Генераторы постоянного тока.

Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока.

В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.

Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена заводом-изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Они указываются в каталогах и выбиваются на табличке, прикрепленной к станине машины.

КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением.

Генераторы первого типа выполняются с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, располагаемая на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рис. 1, а). Ток в цепи возбуждения I_в может изменяться в широких пределах с помощью переменного резистора R_a. Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в номинальном режиме составляет 1-5 % номинальной мощности якоря генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.

Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности, которые применяются в специальных случаях. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.

У генераторов с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от собственного якоря. В зависимости от способа ее включения генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Схема соединения генератора параллельного возбуждения показана на рис. 1,б. Переменный резистор R_B дает возможность изменять ток возбуждения I_в и, следовательно, выходное напряжение. Ток якоря I_a у этого генератора равен I_a = I + I_в, где I - ток нагрузки. Ток возбуждения относительно мал и для номинального режима составляет 1-5 % номинального тока машины.

У генератора последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с якорем и ее ток возбуждения равен току якоря и току нагрузки: I_в = I_a =I (рис. 1, в).

У генераторов смешанного возбуждения (рис. 1, г) на полюсах размещаются две обмотки. Одна из них, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с якорем, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения включается последовательно с якорем. Ток якоря такого генератора равен I_a = I + I_в.

У этих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (МДС этих обмоток направлены одинаково) и встречно (их МДС направлены противоположно). В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного включения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой. Генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения иногда называют соответственно генераторами шунтового, сериесного и компаундного возбуждения.

Согласно ГОСТ 183-74 для машин постоянного тока принято следующее обозначение выводов обмоток: обмотки якоря Я1-Я2, параллельной обмотки возбуждения Ш1-Ш2, последовательной обмотки возбуждения С1-С2, обмотки дополнительных полюсов Д1-Д2, компенсационной обмотки К1-К2. Цифра 1 обозначает начало, а 2 - конец обмотки.

Основные обозначения приведены в таблице.

УРАВНЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Основные соотношения, характеризующие работу машины в качестве генератора, можно представить в виде приведенных ниже уравнений. Эти уравнения справедливы для всех генераторов независимо от способа их возбуждения.

Уравнение равновесия напряжения. Напряжение на выводах генератора U всегда меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения, т. е.

Падение напряжения в цепи якоря состоит из двух составляющих: I_aΣr_a - падение напряжения в обмотках и ΔU_щ. - падение напряжения в щеточном контакте. Сопротивление Σr_a включает в себя сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае

где r_a, r_д, r_с, r_к - сопротивления обмоток: якоря, дополнительных полюсов, последовательной и компенсационной.

В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в (2) будет отсутствовать.

Для приближенных расчетов уравнение (1) можно упростить:

где R_a=Σr_a+r_щ. Переходное сопротивление щеточного контакта r_щ  приближенно принимается постоянным и равным

Ток якоря генератора I_a обусловлен ЭДС E и всегда имеет с ней одинаковое направление:

Уравнение баланса мощностей. Это уравнение получим, если правую и левую части (1) умножим на ток I_a:

Произведение E I_a=P_эм называется электромагнитной мощностью и представляет собой суммарную электрическую мощность, которая получается в результате преобразования механической мощности. Часть этой мощности расходуется в цепи якоря на электрические потери в обмотках (I²_aΣr_a= P_э,а) и в переходном сопротивлении щеточного контакта (ΔU_щI_a= P_э,щ).

Остальная часть мощности, равная произведению UI_a, является отдаваемой мощностью генератора. В генераторах независимого возбуждения эта мощность поступает во внешнюю сеть и представляет собой полезную мощность генератора P₂:

В генераторах параллельного и смешанного возбуждения полезная мощность P₂, отдаваемая в сеть, меньше на значение мощности, затрачиваемой на возбуждение:

К генератору от двигателя, приводящего во вращение его якорь ,подводится механическая мощность P₁. Большая часть этой мощности преобразуется в электромагнитную P_эм, а другая ее часть расходуется в генераторе на покрытие механических потерь P_мх(трение в подшипниках, вентиляцию), магнитных потерь в стали якоря P_м и добавочных потерь P_д:

Для генераторов независимого возбуждения мощность, затрачиваемая на возбуждение, поступает от постороннего источника, поэтому в левой части (7) следует принимать

Отношение P₂/P₁=η представляет собой КПД генератора.

Рассмотренное преобразование мощности в генераторах постоянного тока для наглядности можно представить в виде энергетической диаграммы (рис. 2). Эта диаграмма построена для генератора параллельного возбуждения.

Уравнение равновесия моментов. Поделив правую и левую части уравнения (7) на угловую скорость якоря Ω=2πn/60, получим уравнение момента:

или

Электромагнитный момент М в генераторе направлен против вращения и равен М=c_MI_aФ. При увеличении тока I_a возрастает электромагнитный момент и, следовательно, момент и мощность, поступаемая от приводного двигателя.

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.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Под параллельной работой понимается работа нескольких генераторов на общую нагрузку (рис. 20). Необходимость в параллельной работе возникает при переменном характере нагрузки, когда она меняется в течение суток или времен года, а также для повышения надежности элек­троснабжения потребителей.

Если выбрать генератор исходя из максимально возможной нагрузки, то в часы снижения нагрузки генератор будет работать недогруженным. КПД генератора при небольших нагрузках гораздо ниже оптимального, поэтому работа генератора при нагрузках, значительно меньших номинальной, неэкономична.

В этом случае целесообразно установить несколько генераторов и в зависимости от нагрузки включить то или иное их количество на параллельную работу. При этом можно обеспечить работу каждого генератора с нагрузкой, близкой к номинальной, с высоким КПД.

Установка одного генератора имеет еще и тот недостаток, что при выходе его из строя полностью прекращается питание нагрузки. Этот недостаток отсутствует при параллельном включении нескольких генераторов. Иногда к параллельной работе генераторов прибегают и в том случае, когда мощность нагрузки превышает предельную мощность генераторов.

При изучении параллельной работы генераторов рассмотрим: 1) условия включения генератора на параллельную работу; 2) перевод нагрузки с одного генератора на другой; 3) распределение нагрузки между работающими генераторами. Исследуем эти вопросы на примере параллельной работы двух генераторов независимого возбуждения.

Включение генератора на параллельную работу. Предположим, что первый генератор подключен к шинам и нагружен током I₁. Напряжение на шинах равно U. Включение на параллельную работу второго генератора должно быть произведено так, чтобы не нарушался режим работы сети, т.е. чтобы при включении генератора не возникали в ней большие толчки тока и напряжения. Для осуществления этого необходимо выполнить два условия:

1)   ЭДС Е₂ подключаемого генератора должна быть равна напряжению сети U. При этом согласно (4) ток в якоре генератора после его включения в сеть будет равен

I₂ = (E₂ - U)/R_a2 = 0.

Достигнуть равенства E₂ =U можно, изменив ток возбуждения I_в2 у подключаемого генератора. Контроль этого условия производится поочередным измерением напряжения в сети и на выводах генератора;

2)   полярность подключаемого генератора должна соответствовать полярности сети. Это означает, что к выводу сети, имеющему, например, полярность « + », должен быть подключен вывод генератора той же полярности. Аналогично должны подключаться выводы с полярностью «-». При невыполнении этого условия в контуре, образованном якорями генераторов, их ЭДС будут суммироваться и возникнет ток

I_к = (E₁ + E₂)/(R_a1 + R_a2),

равный току короткого замыкания на выводах машины. Напряжение на шинах при этом U=0. Ток I_к может вызвать повреждение генераторов.

Проверку соответствия полярности можно произвести двумя способами:

1)   с помощью вольтметра магнитоэлектрической системы. Направление отклонения стрелки этого прибора зависит от полярности подведенного к нему напряжения. Если измерить вольтметром напряжение в сети, а затем на соответствующих выводах генератора, то отклонение стрелки прибора в одну и ту же сторону будет свидетельствовать, что полярности одинаковые;

2)   подключением вольтметра к выводам одного ножа рубильника QS (рис. 21). Другой нож этого рубильника должен быть замкнут. При соответствии полярностей генератора и сети показание вельтметра равно нулю, а при несоответствии - 2U. При несоответствии полярностей следует поменять между собой выводы генератора или сети, подходящие к рубильнику.

Перевод нагрузки с одного генератора на другой. Если выполнены условия включения генератора на параллельную работу, то у подключенного генератора ток равен нулю. Теперь требуется часть нагрузки с первого генератора перевести на второй - подключенный. При этом необходимо сохранить напряжение на шинах неизменным (U = const). Токи нагрузки генераторов равны

I₁ = (E₁ - U)/R_a1; I₂ = (E₂ - U)/R_a2.

Для того чтобы произвести перераспределение токов при U = const, необходимо изменить ЭДС Е₁ и Е₂ путем воздействия на цепи возбуждения генераторов. Для увеличения нагрузки генератора его ток возбуждения следует повышать, а для уменьшения нагрузки - снижать. В нашем случае для перевода части нагрузки с первого генератора на второй необходимо I_в1 снижать, а I_в2 повышать. Перераспределение нагрузки можно было бы осуществить путем воздействия только на ток возбуждения одного из генераторов, но в этом случае напряжение на шинах не будет оставаться постоянным. Если в процессе работы из-за спада нагрузки потребуется один из генераторов отключить, то для этого предварительно следует его ток нагрузки перераспределить между другими работающими генераторами и только тогда, когда он станет равным нулю, произвести отключение. При переводе нагрузки следует иметь в виду, что из-за малых сопротивлений цепи якоря генераторов небольшие изменения токов возбуждения (а следовательно, и ЭДС) могут вызвать значительные изменения токов нагрузки. Поэтому при переводе нагрузки токи воз­буждения следует регулировать плавно, контролируя изменение токов в цепях якорей.

Пример. Генератор мощностью 75 кВт включен на параллельную работу с сетью при U_ном = 230 В. Номинальный ток генератора I_ном = 326 А, R_a = 0,0025 Ом. Определить ток в цепи якоря генератора, если его ЭДС увеличить на 4 % по сравнению с U_ном:

I = (E-U_ном)/R_a = 230 (1,04-1)/0,0025 = 368 A,

т.е. ток будет равен 1,13 I_ном.

Распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами. Если в процессе работы нагрузка сети будет изменяться, то при отсутствии регулировки токов возбуждения параллельно работающих генераторов распределение нагрузки между ними будет происходить в общем случае непропорционально их номинальным мощностям. На распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами существенное влияние оказывают их внешние характеристики. Предположим, что два генератора одинаковой мощности включены на параллельную работу при холостом ходе. Примем, что их внешние характеристики (кривые 1 и 2 на рис. 22), снятые отдельно для каждого из генераторов, неодинаковы.

Сильное увеличение нагрузки первого генератора повлечет за собой уменьшение частоты вращения сочлененного с ним первичного двигателя, вследствие чего процесс пойдет в обратном направлении: первый генератор будет разгружаться, а второй, наоборот, нагружаться. Таким образом может возникнуть колебательный процесс переброски нагрузочного тока с одного генератора на другой.

Чтобы исключить появление колебательного процесса, в схему включения генераторов на параллельную работу добавляют уравнительный провод ab (рис. 24), которым объединяют точки соединения последовательных обмоток возбуждения с обмотками якоря.

При наличии уравнительного провода последовательные обмотки возбуждения генераторов оказываются включенными параллельно друг другу, поэтому при увеличении тока якоря одного из генераторов ток будет распределяться между последователь­ными обмотками обратно пропорционально их сопротивлениям. При этом увеличиваются ЭДС и ток как одного, так и другого генератора и колебательного процесса происходить не будет.

При наличии уравнительного провода параллельная работа генераторов смешанного возбуждения при согласном включении обмоток протекает так же, как и других генераторов. Для улучшения работы по такой схеме сопротивление уравнительного провода следует брать минимально возможным.

• Основные законы и формулы для магнитных цепей
• Основные данные автомобильных генераторов зарубежного производства
• Принцип действия однофазных коллекторных двигателей
• Асинхронные эл. двигатели с экранированными полюсами