8. Генераторный режим работы машины

(Темы 43, 44, 45, )

8.1. Способы возбуждения генераторов

Хотя в промышленности применяют главным образом переменный ток,

генераторы постоянного тока широко используют в различных промышленных, транспортных и других установках для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения. Для вращения генераторов употребляют электродвигатели переменного тока, паровые турбины или двигатели внутреннего сгорания.

Свойства генераторов постоянного тока определяются в основном способом питания их обмоток возбуждения. В зависимости от этого различают генераторы независимого возбуждения и самовозбуждения.

.Генераторы независимого возбуждения бывают с электромагнитным возбуждением (рис. 8.1, а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника , и с постоянными магнитами. Генераторы последнего типа изготавливают для машин сравнительно малой мощности.

Рекомендуемые материалы

В зависимости от способа включения обмоток генераторы с са-мовозбуждением делят на генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного возбуждения (компаундные).

На рис. 8.1, а, б, в, г изображены принципиальные схемы гене-раторов соответственно независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Здесь Я - якорь, ОВ - обмотка возбуждения, U и U_В - напряжения на зажимах генератора и цепи возбуждения,  - ток якоря, I - ток, отдаваемый генератором в сеть,  - ток возбуждения.

В генераторе независимого возбуждения  и в общем случае . В генераторе параллельного возбуждения  и . В генераторе последовательного возбуждения , то есть возбуждение генератора зависит от его нагрузки. Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения - параллельную 0В₁ и последовательную ОB₂, МДС которых могут либо складываться, либо вычитаться. Во всех случаях на возбуждение генератора тратится 1-3 % от его номинальной мощности.

Обмотки возбуждения у генераторов параллельного возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у генераторов последовательного возбуждения - относительно малое число витков большого сечения. В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто и независимого включают реостаты  для регулирования тока возбуждения (рис. 8.1).

Мощные машины постоянного тока имеют независимое возбуждение. Машины малой и средней мощности - параллельное или смешанное возбуждение. Генераторы с последовательным возбуждением применяются крайне редко.

8.2. Энергетическая диаграмма.

Уравнение вращающих моментов.

Получаемая от первичного двигателя механическая мощность  за вычетом потерь механических  магнитных  и добавочных  преобразуется в якоре в электромагнитную мощность . Часть  тратится на электрические потери  в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), остальная представляет полезную мощность , отдаваемую потребителям.

мую потребителям. Мощность на возбуждение  поступает от постороннего источника тока.

На основании изложенного для генератора независимого возбуждения

            (8.1)

или

.                                                    (8. 2)

Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока представлена на рис. 8.2.

Если все члены уравнения (8.2) разделить на угловую скорость вращения якоря , то получим уравнение моментов для установившегося режима работы:

    (8.3)

Здесь

     (8.4)

- приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя;

                                           (8.5)

- электромагнитный момент, развиваемый якорем;

                           (8.6)

тормозной момент, соответствующий потерям на трение  магнитным и добавочным потерям , которые покрываются за счет механической мощности. В дальнейшем индекс электромагнитного момента и мощности опускаем.

В переходных периодах, когда изменяется скорость вращения, возникает динамический момент

                                               (8.7)

где  момент инерции вращающихся частей генератора. Дина-

мический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. Если момент > 0 он является тормозным. В этом случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент < 0, он действует в направлении вращения и является движущим, поддерживая вращение за счет уменьшения кинетической энергии вращающихся масс.

В общем случае, при

.                                   (8.8)

Момент

                                                            (8.9)

соответствующий статическим силам, называют статическим моментом.

Поэтому можно написать

.                                         (8.10)

В вышеприведенных формулах  - электромагнитный момент генератора по (4.14), , являющийся в генераторе тормозным моментом.

8.3. Уравнение напряжений

Нагруженный генератор постоянного тока (рис. 8.3, а) можно представить схемой (рис. 8.3, б) и, используя второй закон Кирхгофа, написать для этой схемы уравнение

,           (8.11)

где – сопротивления внешней цепи (нагрузки), переходного контакта

щетки и обмотки якоря, соответственно.

Падение напряжения  на сопротивлении внешней цепи определяет величину напряжения на зажимах машины. Поэтому, представив , уравнение (8.11) можно переписать в виде

                       (8.I2)

откуда напряжение генератора

                                (8.13)

Из (8.13) следует, что с ростом нагрузки (при той же Е) напряжение на зажимах машины падает.

Чтобы сохранить напряжение генератора постоянным при переменных нагрузках необходимо вместе с изменением нагрузки изменять и ЭДС генератора, воздействуя на ток возбуждения или скорость вращения, так как на основании (4.5) ЭДС генератора .

Из (8.13) ток нагрузки генератора

                                                (8.I4)

определяется разностью между его ЭДС и напряжением сети. Сумму внутренних сопротивлений генератора  принято считать постоянной, поскольку изменение сопротивления щеточного контакта невелико.

8.4. Генераторы независимого возбуждения

Свойства генераторов анализируют по характеристикам - зависимостям между основными величинами, определяющими работу генераторов. К таким величинам относят напряжение на зажимах , ток возбуждения , ток якоря или нагрузки , частоту вращения п. Обычно генераторы работают при .

Основные характеристики генераторов: холостого хода, короткого замыкания, внешняя, регулировочная, нагрузочная.

Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.

Характеристика холостого хода (х. х. х.) представляет зависимость напряжения или ЭДС якоря Е от тока возбуждения  при холостом ходе  и . Характеристику снимают экспериментально по схеме (рис. 8.1, а) при отключенном рубильнике.

В машине всегда имеется остаточный магнитный поток, поэтому при    на зажимах генератора  получается напряжение

 (рис.8.4). Обычно  от номинального напряжения .

При изменении тока  от  до наибольшего значения , напряжение растет по кривой 1 до значения . Обычно .

При холостом ходе якорь генератора независимого возбуждения включен только на вольтметр с относительно большим сопротивлением, поэтому можно считать, что

Зависимость  повторяет в некотором масштабе зависимость , т. е. представляет характеристику намагничивания машины. При снижении тока возбуждения кривая напряжения 2 проходит выше кривой 1 вследствие возросшего значения остаточного магнитного потока. Если при  изменить полярность возбуждения и увеличивать  в обратном направлении, кривая пройдет через точку D соответствующую значению . Вернувшись к значению тока возбуждения равному нулю получим полную петлю гистерезиса. Штриховой линией на рис. 8.4 показана расчетная x. х. х., которая имеет в начальной части прямолинейный характер вследствие того, что при малых токах возбуждения почти вся МДС идет на проведение магнитного потока через зазор, т. е. среду с постоянной магнитной  проницаемостью. Далее идет  средненасыщенная часть характеристики холостого хода - колено кривой, а затем ее сильнонасыщенная часть.

Точка N, соответствующая номинальному напряжению , обычно лежит на колене кривой, так как при работе машины на прямолинейной части кривой напряжение генератора неустойчиво, а при работе на насыщенной части кривой ограничивается возможность регулирования напряжения и возрастают магнитные потери.

По характеристике холостого хода можно судить о насыщении магнитной цепи генератора при номинальном режиме работы.

 Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) - зависимость тока якоря от тока возбуждения генератора ,  которую снимают при замыкании выходных зажимов цепи якоря накоротко ,  . Тогда из уравнения ( 8.13) следует

,                                                  (8.15)

то есть при коротком замыкании генератора его ЭДС равна только падению напряжения в цепи якоря. Обычно характеристику снимают до токов .

При  ЭДС Е обычно не превышает нескольких процентов от номинального напряжения. В этих условиях можно считать, что магнитная цепь генератора является ненасыщенной и что характеристика холостого хода на этом участке представляет прямую линию. Поэтому и характеристика короткого замыкания имеет прямую линию (рис. 8.5).

Так как в машине имеется остаточный магнитный поток, то при  в цепи якоря наводится ЭДС Е = 0в (рис.8.6) и протекает ток короткого замыкания . В крупных машинах этот ток близок к номинальному или даже больше его. Поэтому перед опытом короткого замыкания машину целесообразно размагнитить, питая обмотку возбуждения на холостом ходу током обратного  направления,  при  котором U = 0 . В  размагниченной машине характеристика короткого замыкания начинается с нуля.

Начальные ветви характеристики холостого хода и характеристики короткого замыкания дают возможность построить характеристический треугольник для какого-нибудь тока, например, номинального .

    Для этого продолжим прямые 1 и 2 (рис.8.6) до пересечения с осью абсцисс в точке , которую примем за новое начало координат. Отложим по оси ординат в масштабе  отрезок  и определим по характеристике короткого замыкания отрезок , представляющий полную МДС короткого замыкания при  выраженную в масштабе тока возбуждения .

Эта МДС должна быть достаточна, чтобы скомпенсировать МДС реакции якоря и создать ЭДС .

На оси ординат откладываем отрезок  и определяем по характеристике холостого хода ток возбуждения , необходимый для создания в обмотке якоря ЭДС Е; тогда отрезок  (рис. 8.5) представляет МДС возбуждения, компенсирующую реакцию якоря при токе . Треугольник ABC со сторонами  и  является характеристическим треугольником генератора при заданном токе короткого замыкания.

В условиях опыта короткого замыкания магнитная цепь машины не насыщена, а построенный характеристический треугольник учитывает только продольную реакцию якоря, вызванную случайным или сознательным сдвигом щеток с геометрической нейтрали и отклонением коммутации от прямолинейной.

При установке щеток на геометрической нейтрали катет треугольника равен МДС коммутационной реакции якоря и характеризует качество коммутации. При установке щеток на геометрической нейтрали и прямолинейной коммутации треугольник ABC вырождается в прямую.

По характеристическому треугольнику определяют реакцию якоря и падение напряжения в цепи якоря. Его строят для нахождения реакции якоря по экспериментальным данным и используют для построения некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально.

Внешняя характеристика выражает зависимость напряжения генератора от тока нагрузки при неизменном значении тока возбуждения:  при  .

У генераторов независимого возбуждения внешняя характеристика падающая: по мере увеличения нагрузки (тока якоря) напряжение генератора уменьшается из-за роста падения напряжения на сопротивлении якорной цепи (см. уравнение напряжения (8.13)) и размагничивающего действия МДС обмотки якоря, уменьшающей магнитный поток, а следовательно и ЭДС якорной обмотки.

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении , когда  и  (номинальный режим). При переходе к холостому ходу  (напряжение возрастает на определенную величину  (рис.8.7), которая называется номинальным изменением напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения

Точка внешней характеристики с  определяет значение тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Сопротивление мало и ток в 5-15 раз превышает , который опасен для машины, так как возникает круговой огонь, большие механические усилия и моменты вращения.

Регулировочная характеристика при  

 определяет закон изменения тока возбуждения, для поддержания величины напряжения на зажимах машины неизменным при  изменении  нагрузки. По  зависимости напряжения  на якоре от тока в нем находят характер кривой

У генераторов с независимым возбуждением регулировочные характеристики возрастающие, что объясняется падающим характером внешних.

С увеличением тока нагрузки  I ток возбуждения  не-обходимо  несколько увеличить, чтобы компенсировать падение напряжения  и действие реакции якоря. При переходе от холостого хода с  ,  к номинальной нагрузке  увеличение тока возбуждения составляет 15-25 %  (рис.8.8).

Нагрузочная характеристика показывает ту же зависимость, что и характеристика холостого хода, но при некотором токе в якоре, неизменном на протяжении опыта:  при  

Вследствие падения напряжения на сопротивлениях якорной обмотки и размагничивающего действия МДС  обмотки якоря нагрузочные характеристики генераторов независимого возбуждения проходят ниже и правее характеристики холостого хода (рис.8.9, кривая 2).

В машине, нагруженной током I , номинальное напряжение , определенное по кривой 2 (рис.8.9), равно отрезку АВ. Тот же ток возбуждения  обеспечивает на холостом ходу напряжение = AD . Разность отрезков ВА = AD - DB = - DU определяет величину напряжения машины с учетом падения на сопротивлениях якорной цепи () и размагничивающей составляющей МДС якоря СД.  Если реакция якоря отсутствует, то напряжение  в нагруженной машине обеспечивает ток возбуждения : созданное при этом напряжение U = AC за вычетом падения  дает .

Фактически номинальное напряжение U обеспечивается только током ОА. Следовательно, отрезок LA = OA – OL – есть МДС  размагничивающей реакции якоря в масштабе тока возбуждения.

Треугольник КСВ с катетами ВС = (в масштабе напряжений) и КС =  (в масштабе тока возбуждения) является характеристическим треугольником. Катет КС при ненасыщенном магнитопроводе определяет продольную составляющую МДС якоря , так как в этих условиях поперечная МДС не изменяет поля в зазоре.

В насыщенном магнитопроводе по катету находят полную МДС якоря , так как в условиях насыщения поперечная МДС становится также размагничивающей.

С помощью характеристического треугольника и характеристики холостого хода можно построить нагрузочную характеристику, не проводя опыта.

8.5. Генераторы с самовозбуждением

Самовозбуждение генераторов (см. рис. 8.1, б,в,г) произойдет при выполнении следующих условий:

1. Машина имеет остаточный магнитный поток.

2. Ток в обмотке возбуждения течет в таком направлении, что создаваемый им поток DФ совпадает с остаточным потоком увеличивая результирующее поле в зазоре.

3. Сопротивление цепи возбуждения машины меньше критического.

Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2–3 % от номинального. Магнитный поток такого значения практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную машину или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом.

Небольшая ЭДС, индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, создает в обмотке возбуждения малый ток . Ток увеличивает поток полюсов, а следовательно, и ЭДС, которая обусловливает дальнейшее увеличение   и т. д. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения.

Если подключение концов обмотки возбуждения или направление вращения якоря неправильны, то потечет ток  обратного направления, вызывающий ослабление остаточного потока и уменьшение ЭДС до нуля, вследствие чего самовозбуждение невозможно.

Понятие о критическом сопротивлении можно получить из следующих рассуждений.

Для машины, находящейся в процессе самовозбуждения, справедливо уравнение

,                                                 (8.16)

где  - напряжение на зажимах обмоток якоря и полюсов, меняющееся по характеристике холостого хода (кривая ОКА, рис. 8.10); падение напряжения на сопротивлении обмотки возбуждения, возрастающее по мере увеличения тока по прямой ОА (рис. 8.10), так как сопротивление обмотки ;

 - ЭДС самоиндукции обмотки полюсов, индуктируемая

в результате нарастания тока возбуждения.

Из уравнения (8.16) ЭДС самоиндукции:

                                                                     (8.I7)

и для некоторого значения тока  соответствует отрезку МК. Процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор, пока  > 0 и закончится при .

При данных значениях  и частоты вращения якоря машина будет устойчиво работать с напряжением в точке пересечения прямой с характеристикой холостого хода. Прямая наклонена к оси абсцисс под углом a, тангенс которого из треугольника ОАВ

,                                    (8.18)

где  соответственно масштабы тока и сопротивления.

С изменением сопротивления  угол наклона прямой ОА меняется и при некотором сопротивлении  прямая ОА становится касательной к начальной части характеристики холостого хода.

Это сопротивление  и называют критическим: дальнейшее увеличение сопротивления цепи возбуждения исключает наличие общих точек прямой  и кривой характеристики холостого хода, а вместе с этим и возможность самовозбуждения.

Если скорость вращения увеличить, то характеристика холостого хода поднимется выше (пунктирная кривая, рис. 8.10), самовозбуждение окажется возможным и машина будет устойчиво работать в точке N.

Характеристики генераторов параллельного возбуждения. Характеристика холостого хода  при  и  при параллельном возбуждении может быть снята только при одном направлении тока (рис. 8.11), регулируя его реостатом в цепи возбуждения (см. рис. 8.1, б). Попытка изменить направление тока возбуждения после уменьшения его до нуля приводит к размагничиванию машины (к уничтожению остаточной намагниченности) и исключению самовозбуждения. Так как ток  мал, то  и характер кривой характеристики холостого хода у генератора параллельного возбуждения будет таким же, как и у генератора с независимым возбуждением.

 Характеристика короткого замыкания  при  и  для генератора параллельного возбуждения может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника, как и для генератора независимого возбуждения, так как при самовозбуждении при  также равен нулю.

Внешнюю характеристику  генератора снимают при  и , то есть без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы.

У генераторов параллельного возбуждения в дополнение к двум факторам снижения напряжения, указанным для генераторов независимого возбуждения, действует третий - уменьшение напряжения на зажимах обмотки возбуждения. Вследствие этого кривая внешней характеристики более крутая (рис. 8.12).При некотором значении тока нагрузки  падение напряжения  в обмотке якоря становится настолько большим, что ток возбуждения  оказывается меньшим, чем это необходимо для поддержания заданного напряжения U, а вместе с ним и тока . Машина переходит работать на прямолинейный участок кривой намагничивания, и напряжение на ее зажимах снижается до значения, определяемого потоком остаточной намагниченности. ЭДС остаточной намагниченности определяет и величину тока короткого замыкания. Установившееся значение тока короткого замыкания

   (8.19)

значительно меньше, чем у генераторов независимого возбуждения.

 В переходных режимах эти токи значительно выше приведенных.

Регулировочную  при и  и  нагрузочную   при   и  характеристики снимают также как и у генератора независимого возбуждения. Поскольку  и  малы, то мало и  их влияние на падение напряжения в цепи якоря. Поэтому указанные  характеристики получаются практически такими же, как и у генераторов независимого возбуждения.

Характеристики генератора параллельного возбуждения мало отличаются от характеристик генератора независимого возбуждения, кроме внешней.

 В  генераторах последовательного возбуждения  и при  имеются только две независимые переменные: U и I. Вследствие этого генератор имеет только одну характеристику - внешнюю  при .

С увеличением тока I растут магнитный поток Ф и ЭДС Е. Поэтому по (8.13) с ростом тока I напряжение U растет практически линейно, при достижении насыщения рост U замедляется. При весьма больших токах I напряжение уменьшится, вследствие большой реакции якоря и большого падения напряжения  (рис.8.13).

Значительное изменение напряжения при изменении нагрузки приводит  к непригодности  этого генератора для большинства потребителей.

Генератор смешанного возбуждения при холостом ходе аналогичен генератору параллельного возбуждения, поскольку при  ток и магнитный поток последовательной обмотки равны нулю.

 Характеристика холостого хода этого генератора повторяет такую характеристику генератора параллельного возбуждения.

 Характеристику короткого замыкания можно снять при питании параллельной обмотки от постороннего источника при встречном включении обмотки последовательного возбуждения. При согласном включении обмоток ток короткого замыкания велик уже при остаточном магнитном потоке и .

Нагрузочная характеристика представляет зависимость напряжения от тока параллельной обмотки возбуждения: . При согласном включении последовательной обмотки ее МДС усиливает магнитное поле и нагрузочная характеристика проходит выше, чем в генераторах независимого и параллельного возбуждения. Встречное включение обмоток возбуждения влечет за собой уменьшение результирующего потока в зазоре машины и уменьшает напряжение на зажимах генератора.

Характеристика проходит ниже таковой генераторов других видов возбуждения. На рис. 8.14 представлены кривые: 1 - нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения при согласном соединении обмоток; 2 - характеристика холостого хода; 3 - нагрузочная характеристика генератора независимого или параллельного возбуждения.

Сопоставление внешних и регулировочных характеристик генераторов различных типов представлено на рис. 8.15. При надлежащем выборе МДС последовательной обмотки и согласном ее включении напряжение на зажимах генератора мало изменяется с изменением нагрузки (кривая 1) и можно добиться практически неизменного напряжения на выходе генератора правильным выбором количества витков последовательной обмотки.

При встречном включении последовательной обмотки возбуждения ее действие эквивалентно размагничивающему действию реакции якоря. С увеличением нагрузки напряжение на зажимах якоря падает (кривая 2).

 Встречное включение последовательной и параллельной обмоток 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.

В лекции "12 Закрепление в законодательстве правового положения осужденных" также много полезной информации.

8.6. Параллельная работа генераторов постоянного тока

(Тема 45)

Генераторы постоянного тока могут быть включены параллельно на общие шины, если их напряжение и полярность выводов одинаковы (U₁ = U₂). Перед включением нужно измерить напряжение, разность напряжений  и убедиться, что .

Распределение тока между параллельно включенными генераторами зависит от вида их внешних характеристик (рис.8.16).  Задаваясь несколькими значениями напряжений  можно найти токи  и , полный ток нагрузки  и зависимости  или .

Если их внешние характеристики совпадают, то они будут одинаково нагружены, то есть .

 При параллельном включении генераторов со смешанным возбуждением их работа может оказаться неустойчивой (при отсутствии соединения между точками а и б - рис. 8.17). При случайном увеличении  (и уменьшении ) Е₁ за счет МДС последовательной обмотки возрастет (Е₂ упадет), что приведет к еще большему возрастанию  и уменьшению . Неустойчивость может быть предотвращена электрическим соединением точек а и б (рис. 8.17), которое обеспечивает равномерное распределение тока между последовательными обмотками одинаковых генераторов.