Содержание
Предыдущий § Следующий
6 Генераторы постоянного тока
Свойства генераторов постоянного тока определяются в основном способом питания их обмоток возбуждения. В зависимости от этого различают генераторы:
с независимым возбуждением — обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;
с параллельным возбуждением — обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;
с последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;
со смешанным возбуждением — имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая — последовательно с ней.
Рассматриваемые генераторы имеют сходное устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения с большим числом витков изготовляются из провода малого сечения, а обмотки последовательного возбуждения с большим числом витков — из провода большого сечения. Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.
6.1. Генератор с независимым возбуждением
В генераторе с независимым возбуждением (рис. 6.1) ток возбуждения /в не зависит от тока якоря 1а, равного току нагрузки /н. Ток /в определяется только положением регулировочного реостата •Ярег.в, включенного в цепь обмотки возбуждения:
где UB — напряжение источника питания; RB — сопротивление обмотки возбуждения; /?рег.в — сопротивление регулировочного реостата.
Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1...3% от номинального тока якоря.
Свойства электрических машин описываются нелинейными зависимостями, которые часто изображаются графически — характеристическими кривыми или сокращенно характеристиками.
Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.
Характеристика холостого хода (рис. 62> а) — зависим°сть U0=f(IB) при /н=0 и п=const. При холостом ходе машины, когда
Рис. 6.1. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением
Рис. 6.2. Характеристики генератора с независимым возбуждением:
а — характеристика холостого хода; б — внешняя характеристика; в — регулировочная характеристика
цепь нагрузки разомкнута, напряжение Uo на зажимах якоря равно ЭДС Е = Сефп. Обычно частота вращения якоря л поддерживается неизменной и напряжение при холостом ходе зависит только от магнитного потока Ф, определяемого током возбуждения /в. Поэтому характеристика U0 = f(h) подобна магнитной характеристике Ф=Д/в). Характеристику холостого хода легко снять экспериментально. Вначале устанавливают /в таким, чтобы Uo примерно равнялось 1,25^ноМ; затем уменьшают ток возбуждения до нуля и. снова увеличивают до прежнего значения. При этом получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики, выходящие из одной точки. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При /в=0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная ЭДС £ост, которая составляет 2.. .4% от [/«ом-Довольно часто (при рассмотрении общих закономерностей) различием в восходящей и нисходящей ветвях пренебрегают, так же как и значением ЭДС £Ост; в этом случае рассматривают усредненную характеристику холостого хода, проходящую через начало координат (пунктирная линия на рис. 6.2, а).
Внешняя характеристика (рис. 6.2, б) — зависимость U—f(IH) при n=const и /B=const. В режиме нагрузки напряжение генератора
где 2R — сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, добавочных полюсов и компенсационной обмотки).
Рис. 6.3. Нагрузочная характеристика генератора с независимым возбуждением (а) и ее приближенное построение с помощью характеристического треугольника (б)
С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:
из-за падения напряжения в сопротивлениях обмоток машины;
из-за уменьшения ЭДС Е в результате размагничивающего действия реакции якоря.
Изменение напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода
Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет 5... 15%.
Регулировочная характеристика (рис. 6.2, в) — зависимость /в = /(/н) при £/=const и rt = const. Она показывает, каким образом следует регулировать ток возбуждения, чтобы поддержать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. В этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.
Нагрузочная характеристика (рис. 6.3, а) — зависимость U — =/(/в) при n=const и /H=const. Нагрузочная характеристика при /н=/ном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая /), которую можно рассматривать как частный слу-
чай нагрузочной характеристики при /н=0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения в сопротивлениях машины. Наглядное представление об этих факторах дает характеристический, или реактивный, треугольник ABC (рис. 6.3, а). Если к отрезку аА, равному в определенном масштабе напряжению U при некоторых токах нагрузки /н и возбуждения /„, прибавить отрезок АВ, равный в том же масштабе падению напряжения /а2/? в генераторе, то получится отрезок аВ, равный ЭДС Е. При холостом ходе такая ЭДС индуцируется в обмотке якоря при меньшем токе /'в, соответствующем абсциссе точки С. Следовательно, отрезок ВС характеризует размагничивающее действие реакции якоря в масштабе тока возбуждения. При неизменном токе /н катет АВ характеристического треугольника постоянен; катет ВС зависит не только от тока нагрузки /н, но и от
Рис. 6.4. Приближенное построение внешней характеристики генератора с независимым возбуждением с помощью характеристического треугольника
степени насыщения магнитной системы, т. е. от тока возбуждения /8. Однако в ряде случаев влиянием тока
возбуждения пренебрегают и считают, что отрезок ВС пропорционален только току /н. Это позволяет строить нагрузочные характеристики при разных токах, изменяя лишь длины всех сторон треугольника ABC. Если вершину С характеристического треугольника, построенного для некоторого тока /„, совместить с характеристикой 1 холостого хода (рис. 6.3, б), а затем перемещать треугольник по этой характеристике так, чтобы катет ВС оставался параллельным оси абсцисс, то след вершины А даст приближенно искомую нагрузочную характеристику 2 при заданном токе 1«. Эта характеристика несколько отличается от реальной характеристики 3 (которая может быть определена опытным путем), так как катет ВС характеристического треугольника изменяется под влиянием условий насыщения. Используя характеристику холостого хода, с помощью характеристического треугольника могут быть построены и другие приближенные характеристики генератора: внешняя и регулировочная.
При построении внешней характеристики исходят из характеристики холостого хода / (рис. 6.4). Взяв точку на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению £Люм, проводят через нее прямую AD, параллельную оси абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника, снятого
при номинальном токе якоря, так, чтобы катет АВ был параллелен оси ординат, а вершина С находилась на характеристике 1. Затем, опустив перпендикуляр из вершины А на ось абсцисс, находят точку Ак, соответствующую номинальному току возбуждения /в. ном.
При этом способе определения тока /в.ном исходят из того, что из-за действия реакции якоря ЭДС при нагрузке меньше, чем при холостом ходе; это можно интерпретировать как уменьшение тока возбуждения. Это уменьшение тока /в соответствует отрезку ВС, характеризующему размагничивающее действие реакции якоря. Напряжение при номинальном токе также меньше ЭДС на значение падения напряжения /а2/?, которому соответствует катет АВ.
При построении зависимости 2 напряжения U от тока нагрузки /н=/а ее точки могут быть определены следующим путем: номинальному току /оном соответствует номинальное напряжение .(/ном (точка Ь), а режиму холостого хода (ток якоря равен нулю) — напряжение Uo (точка а), равное ЭДС при токе возбуждения /в.ном. Другие точки (с, d и т. д.) внешней характеристики можно построить, изменяя у характеристического треугольника все стороны прямо пропорционально изменению тока якоря и располагая его так, чтобы катеты А'В', А"В" и др. оставались параллельными оси ординат. При этом точки В, В', В" и др. должны располагаться на вертикальной линии АкВ, соответствующей току возбуждения /в.ном, а точки С, С, С" и др.— на характеристике холостого хода. Тогда ординаты точек А', А" и т. д. определяют напряжение при токах нагрузки 1а\=1анопУ.А'В'1АВ; 1а2 = 1аНомХА"В"/АВ и т. д.
Обычно при построении внешней характеристики 2 проводят только гипотенузы характеристических треугольников А'С, А"С" и др., параллельные АС, до пересечения с характеристикой холостого хода и с линией АкВ, соответствующей току /в.ном- Ординаты найденных точек А', А" и т. д. (т. е. точки с, d и т. д. внешней характеристики 2) дадут искомые напряжения при токах нагрузки
'а ном '• 'al '• 'а2 '• ••• ==AL. '.АС '.А С '. ...
Если из точки Ак, соответствующей /в.ном, провести прямую, параллельную АС, до пересечения с характеристикой холостого хода в точке Ск, то получится ток короткого замыкания/к = /номЛкСк/ЛС, который в 5...15 раз превосходит номинальный ток. Зная ток короткого замыкания, можно рассчитать максимальный момент и механическую прочность вала, выбрать аппаратуру защиты и т. д. Экспериментальное определение тока короткого замыкания затруднительно, так как при проведении опыта может возникнуть опасное искрение под щетками и круговой огонь.
Характеристика, приведенная на рис. 6,4, является приближенной. Основная погрешность обусловлена тем, что размагничивающее действие реакции якоря (катет ВС) не пропорционально току якоря. Обычно приведенное построение дает несколько заниженное значение тока короткого замыкания.
Построение регулировочной характеристики (рис. 6.5) начинают с того, что находят ток возбуждения, соответствующий номи-
нальному напряжению при холостом ходе. Чтобы определить ток возбуждения при номинальном токе нагрузки, вершину А характеристического треугольника (соответствующего номинальной нагрузке) располагают на прямой 2, параллельной оси абсцисс и находящейся от нее на расстоянии £/Ном. Катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна располагаться на характеристике холостого хода 1. Абсцисса вершины А дает искомое значение тока возбуждения. Доказательство справедливости этого положения дано при построении внешней характеристики.
Проведя прямые, параллельные гипотенузе АС, получим отрезки А'С, А"С", А'"С" и т. д., заключенные между характеристикой холостого хода / и прямой 2, соответствующей условию U=UH0M=const. Эти отрезки представляют собой гипотенузы характеристических треугольников при других токах нагрузки. Искомая регулировочная характеристика /в=/(/н)—кривая 3— построена в нижнем координатном углу. Значения тока возбуждения определяются абсциссами точек А, А', А" и т. д., которым соответствуют токи нагрузки, пропорциональные длинам отрезков АС, А'С, А"С" и т. д.
Достоинствами генераторов с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от О до f/max путем изменения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако такие генераторы требуют наличия внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.
Рис. 6.5. Построение регулировочной характеристики с помощью характеристического треугольника
 |
|
|
|