Коллекторные генераторы постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коллекторные генераторы постоянного тока

1. Основные понятия

мощность генератор напряжение

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

. (1)

Здесь

(2)

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

При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (2) не входят соответствующие слагаемые.

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

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодействуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

Рис. 1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока

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

. (3)

Выражение (3) -- уравнение моментов для генератора при . Умножив члены уравнения (3) на угловую скорость вращения якоря , получим уравнение мощностей:

, (4)

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

Получим

,

или с учетом (1)

, (5)

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

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

. (6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем , преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность , передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь. Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов постоянного тока. Характеристика холостого хода -- зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. от тока возбуждения :

при и .

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

 при и .

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

при и ,

где -- регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.

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

при и .

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свойства генераторов постоянного тока.

2. Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 2, а. Реостат , включенный в цепь возбуждения, дает возможность регулировать ток в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоянного тока, называемого в этом случае возбудителем.

Рис. 2. Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генератора независимого возбуждения

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

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

Нагрузочная характеристика генератора. Эта характеристика выражает зависимость напряжения на выходе генератора от тока возбуждения при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора меньше ЭДС [см. (1)], поэтому нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характеристики холостого хода 2 (рис. 3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению , отложить вверх отрезок аb, равный , и провести горизонтально отрезок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbс -- треугольник реактивный (характеристический).

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбуждения напряжение на выводах ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генератора снизится до значения . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения при . Напряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря [см. (1)] и размагничивающего влияния реакции якоря. Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения , можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: . На рис. 3 эта ЭДС представлена отрезком bе. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (bе < dе), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме х.х. для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения . Следовательно, отрезок fе, равный разности токов возбуждения , представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря.

Рис. 3. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

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

 (28.7)

ток возбуждения , компенсирующий размагничивающее действие реакции якоря, определяет катет

, (28.8)

где и -- величины, определяющие размагничивающее действие реакции якоря по поперечной и продольной осям; -- число витков в полюсной катушке обмотки возбуждения.

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

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

На рис. 4, а представлена внешняя характеристика генератора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки напряжение на выводах генератора понижается; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

. (9)

Обычно для генератора независимого возбуждения .

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

При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения устанавливают ток , при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восходящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 4, б). Постепенно уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответствующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 4, б). Нисходящая ветвь регулировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характеристикой генератора.

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

Рис. 4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора независимого возбуждения

3. Генератор параллельного возбуждения

Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины (порядка 2--3% от полного потока).

Рис. 5. Принципиальная схема (а) и характеристика х.х. (б) генератора параллельного возбуждения

При вращении якоря поток индуцирует в якорной обмотке ЭДС , под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток . Если МДС обмотки возбуждения имеет такое же направление, как и поток , то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е. .

На рис. 5, а показана схема включения генератора параллельного возбуждения, на рис. 5, б -- характеристика х.х. генератора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока возбуждения (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней .

Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс определяется из треугольника ОАВ:

, (10)

где -- масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм; -- масштаб напряжения (по оси ординат), В/мм.

Из (10) следует, что угол наклона прямой к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбуждения. Однако при некотором значении сопротивления реостата сопротивление , достигает значения, при котором зависимость становится касательной к прямолинейной части характеристики х.х. (прямая 3). В этих условиях генератор не самовозбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при которой прекращается самовозбуждение генератора, называют критическим сопротивлением, .

Следует отметить, что самовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей критическую . Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора (рис. 6), представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме х.х. от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т. е. при .

Рис. 6. Характеристика самовозбуждения

Анализ характеристики самовозбуждения показывает, что при увеличение частоты вращения якоря генератора сопровождается незначительным увеличением напряжения, так как процесса самовозбуждения нет и появление напряжения на выходе генератора обусловлено лишь остаточным намагничиванием магнитной цепи генератора. Процесс самовозбуждения начинается при . В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким ростом напряжения . Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост напряжения несколько замедляется, что объясняется магнитным насыщением генератора. Критическая частота вращения зависит от сопротивления цепи возбуждения и с ростом последнего увеличивается.

Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий: а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом; б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы МДС обмотки совпадала по направлению с потоком остаточного магнетизма ; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического; г) частота вращения якоря должна быть больше критической.

Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то и характеристика х.х. этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 7) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причина -- уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки ток увеличивается лишь до критического значения , а затем при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток начинает уменьшаться. Наконец, ток нагрузки при коротком замыкании . Дело в том, что с увеличением тока усиливается размагничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуждения), машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 5, б). Так как ток определяется напряжением на выводах генератора и сопротивлением нагрузки , т. е. , то при токах нагрузки , когда напряжение генератора уменьшается медленнее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост тока нагрузки. После того как , дальнейшее уменьшение сопровождается уменьшением тока нагрузки, так как в этом случае напряжение убывает быстрее, чем уменьшается сопротивление нагрузки .

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения

Таким образом, короткое замыкание, вызванное медленным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном к.з. магнитная система генератора не успевает размагнититься и ток достигает опасных для машины значений (кривая 2). При таком резком возрастании тока нагрузки на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Поэтому необходимо защищать генератор от перегрузки и к.з. посредством плавких предохранителей или же применением релейной защиты.

Генераторы параллельного возбуждения широко применяют в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя выгодно отличает эти генераторы от генераторов независимого возбуждения. Номинальное изменение напряжения генератора параллельного возбуждения [см. (9)] составляет 10--30%.

4. Генератор смешанного возбуждения

Генератор смешанного возбуждения (рис. 28.8, а) имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается согласно с параллельной (чтобы МДС обмоток складывались), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора.

Рис. 8. Схема включения генератора смешанного возбуждения (а) и его внешние характеристики (б)

В режиме х.х. генератор имеет только параллельное возбуждение, так как . С появлением нагрузки возникает МДС последовательной обмотки возбуждения, которая, подмагничивая машину, компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в якоре.

Внешняя характеристика в этом случае становится наиболее жесткой (рис. 8, б, кривая 2), т. е. напряжение на зажимах генератора при увеличении тока остается почти неизменным. Если же требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя (в конце линии) оставалось практически неизменным, то число витков последовательной обмотки увеличивают так, чтобы МДС этой обмотки компенсировала еще и падение напряжения в проводах линии (кривая /).

При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 3), что объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена против МДС параллельной обмотки. Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Генераторы смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения применяют для питания силовой нагрузки в случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии.

Контрольные вопросы

Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока?

Почему у генератора параллельного возбуждения изменение напряжения при сбросе нагрузки больше, чем у генератора независимого возбуждения?

Каковы условия самовозбуждения генераторов постоянного тока?

При каком включении обмоток возбуждения генератора смешанного возбуждения внешняя характеристика получается более «жесткой»?

Размещено на Allbest.ru