами концы подводящих проводников, соединяющих обмотку возбуждения с якорем.

Из изложенного следует, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы был остаточный магнитный поток, чтобы сопротивление цепи обмотки возбуждения было меньше критического и чтобы обмотка возбуждения была правильно подсоединена к якорю.

Характеристики холостого хода и нагрузочная. В отличие от генератора независимого возбуждения у генератора параллельного возбуждения ток якоря I_а не равен току нагрузки I (см. рис. 1,б). При отключенной нагрузке (I = 0) ток якоря не равен нулю и будет равен I_в.

Характеристики холостого хода и нагрузочная снимаются у генератора параллельного возбуждения так же, как и у генератора независимого возбуждения, и имеют тот же характер. Ток I_в при снятии этих характеристик уменьшается с помощью переменного резистора R_в от наиболь­шего до наименьшего возможного значения. Электродвижущая сила остаточного магнетизма определяется при отключенной обмотке возбуждения.

Из-за небольшого значения тока возбуждения I_в падение напряжения, вызываемое им в цепи якоря, мало и не оказывает существенного влияния на напряжение машины при нагрузке. При холостом ходе можно принимать, что напряжение на выводах практически равно ЭДС якоря.

Внешняя характеристика. Внешнюю характеристику U=f(I) снимают при условии, что ΣR_в= const. С помощью переменного резистора R_в сопротивление ΣR_в устанавливают таким, чтобы при номинальном токе нагрузки I_ном напряжение на выводах машины было номинальным. Ток нагрузки устанавливают переменным резистором R_нг. Затем, изменяя ток I, получают другие точки внешней характеристики (рис. 11). Как следует из рис. 11, с увеличением тока I напряжение U уменьшается.

Понижение напряжения U на выводах генератора парал- лельного возбуждения с ростом тока I выражено сильнее, чем на выводах генератора независимого возбуждения, работающего при I_в =const. У генератора параллельного возбуждения напряжение понижается не только из-за размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения I_в. Уменьшение тока возбуждения I_в = U/ ΣR_в при ΣR_в= const  вызвано понижением напряжения U на выводах машины, к которым подсоединена цепь обмотки возбуждения.

У генератора параллельного возбуждения при уменьшении сопротивления нагрузки ток I будет увеличиваться до определенного значения, называемого критическим током I_кр (рис. 11). Критический ток равен 1,5-2,5 I_ном. При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток I начинает уменьшаться. Такой характер внешней характеристики объясняется тем, что генератор параллельного возбуждения сам себя размагничивает, так как уменьшается ток возбуждения. Вначале этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает сильного снижения магнитного потока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения будет соответствовать линейной (ненасыщенной) части характеристики холостого хода, размагничивание будет происходить более интенсивно, так как уменьшение тока I_в будет вызывать большие изменения магнитного потока и ЭДС. При коротком замыкании машина практически будет размагничена и установившийся ток короткого замыкания I_к определяется только ЭДС остаточного магнетизма. Вследствие малости этой ЭДС ток I_к в большинстве случаев невелик и не превышает номинального значения. Однако несмотря на это в переходном режиме при внезапном коротком замыкании вследствие медленного уменьшения магнитного потока и ЭДС ток короткого замыкания может превысить номинальное значение в несколько раз, что вы­зовет сильное искрение щеток, а в некоторых случаях и появление кругового огня. Поэтому эти генераторы, как и все другие генераторы, должны быть снабжены предохранителями или быстродействующими выключателями, отключающими короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достигнет больших значений. Изменение напряжения генератора параллельного возбуждения, определяемое по (9), составляет 15-20 %.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения. Регулировочная характеристика I_в = f(I) генератора параллельного возбуждения при U = U_ном = const имеет тот же характер, что и для генератора независимого возбуждения. Для одного и того же генератора регулировочные характеристики, полученные при независимом питании обмотки возбуждения и при параллельном ее включении, будут совпадать.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения I_в равен току якоря I_а. Поэтому при холостом ходе, когда I_в = I_а =I = 0, ЭДС, наводимая в обмотке якоря, равна Е_ост.

Характеристики холостого хода и нагрузочная для такого генератора могут быть сняты при питании обмотки от независимого источника. Эти характеристики имеют тот же вид, что и для генератора независимого возбуждения (см. рис. 5).

Самовозбуждение генератора происходит, если сопротивление цепи якоря меньше критического. Внешняя характеристика генератора показана на рис. 12 (кривая 2). На этом же рисунке изображена характеристика холостого хода E=f(I_в) (кривая 1). При одном и том же токе I_в = I напряжение генератора меньше, чем ЭДС по характеристике холостого хода, из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.

При малых нагрузках, когда ток якоря и, следовательно, ток возбуждения малы, магнитная система машины ненасыщена и ее ЭДС изменяется пропорционально току I. Падение напряжения и размагничивающее действие реакции якоря практически изменяются также пропорционально току I.Поэтому напряжение на выводах машины растет пропорционально току I. При больших токах происходит насыщение магнитной системы машины, вследствие чего ЭДС при увеличении I будет изменяться мало. Поэтому и напряжение с ростом тока нагрузки увеличивается незначительно, а при очень больших токах нагрузки из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря оно начинает уменьшаться.

Из-за сильной зависимости напряжения от тока нагрузки генераторы последовательного возбуждения широкого практического применения не нашли.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Схема генератора смешанного возбуждения показана на рис. 1,г. Параллельная (шунтовая) обмотка возбуждения ОВШ может быть подключена к цепи якоря до последовательной (сериесной) обмотки ОВС (как показано на рисунке) или после нее (проводник обмотки ОВШ переносится из точки Д2 в точку С2). Характеристики генератора при обоих способах подключения будут практически одинаковыми, так как последовательная обмотка имеет небольшое сопротивление и падение напряжения в ней будет мало. Увеличение МДС последовательной обмотки из-за протекания по ней тока I_в также ничтожно мало из-за малого количества ее витков и относительно небольшого тока I_в.

Самовозбуждение генератора происходит так же, как и генератора параллельного возбуждения. Ток якоря равен I_а = I + I_в.

Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения. Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка ОВШ. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря F_в,qd  В этом случае последовательная обмотка не только скомпенсирует размагничивающую составляющую реакции якоря, но и создаст избыточную МДС, которая будет увеличивать магнитный поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом I будет возрастать, как это видно на внешней характеристике U=f(I) при ΣR_в= const, изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки.

Обмотку можно рассчитать так, чтобы напряжение увеличивалось на значение, необходимое для компенсации падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Тогда у потребителя при любых нагрузках напряжение автоматически будет поддерживаться примерно постоянным.

При слабой последовательной обмотке внешняя характеристика имеет падающий характер. Отметим, что эффективность действия последовательной обмотки зависит от насыщения магнитной цепи машины. Магнитодвижущая сила последовательной обмотки при сильном насыщении будет давать небольшое увеличение магнитного потока и ЭДС, поэтому даже при достаточно сильной обмотке или при больших нагрузках напряжение на выводах машины будет уменьшаться с ростом тока нагрузки.

Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения снимаются так же, как и у генератора параллельного возбуждения, и имеют такой же характер.

В зависимости от соотношения между МДС последовательной (сериесной) обмотки возбуждения F_c и размагничивающей составляющей реакции якоря F_в,qd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика (кривая 2) идет выше характеристики холостого хода (кривая 1) (рис. 14). Если по этим характеристикам построить характеристический треугольник, то его горизонтальный катет bс будет пропорционален результирующей намагничивающей МДС, созданной током якоря по оси обмотки возбуждения. Значение этого катета в масштабе тока возбуждения равно (F_с - F_в,qd)/ω_в.

Полученный таким образом треугольник используют для построения  характеристик.

Регулировочная характеристика. Характеристика I_в=f(I)при U=const у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики. При достаточно сильной последовательной обмотке возбуждения, когда напряжение генератора возрастает с увеличением тока нагрузки, регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рис. 15.

Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающем действием результирующий магнитный поток возбуждения машины с увеличением тока нагрузки будет уменьшаться. В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер (рис. 16). Регулировочная характеристика показана на рис. 17.

СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ

Если у одного и того же генератора снять внешние и регулировочные характеристики при различных схемах включения его обмоток возбуждения, то полученные характеристики будут располагаться относительно друг друга так, как показано на рис. 18 и 19.

Наибольшее изменение напряжения будет у генераторов смешанного возбуждения при встречном включении обмоток, а наименьшее - у генераторов смешанного возбуждения при согласном включении обмоток.

Генераторы смешанного возбуждения при согласном включении обмоток и параллельного возбуждения применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока.

Генераторы смешанного возбуждения предпочитают применять в тех случаях, когда происходит частое и резкое изменение нагрузки, так как они могут обеспечить автоматическое поддержание напряжения. Генераторы независимого возбуждения применяются тогда, когда требуется в широких пределах менять напряжение. В частности, они находят применение в электроприводах для питания одиночных двигателей с широким диапазоном регулирования частоты вращения.