Электрические машины

6.2. Генератор с параллельным возбуждением

В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 6.6) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостаг Ярегв параллельно нагрузке. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Чтобы установить их, рассмотрим процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуждения — якорь» при режиме холостого хода. Для рассматриваемого контура можно написать уравнение

где е к in — мгновенные значения ЭДС в обмотке якоря и тока возбуждения; R'B=Rn+Rj>er.B — суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением 2У? можно пренебречь, так как оно значительно меньше R_B); L_B — суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Все члены, входящие в (6.4), могут быть изображены графически. На рис. 6.7 показаны зависимость e=f(i_B), представляющая собой характеристику холостого хода генератора (кривая а),

Рис. 6.6. Принципиальная схема генератора с параллельным возбужде нием

Рис 6 7 Характер изменения ЭДС и тока возбуждения генератора в процессе самовозбуждения

и вольт-амперная характеристика сопротивления его цепи возбуждения i_BR'_B=f{i_B). Последняя представляет собой прямую Ь, проходящую через начало координат под углом у к оси абсцисс; при этом tgy=R'_B. Из (6.4) следует

diJdt = (e—i_BR'_B)fL_B. (6.5)

Следовательно, если разность (е—/_в^?'в) положительна, то di_B/dt>0 и ток возбуждения („ увеличивается. Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения имеет место при di_B/dt=O, т. е. в точке С пересечения характеристики холостого хода а с прямой Ь. В этом режиме машина работает с некоторым установившимся током возбуждения /„о и ЭДС E₀ = U₀.

Из уравнения (6.5) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий.

1. Процесс самовозбуждения в генераторе может возникнуть только в том случае, если в начальный момент, когда i_B=0, в обмотке якоря индуцируется некоторая начальная ЭДС е_нач. Такая ЭДС создается потоком остаточного магнетизма. Поэтому для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в

машине имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуцирует в его обмотке ЭДС Е_0Ст. Обычно этот поток имеется в машине из-за наличия гистерезиса в ее магнитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

2. При прохождении тока i_B no обмотке возбуждения ее МДС .Fb должна быть направлена согласно с МДС остаточного магнетизма Foct. В этом случае под действием разности е—i_BR'_B нарастают ток i_B, магнитный поток возбуждения Ф_в и ЭДС е. Если указанные МДС направлены встречно, то МДС обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается и процесс самовозбуждения не сможет начаться.

3. Разность е—i_BR'_B, необходимая для возрастания тока возбуждения i_B от нуля до установившегося значения /„о, положительна, только если в указанном диапазоне изменения тока i_B прямая ОВ располагается ниже характеристики холостого хода. При увеличении сопротивления цепи возбуждения R'_B возрастает угол у прямой ОВ к оси тока /_в и при некотором критическом значении угла ^кр, соответствующем критическому значению сопротивления ^_в.кр, прямая ОВ практически совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае e«i_B/?'_B и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было меньше критического значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что У?'_в< <#в.кр, то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока t_B ниже установившегося значения /_во или превышении /_в0 возникает соответственно положительная или отрицательная разность (е—i_BR'_h), стремящаяся изменить ток i_B так, чтобы он снова стал равным /_в0. Однако при R'b>Rb._Kj> устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения R'_B до значения, большего R_B._KV, то машина размагничивается и ее ЭДС уменьшается до Е_ост. Если же генератор начал работать при R'_b>R_b.kp, то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие R'_b<Rb.kp ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора, а следовательно, и его напряжения. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления R'_B можно лишь до (0,6...0,7) [/ном-Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U=f(I_H) при n=const и /?_B=const (рис. 6.8, кривая 1). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки (падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря), существует еще третья причина — уменьшение тока возбуждения J_B=U/R'_S,

который зависит от напряжения U, снижающегося при возрастании тока /_н.

Особенно наглядно видно действие причин, уменьшающих напряжение генератора при увеличении тока нагрузки, из рис. 6.9, на котором показано построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, параллельную оси абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника; катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна лежать на характеристике холостого хода 1. Через начало координат и вершину А проводят прямую 2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является вольт-амперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения. Ордината точки пересечения Е ха-

Рис. 6.8. Внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением

рактеристик / и 2 дает напряжение генератора Uo при холостом ходе.

Произведенное построение

справедливо, так как: а) ток возбуждения при номинальном режиме /в.ном=^ном/Лв соответствует абсциссе точки А; б) ЭДС генератора при номинальной нагрузке £_Ном=£/_Ном + /аном2# соответствует ординате точки В; в) ЭДС Е_НОи можно определить по характеристике холостого хода, если на оси ординат отложить ток возбуждения, который меньше /в.ном на отрезок ВС, учитывающий размагничивающее действие реакции якоря.

Точки а и Ь внешней характеристики 3, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются значениями напряжений и₀ и [/ном- Промежуточные точки получают, проводя прямые А'С, А"С" и т. д., параллельные гипотенузе АС, до пересечения с вольт-амперной характеристикой 2 в точках А', А" и т. д., а также с характеристикой холостого хода / в точках С', С" и т. д. Ординаты точек А', А" и т. д. соответствуют напряжениям при токах нагрузки /оь /оз и т. д., которые определяются из соотношения Ллнш : Ли : /а2: ••• —АС: А С :А"С" :.... Изменение напряжения генератора при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода составляют 10... 20%, т. е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При коротком замыкании якоря ток /_к генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал, так как в этом режиме на-

пряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток короткого замыкания создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4... 0,8)/„ом-

Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока /_кр. При дальнейшем снижении сопротивления на-

Рис. 6.9. Построение внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением

грузки R_a ток I_B»Ia7aU/R_u начинает уменьшаться, так как U падает быстрее, чем уменьшается J?_H- Работа на этом участке внешней характеристики (рис. 6.8) неустойчива; машина переходит в режим работы, соответствующий точке /_к, т. е. в режим короткого замыкания.

Максимальный (критический) ток генератора с параллельным возбуждением зависит от тока возбуждения или, точнее, от сопротивления в контуре обмотки возбуждения. Это положение иллюстрирует рис. 6.10, где показаны внешние характеристики генератора,

Рис. 6.10. Определение нагрузочной способности генератора с параллельным возбуждением

построенные при двух значениях сопротивления в цепи обмотки возбуждения. Максимальный ток нагрузки определяется следующим путем. Проводится прямая, параллельная вольт-амперной характеристике сопротивления в цепи обмотки возбуждения, касательная к характеристике холостого хода. Через точку касания С проводится прямая, паралллельная гипотенузе СА характеристического треугольника, до пересечения в точке А' с вольт-амперной характеристикой сопротивления. Отрезок А'С является гипотенузой наибольшего характеристического треугольника, вследствие чего А'С: ЛС^/_кр: /н-

Отношение максимальных токов нагрузки при различных сопротивлениях в цепи возбуждения равно отношению максимальных гипотенуз /_kpi:/kp2 = —А'С': А"С". Следовательно, чем ближе вольт-амперная характеристика к прямолинейному участку характеристики холостого хода (где отсутствует насыщение), тем меньше нагрузочная способность генератора.

Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же вид, как для генератора с независимым возбуждением. На практике довольно часто приходится применять генератор постоянного тока для питания индивидуальной нагрузки (например, обмотки возбуждения синхронного генератора), причем требуется регулирование тока нагрузки и выходного напряжения в широких пределах. В этом случае можно применить генератор с параллельным возбуждением, если в цепь возбуждения поставить специальный регулятор (например, импульсный), который может изменять напряжение на обмотке возбуждения, питаясь от якоря той же машины. При наличии регулятора в цепи обмотки возбуждения напряжение на ней равно

где U — напряжение на якоре генератора; а — коэффициент регулирования (коэффициент сигнала).

На рис. 6.11 показаны характеристики холостого хода и зависимость U=f(I_B) для генератора, нагруженного на постоянное сопротивление. Для устойчивой работы генератора на ненасыщенной части характеристики нужно иметь обмотку возбуждения с сопротивлением, вольт-амперная характеристика которого должна проходить ниже кривой U—f(I_B). Напряжение якоря на прямолинейной части характеристики можно представить в виде

Рис. 6.11. Характеристика холостого хода и зависимость U=f(I_t) для генератора, нагруженного на постоянное сопротивление

Ток возбуждения из (6.6)

/_B=aU/R_B. (6.8)

Подставляя значение /„ из (6.8) в (6.7) и решая относительно U, получим

LJ=E₀J(\-ac/R_B), (6.9)

т. е. напряжение U является монотонной однозначной функцией коэффициента регулирования а, что обусловливает статическую устойчивость регулирования.

Значение тока нагрузки максимально при а= = 1, т. е. в режиме, соответствующем точке, в которой вольт-амперная характеристика сопротивления R_B пересекается с кривой U=f(I_B).

Устойчивая работа генератора с параллельным возбуждением на ненасыщенной части характеристики при наличии регулятора тока возбуждения возможна и в некоторых других случаях.

Рис. 6.12. Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)

Содержание
Предыдущий § Следующий