Электрические машины - Генераторы постоянного тока

Свойства генераторов постоянного тока во многом зависят от способа возбуждения. Существуют генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением. Генераторы с независимым возбуждением могут возбуждаться от постоянных магнитов (магнитоэлектрическое возбуждение) либо от некоторого источника постоянного тока (электромагнитное возбуждение). Схема генератора с электромагнитным возбуждением представлена на рис. 6.22, а.
Генераторы с самовозбуждением различаются схемой включения обмотки возбуждения. В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 6.22, б) обмотка возбуждения включается на зажимы якоря. В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 6.22, в) обмотка возбуждения включается последовательно с якорем. В генераторе со смешанным возбуждением (рис. 6.22, г) существуют две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с обмоткой якоря.
Генераторы параллельного возбуждения весьма распространены, так как не нуждаются в специальном источнике возбуждения. Обмотка параллельного возбуждения выполняется с большим числом витков так, чтобы ток возбуждения не превысил 2¸5% от номинального тока якоря. Генераторы последовательного возбуждения практического значения не имеют вследствие неудовлетворительных характеристик. Наиболее гибкой в отношении варьирования свойств и характеристик генератора является схема смешанного возбуждения. Обмотка последовательного возбуждения (ОВП) имеет малое число витков и выполняется из провода большого сечения, так как по ней проходит ток якоря. Она может включаться согласно или встречно с параллельной обмоткой. При согласном включении МДС обмоток возбуждения складываются, а при встречном - вычитаются. Обычно применяют согласное включение, причем основная часть МДС возбуждения (60¸80%) создается обмоткой параллельного возбуждения.

Уравнения напряжения и мощности генератора

Независимо от способа возбуждения уравнение для напряжения якоря генератора может быть записано в следующем виде:
, (6.3)
где U - напряжение на зажимах якоря; Е - ЭДС якоря; - ток якоря; - сопротивление якоря; - падение напряжения на щетках.
С целью упрощения анализа часто падение напряжения на активном сопротивлении якоря и падение напряжения на щетках объединяют, полагая .
Тогда
, (6.4)
где .

Если уравнение (6.3) умножить почленно на ток якоря , то получим уравнение мощности генератора

или
,
где Р - полезная мощность генератора; - электромагнитная мощность; - электрические потери в обмотке якоря; - потери в щеточном контакте.
Учитывая, что механические потери в самом генераторе, магнитные потери в сердечнике якоря , а также добавочные потери , связанные с вращением якоря в магнитном поле, покрываются за счет механической мощности первичного двигателя , полный энергетический баланс генератора может быть представлен уравнением
. (6.5)
Этому уравнению соответствует энергетическая диаграмма, приведенная на рис. 6.23.
Коэффициент полезного действия генератора вычисляется по формуле
,

где
и составляет у генераторов средней мощности , а у генераторов большой мощности .

Характеристики генераторов независимого возбуждения

О свойствах генераторов постоянного тока судят по их характеристикам. К ним относятся характеристика холостого хода (х.х.х.), нагрузочная, короткого замыкания (х.к.з.), внешняя и регулировочная.
Характеристика холостого хода представляет собой зависимость при и .
Снятие характеристики холостого хода производится начиная с максимального напряжения (рис. 6.24). При уменьшении тока возбуждения напряжение U уменьшается по нисходящей кривой aб. В точке б () генератор вырабатывает напряжение за счет остаточного намагничивания полюсов. Если изменить полярность полюсов и увеличивать ток возбуждения в обратном направлении, то напряжение уменьшится до нуля (точка в), а затем будет возрастать по абсолютной величине. В точке г напряжение U достигает такого же (по модулю) значения, что и в точке а. Затем ток возбуждения уменьшают до нуля и, сменив полярность, увеличивают его до первоначального значения. Пунктирная линия представляет собой расчетную характеристику холостого хода , которая в относительных единицах совпадает с магнитной характеристикой . При переходе к относительным единицам в качестве базисного напряжения используют номинальное напряжение якоря , а в качестве базисного тока возбуждения соответствующий этому напряжению по характеристике холостого хода ток .
Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость при и . Обычно ток якоря принимается равным номинальному . Нагрузочная характеристика подобна характеристике холостого хода, но проходит несколько ниже ее за счет падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря (рис. 6.25). Действительно, возьмем, например, точку «b» нагрузочной характеристики, соответствующую току возбуждения . Результирующий магнитный поток при этом токе возбуждения создает в обмотке якоря ЭДС
.
Для создания этой же ЭДС в режиме х.х. требуется ток возбуждения . Величина тока определяет размагничивающее действие поля реакции якоря в масштабе тока возбуждения. Треугольник bcd является реактивным треугольником. При уменьшении тока возбуждения катет cd также уменьшается, так как снижается размагничивающее действие поперечной реакции якоря вследствие уменьшения насыщения. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то в предельном режиме, когда (в режиме короткого замыкания), катетc'd' становится равным нулю, в противном случае он определяет величину продольной реакции якоря.

Характеристика короткого замыкания определяет зависимость при и . В режиме короткого замыкания
.

Поскольку мало, то в области рабочих токов () ЭДС Е также мала. Поэтому генератор не насыщен и характеристика является линейной (рис. 6.26). Начальное значение тока якоря при без учета влияния реакции якоря определяется остаточной ЭДС генератора
.
На характеристику короткого замыкания существенное влияние оказывает ток в коммутируемых секциях. Магнитное поле коммутируемой секции действует по продольной оси, как и поле обмотки возбуждения (рис. 6.19). Величина поля коммутируемой секции определяется средним значением коммутируемого тока за период коммутации
.
Этот ток образует МДС секции
.

При прямолинейной коммутации МДС . При замедленной коммутации МДС ослабляет поле главных полюсов, а при ускоренной - усиливает. Это проявляется в наклоне характеристики короткого замыкания. В частности, при ускоренной коммутации поток, а следовательно, и ток короткозамкнутого якоря лавинообразно нарастают. Поэтому снять характеристику короткого замыкания такой машины не удается.
Внешняя характеристика генератора при и показывает зависимость напряжения генератора от тока нагрузки. Внешняя характеристика описывается уравнением
.
Вид характеристики представлен на рис. 6.27. При увеличении нагрузки напряжение генератора снижается вследствие падения напряжения в цепи якоря и размаг-

ничивающего действия поля реакции якоря. Падение напряжения при номинальном токе нагрузки определяет жесткость внешней характеристики. Чем меньше величина , тем выше жесткость внешней характеристики. Внешняя характеристика может быть построена с помощью характеристики холостого хода и реактивного треугольника (рис. 6.28). Задаваясь рядом значений тока якоря в пределах от 0 до , строят реактивные треугольники bcd, b'c'd',b²c² dОшибка! Ошибка связи. и т.д. и размещают их так, чтобы вершины d, d', d² треугольников лежали на х.х.х., а стороны сb, с'b', с²b² - на линии , при этом положение точек b, b', b² определяет напряжение U генератора.
Регулировочная характеристика при и показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным. Вид регулировочной характеристики представлен на рис. 6.29. С увеличением тока нагрузки ток возбуждения необходимо увеличивать, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие поля реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря. При изменении нагрузки от холостого хода до номинального диапазон регулирования тока возбуждения составляет
.

Регулировочная характеристика так же, как и внешняя, может быть построена с помощью х.х.х. и реактивного треугольника (рис. 6.30). Построенные для выбранных токов якоря (в пределах от 0 до 1,25) реактивные треугольники размещают таким образом, чтобы точки b, b', ... лежали на линии , а точки d, d', ... лежали на характеристике холостого хода. Проекция точек b, b', ... на ось абсцисс определяет соответствующий ток возбуждения.