Синхронные машины. Машины постоянного тока

Свойства генераторов постоянного тока определяются в основном способом питания обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают генераторы:

1) с независимым возбуждением-обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;

2) с параллельным возбуждением-обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;

3) с последовательным возбуждением-обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

4) со смешанным возбуждением-имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая - последовательно с нею.

Рассматриваемые генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения, имеющие большое число витков, изготовляют из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения, имеющую небольшое число витков, - из провода большого сечения. Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Генератор с независимым возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.46) ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_а, который равен току нагрузки I_н. Величина тока I_в определяется только положением регулировочного реостата r_р.в, включенного в цепь обмотки возбуждения:

, (2.66)

где U_в - напряжение источника питания; r_в - сопротивление обмотки возбуждения; r_р.в-сопротивление регулировочного реостата.

Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1-3% от номинального тока якоря.

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Рис. 2.46. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

Характеристикой холостого хода (рис. 2.47, а) называют зависимость U₀ = f(I_в) при I_н= 0 и n = const. При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U₀ на зажимах якоря равно э.д.с. Е = с_еФn.

Обычно частота вращения якоря n поддерживается неизменной и напряжение при холостом ходе зависит только от величины магнитного потока Ф, т.е. оттока возбуждения I_в. Поэтому характеристика U₀ = f(I_в) подобна магнитной характеристике Ф = f(I_в)

Рис. 2.47 - Характеристики генератора с независимым возбуждением

Характеристику холостого хода легко снять экспериментально. Вначале устанавливают ток возбуждения таким, чтобы U₀ ? 1,25U_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 I_в = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуктируется остаточная э.д.с. Е_ост, которая составляет 2-4% от U_ном.

Внешней характеристикой (рис. 2.47, б) называют зависимость U⁼=f(I_н) при n = const и I_в = const. В режиме нагрузки напряжение генератора

, (2.67)

где ?r - сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, добавочных полюсов и компенсационной).

С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:

а) из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении ?r машины;

б) из-за уменьшения э.д.с. Е в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Изменение напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода

. . (2.68)

Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет 5-15%.

Регулировочной характеристикой (рис. 2.47, в) называют зависимость I_в = f(I_н) при U = const и n = const. Она показывает, каким образом следует регулировать ток возбуждения, чтобы поддержать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Нагрузочной характеристикой (рис. 2.48, а) называют зависимость U=f(I_в) при n = const и I_н = const. Нагрузочная характеристика при I_н = I_ном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 1), которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I_н = 0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении ?r машины. Наглядное представление о влиянии этих факторов дает характеристический, или реактивный, треугольник ABC (рис. 2.48, а). Если к отрезку аА, равному в определенном масштабе напряжению U при некотором токе нагрузки I_н, и некотором токе возбуждения I_в, прибавить отрезок АВ, равный в том же масштабе падению напряжения I_a?r в генераторе, то получим отрезок аВ, равный э.д.с. Е. При холостом ходе такая э.д.с. индуктируется в обмотке якоря при меньшем токе I'_в, соответствующем абсциссе точки С. Следовательно, отрезок ВС характеризует размагничивающее действие реакции якоря в масштабе тока возбуждения. При неизменном токе I_н катет АВ характеристического треугольника является постоянным; катет ВС зависит не только от тока I_н, но и от степени насыщения магнитной системы, т.е. от тока возбуждения I_в. Однако в ряде случаев влиянием тока возбуждения пренебрегают и принимают, что отрезок ВС пропорционален только току I_н.

Рис. 2.48 - Нагрузочная характеристика генератора с независимым возбуждением (а) и ее построение с помощью реактивного треугольника (б)

Это позволяет строить нагрузочные характеристики при разных токах, изменяя лишь величину всех сторон треугольника ABC. Если вершину С характеристического треугольника, построенного для некоторого тока I_н, совместить с характеристикой 1 холостого хода (рис. 2.48, 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 заданной величине тока I_н. Эта характеристика будет несколько отличаться от реальной характеристики 3 (которая может быть снята опытным путем), так как величина катета ВС характеристического треугольника будет изменяться вследствие изменения условий насыщения. Используя характеристику холостого хода, с помощью характеристического треугольника могут быть построены и другие характеристики генератора: внешняя и регулировочная.

Рис. 2.49 - Построение внешней характеристики генератора с независимым возбуждением с помощью характеристического треугольника

Построение внешней характеристики. При построении исходят из характеристики холостого хода 1 (рис. 2.49). Взяв точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению U_ном, 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 А_к, соответствующую номинальному току возбуждения I_в.ном.

При этом способе определения тока I_в.ном исходят из того, что под действием реакции якоря э.д.с. при нагрузке будет меньше, чем при холостом ходе, т.е. будет создаваться как бы меньшим током возбуждения. Это уменьшение тока I_в соответствует отрезку ВС, характеризующему размагничивающее действие реакции якоря. Напряжение при номинальном токе также будет меньше э.д.с. на величину падения напряжения I_а?r, которому соответствует катет АВ.

При построении искомой зависимости 2 напряжения U от тока нагрузки I = I_а ее точки могут быть легко определены: номинальному току I_а.ном отвечает номинальное напряжение U_ном (точка b), а режиму холостого хода (ток якоря равен нулю) - напряжение U₀ (точка а), равное э.д.с. при токе возбуждения I_в.ном. Другие точки (с, d и т.д.) внешней характеристики можно построить, изменяя все стороны характеристического треугольника прямо пропорционально изменению тока якоря и располагая его так, чтобы катеты А'В', А «В» и т.д. оставались параллельными оси ординат. При этом точки В, В', В» и т.д. должны располагаться на вертикальной линии А_кВ, соответствующей току возбуждения I_в.ном, а точки С, С', С» и т.д. на характеристике холостого хода. Тогда ординаты точек В', В» и т.д. будут определять величину напряжения при токах нагрузки I_а1= I_аномА'В'/AB; I_а2=I_аномА "В»/АВ и т.д.

Обычно при построении внешней характеристики 2 проводят только гипотенузы характеристических треугольников А'С', А «С» и т.д., параллельные АС, до пересечения с характеристикой холостого хода и с линией А_кВ, соответствующей току I_в.ном. Ординаты найденных точек А', А» и т.д. дадут искомые величины напряжений (т.е. точки с, d и т.д. внешней характеристики 2), при токах нагрузки

:::···=АС:А'С':А «С»: ··.

Если из точки А_к, соответствующей I_в.иом, провести прямую, параллельную АС, до пересечения с характеристикой холостого хода в точке С_к, то получим величину тока короткого замыкания I_к = I_номА_кС_к/АС, которая 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 в процессе проведения опыта может возникнуть круговой огонь.

Построенная характеристика является приближенной. Основная погрешность обусловлена тем, что размагничивающее действие реакции якоря (т.е. катет ВС) не пропорционально току якоря. Обычно приведенное построение дает несколько заниженное значение напряжения, а также тока короткого замыкания.

Построение регулировочной характеристики (рис. 2.50). Это построение начинают с того, что находят ток возбуждения, соответствующий номинальному 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 U_ном. Катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна располагаться на характеристике холостого хода 1. Абсцисса вершины А дает искомую величину тока возбуждения. Доказательство справедливости этого построения дано при построении внешней характеристики.

Проводя прямые, параллельные гипотенузе АС, получим отрезки А'С', А «С», А' «С'» и т.д., заключенные между характеристикой холостого хода 1 и прямой 2, соответствующей условию U = U_ном = const. Эти отрезки представляют собой гипотенузы характеристических треугольников при других токах нагрузки. Искомая регулировочная характеристика I_в = f(I_а) - 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.

Рис. 2.50 - Построение регулировочной характеристики с помощью характеристического треугольника

Рис. 2.51 - Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением

Достоинствами генераторов с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от нуля до U_макс 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.

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.51) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат 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

e = i_BR_B + L_Bdi_B/dt, (2.69)

где е и i_в-мгновенные значения э.д.с. Е в обмотке якоря и тока возбуждения I_в; R_в = r_в + r_р.в-суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением ?r можно пренебречь, так как оно значительно меньше R_в); L_в-суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Все члены, входящие в (2.69), могут быть изображены графически. На рис. 2.52 показаны зависимость e = f(i_в), представляющая собой характеристику холостого хода генератора ОА, и вольт-амперная характеристика сопротивления его цепи возбуждения i_вR_в = = f(i_в). Последняя представляет собой прямую ОВ, проходящую через начало координат под углом у к оси абсцисс; при этом tgг=R_в. Из (2.69) имеем

di_B/dt=(e-i_BR_B)/L_B. (2.70)

Следовательно, если имеется положительная разность (е-i_вr_в), то производная di_в/dt > 0 и происходит процесс увеличения тока возбуждения i_в. Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения будет иметь место при di_в/dt = 0, т.е. в точке С пересечения характеристики холостого хода 0А с прямой 0В. В этом режиме машина будет работать с некоторым установившимся током возбуждения I_в0 и э.д.с. Е₀= U₀.

Из уравнения (2.70) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий.

1. Процесс самовозбуждения в генераторе может начаться только в том случае, если в начальный момент (i_в = 0) в обмотке якоря индуктируется некоторая начальная э.д.с. е_нач. Такая э.д.с. может быть создана потоком остаточного магнетизма. Поэтому для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в машине имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуктирует в его обмотке э.д.с. Е_ост. Обычно поток остаточного магнетизма 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_в по обмотке возбуждения ее м. д. с. F_в должна быть направлена согласно с м. д. с. остаточного магнетизма F_ост. В этом случае под действием разности е-i_вR_в происходит процесс нарастания тока i_в, магнитного потока возбуждения Ф_в и э.д.с. е. Если указанные м. д. с. направлены встречно, то м. д. с. обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается, и процесс самовозбуждения не сможет начаться.

3. Положительная разность е-i_вR_в, необходимая для возрастания тока возбуждения i_в от нуля до установившегося значения I_в0, может иметь место только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока i_в прямая ОВ располагается ниже характеристики холостого хода ОА.

Рис. 2.52 - Характер изменения э.д.с. и тока возбуждения генератора в процессе самовозбуждения

При увеличении сопротивления цепи возбуждения Rв возрастает угол наклона у прямой ОВ к оси тока Iв и при некотором критическом значении этого угла гкр (соответствующем критическому значению сопротивления Rв.кр) прямая ОВ практически совпадет с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ? iвRв 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 R_в<.R_в.кр, то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока i_в ниже установившегося значения I_в0 или увеличении его свыше I_в0 возникает соответственно положительная или отрицательная разность (е-i_вR_в), стремящаяся изменить ток i_в так, чтобы он снова стал равным I_в0. Однако при R_в> R_в.кр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения R_в до величины, большей R_в.кр, то машина размагничивается и ее э. д. с. уменьшается до Е_ост. Если же генератор начал работать при R_в > R_в.кр, то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие R_в < R_в.кр ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора, а следовательно, и его напряжения. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления R_в можно лишь до (0,6 ч 0,7) U_ном.

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U = f(I_в) при n = const и R_в = const (рис. 2.53, кривая 1). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызщающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки (падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря), существует еще третья причина - уменьшение тока возбуждения I_в = U/R_в, который зависит от напряжения U, т.е. от тока I_н.

Рис. 2.53. Внешняя характеристика генераторов с независимым и параллельным возбуждением

Особенно наглядно видно действие причин, уменьшающих напряжение генератора при увеличении тока нагрузки, из рассмотрения рис. 2.54, на котором показано построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку D 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 характеристик 1 и 2 даст напряжение генератора U₀ при холостом ходе.

Рис. 2.54 - Построение внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением с помощью характеристического треугольника

Произведенное построение справедливо, так как:

а) ток возбуждения при номинальном режиме I_в.ном = U_ном/ R_в соответствует абсциссе точки А;

б) э. д. с. генератора при номинальной нагрузке Е_ном = U_ном + I_аном?r соответствует ординате точки В;

в) э. д. с. Е_ном можно определить по характеристике холостого хода, если взять ток возбуждения, который меньше I_в.ном на величину отрезка ВС, учитывающего размагничивающее действие реакции якоря.

При построении внешней характеристики 3, ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются величинами напряжений U₀ и U_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 1 в точках С', С» и т.д. Ординаты точек А', А» и т.д. будут соответствовать напряжениям при токах нагрузки I_а1, I_а2 и т.д., величины которых определяются из соотношения I_аном: I_а1: I_а2:… = АС: А'С': А «С»:…

Изменение напряжения генератора при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода составляет 10-20%, т.е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При коротком замыкании якоря ток I_к генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал, так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4 - 0,8) I_ном. Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока I_кр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки r_н ток I_н ? I_а? U/r_н начинает уменьшаться, так как U падает быстрее, чем уменьшается r_н. Работа на участке ab внешней характеристики (см. рис. 10-53) неустойчива; в этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий точке b, т.е. в режим короткого замыкания.

Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как для генератора с независимым возбуждением.

Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 2.55, а) ток возбуждения I_в = I_а = I_н. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.55, б, кривая 1) может быть построена по характеристике холостого хода (кривая 2) и реактивному треугольнику ABC, стороны которого увеличиваются пропорционально току I_н.

Рис. 2.55 - Схема генератора с последовательным возбуждением и его внешняя характеристика

При токах, меньших I_кр, с увеличением тока нагрузки возрастает магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, вследствие чего увеличивается и его напряжение U. Только при очень больших токах I_н > I_кр напряжение U с ростом нагрузки уменьшается, так как в этом случае магнитная система машины насыщается и небольшое возрастание потока Ф не может скомпенсировать увеличенное падение напряжения на внутреннем сопротивлении ?r. Поскольку в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе оно близко к нулю, такие генераторы непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Рис. 2.56 - Схема генератора со смешанным возбуждением и его внешние характеристики

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.56, а) имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.56, б) в первом приближении может быть представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения I_в1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки I_н (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения I_в2 = I_н, напряжение возрастает с увеличением тока I_н (кривая 2).

Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ДU_посл компенсировало суммарное падение напряжения ДU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до I_ном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2-3%. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение U_ном > U₀ (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении ?r генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы ее м. д. с. была направлена против м. д. с. параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большем числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей (кривая 5). Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Генераторы постоянного тока, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики их снабжают небольшой последовательной обмоткой (один-три витка на полюс).

При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением. Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.