Системы возбуждения при выпуклых характеристиках генератора

Системы возбуждения при выпуклых характеристиках генератора.

Трехобмоточный генератор

Трехобмоточным называют генератор, имеющий три обмотки возбуждения: независимую, параллельную и последовательную, действующую навстречу двум первым (см. рис. 5.5). Якоря тягового генератора G1 и возбудителя G2приводятся во вращение от дизеля, а обмотка возбуждения L4 получает питание от независимого источника (аккумуляторной батареи). Независимая обмотка возбуждения L3 тягового генератора может получать питание и от источника с постоянным напряжением, например, от аккумулятора.

Результирующая н. с. обмоток генератора

F_г=F_нез+F_пар–F_посл–F_{р я},

где F_нез=w_незi_нез – н.с. обмотки независимого возбуждения с числом витков w_нез на полюс; F_пар=w_парi_пар – н.с. обмотки параллельного возбуждения с числом витков w_пар на полюс; F_посл = w_послI_г – н.с. последовательной обмотки с числом витков w_посл на полюс; F_{р я} = к_ряI_г – н.с., эквивалентная размагничивающему действию реакции якоря, которая может быть сведена к нулю при повороте щёток от нейтрали против направления вращения якоря.

Н. с. параллельной обмотки

,

Рекомендуемые материалы

где w_пар и R_пар  – количество витков на полюс и сопротивление цепи (вместе с добавочным сопротивлением) параллельной обмотки возбуждения соответственно; R_г – сопротивление цепи якоря генератора.

Следовательно н. с. генератора

,                                  (5.2)

где .

Обозначив через λ_Г магнитную проводимость магнитной цепи генератора, получим

или .                                                                   (5.3)

Из равенства (5.3) следует, что трехобмоточный генератор удовлетворяет основным требованиям саморегулирования двигатель-генератора, так как магнитный поток уменьшается с увеличением тока нагрузки и возрастает с повышением угловой скорости.

Если магнитная цепь генератора при всех значениях магнитного потока является ненасыщенной, то магнитную проводимость и коэффициент реакции якоря можно приближенно принять постоянными.

На рис. 5.6 приведены кривые, показывающие характер зависимости магнитного потока от тока нагрузки и частоты вращения вала дизеля при ненасыщенной магнитной цепи генератора. Зависимость магнитного потока от тока является линейной.

Максимальное значение тока по равенству (5.2) получается из условия Ф_г=0, чему соответствует ток

Из сопоставления характеристик при F_нез=const и F_нез=а_нn_д видно, что во втором случае характеристики Ф_г(n_д) при прочих равных условиях круче. Изменение максимального тока в зависимости от частоты вращения вала дизеля полезно, так как позволяет получить различные пусковые токи без всяких переключений в схеме.

Влияние насыщения магнитной цепи на форму характеристик генератора удобнее выяснить путем графического построения их. Для качественного анализа, как и прежде, коэффициент к_р принимается постоянным. Из равенства (5.2) следует, что при холостом ходе (I_г =0) н. с. генератора равна сумме н. с. независимой и параллельной обмоток. Отложив по оси абсцисс отрезки (рис. 5.7) 0а=F_нез и ас=F_пар, получим э. д. с. холостого хода генератора Е_г =вс.

Угловой коэффициент прямой aв (отношение ординаты к абсциссе) определяется из равенства

.

Нетрудно убедиться, что прямая aв является линией зависимости падения напряжения в цепи параллельной обмотки от н.с., так как для любого значения н.с. параллельной обмотки F_пар=аf

,

где i_{пар 1} – ток параллельной обмотки для точки е.

При холостом ходе падение напряжения в цепи параллельной обмотки равно ЭДС генератора. Следовательно, ЭДС определяется точкой пересечения характеристики холостого хода с линией падения напряжения в параллельной обмотке, проведенной из точки а под углом β с угловым коэффициентом к_пар, зависящим только от параметров цепи параллельной обмотки.

При некотором токе нагрузки I_Г1 ЭДС генератора снижается вследствие размагничивающего влияния последовательной обмотки и реакции якоря, а также из-за уменьшения н. с. параллельной обмотки в результате снижения напряжения в ее цепи. Для опре­деления ЭДС и напряжения генератора необходимо построить треугольник в₁gd (см. рис. 5.7) с катетами в₁g=(к_{р я}+w_посл)I_г1 и gd=R_гI_г1 и расположить его так, чтобы вершина d находилась на линии aв, так как напряжение генератора равно падению напряжения в цепи параллельной обмотки. При этом ордината точки d определяет напряжение генератора и ордината точки в₁ – его ЭДС при токе I_г1.

Если провести прямую а₁в₁, параллельную aв, то

.

Следовательно, для определения ЭДС генератора при любом токе следует отложить от точки а влево отрезок аа₁, равный произведению w_посл на заданный ток, и из точки a₁ провести прямую, параллельную линии aв до пересечения с характеристикой холостого хода.

На рис. 5.8 изображено построение внутренней характеристики генератора Е_г(I_г) (левый квадрант) по двум характеристикам холостого хода при различных насыщениях магнитной цепи (правый квадрант). Из построения видно, что форма внутренней характеристики определяется формой характеристики холостого хода

Коэффициент к_ря, учитывающий размагничивающее влияние реакции якоря, можно принимать постоянным только при ориентировочных предварительных расчетах. Практически для расчета характеристик необходимо пользоваться нагрузочными характеристиками, представляющими собой зависимость Е_г или магнитного потока Е_г/n_д от намагничивающей силы F_г при различных токах нагрузки (см. рис. 5.9).

Параметры обмоток возбуждения выбираются по режимам (Е_гмакс, I_гмин) и (Е_гмин, I_гмакс) при номинальной мощности. При этом

и,

где . Так как число неизвестных больше числа уравнений, одна из величин предварительно задается. Удобно выбрать коэффициент к_пар так, чтобы угол β был немного больше угла α. Затем полученное число витков последовательной обмотки округляют до целого числа. Возможно использование двух параллельных цепей в последовательной обмотке. При этом эффективное число витков, может быть кратным 0,5.

Генератор со встречной обмоткой (противокомпаундный)

Наличие отдельного возбудителя обеспечивает зависимость магнитного потока от угловой скорости, и параллельная обмотка генератора не является в этом случае обязательной. Поэтому нередко применяют генератор с двумя обмотками: независимого возбуждения, питающейся от возбудителя, и последовательной, действующей навстречу первой (рис. 5.10). Такой генератор иногда называют противокомпаундным. Результирующая н. с. обмоток генератора

F_г=F_нез-w_послI_г-F_{р я}.

Практически характеристики генератора – Е_г/n_д =f(I_г) рассчитываются по нагрузочным характеристикам (см. рис. 5.11), причем аа₁=w_послI_г1, аа₂=w_послI_г2 и т.д.

Параметры обмоток определяются однозначно уравнениями:

F_гмакс=F_нез-w_послI_гмин

F_гмин=F_нез-w_cI_гмакс

Однако, как указывалось, число витков последовательной обмотки должно быть округлено с соответствующей корректировкой F_нез.

В сравнении с трехобмоточным генератором конструкция противокомпаундного генератора упрощается вследствие исключения высоковольтной параллельной обмотки, требующей усиленной изоляции и имеющей в результате относительно низкий коэффициент заполнения обмоточного пространства. С другой стороны, число витков последовательной обмотки, необходимое для ограничения пускового тока, в противокомпаундном генераторе должно быть больше, чем в трехобмоточном. При максимальном напряжении н. с. независимой обмотки противокомпаундного генератора примерно одинакова с суммой н. с. независимой и параллельной обмоток трехобмоточного генератора, но в трехобмоточном генераторе н. с. параллельной обмотки при пуске мала, и соответственно требуется меньшая размагничивающая н. с. В противокомпаундном генераторе н. с. последовательной обмотки близка по величине к полной н. с. независимой обмотки. В свою очередь повышение w_посл требует увеличения F_нез для получения максимальной ЭДС. Мощность возбудителя для противокомпаундного генератора больше, чем для трехобмоточного.

Кроме того, как указывалось, добавление параллельной обмотки увеличивает изменение магнитного потока при отклонении угловой скорости. Степень влияния всех указанных факторов зависит от диапазона регулирования напряжения и тока, насыщения магнитной цепи и т. д. Поэтому при проектировании конкретных видов подвижного состава следует проводить сопоставление вариантов.

Генератор с самовозбуждением

Вторым частным случаем трехобмоточного генератора можно считать генератор, у которого исключена обмотка независимого возбуждения (см. рис 5.12). При этом, как известно из теории электрических машин, генератор может возбудиться только в том случае, если при отсутствии возбуждения в магнитной цепи имеется остаточный магнитный поток.

Результирующая н. с. генератора равняется

,

где                                                                                                     (5.4)

В этом случае можно получить характеристики Е_Г/n_Д=f(I_Г) (рис. 5.13), близкие к характеристикам предыдущих вариантов систем. Число витков последовательной обмотки должно быть больше второго члена правой части равенства (5.4) и вместе с тем достаточно малым, чтобы ее н. с. не полностью компенсировала размагничивающее действие реакции якоря, так как требуемое снижение напряжения при увеличении тока является следствием реакции якоря. Параметры обмоток определяют из равенств:

Если при токе I_гмакс нагрузочная характеристика, например, проходящая через точку в₃, пересекается с соответствующей прямой а₃в₃ дважды, то это означает, что ток при напряжениях, близких к нулю, меньше максимального, что нежелательно. Это условие накладывает дополнительное ограничение на выбор числа витков последовательной обмотки. Так как размагничивающее влияние реакции якоря, от которого в основном зависит форма характеристики генератора, трудно рассчитать предварительно с достаточной точностью, целесообразно при проектировании генератора предусмотреть возможность поворота щеток с тем, чтобы при настройке характеристики генератора было возможно изменять влияние реакции якоря на магнитный поток путем поворота щеток в пределах, допустимых по коммутации

Люди также интересуются этой лекцией: 16 - Механизм возбуждения по миокардо.

Основные преимущества генератора с самовозбуждением заключаются в устранении необходимости внешнего источника энергии для питания цепи возбуждения и в отсутствии размагничивающей обмотки, что позволяет уменьшить размеры катушек полюсов.

К недостаткам системы следует отнести ограниченные возможности подбора оптимальной характеристики. Число витков последовательной обмотки мало и посредством его изменения выбрать оптимальную (по условиям использования мощности, пуска, экономичности работы теплового двигателя) характеристику трудно. Сравнительно легко можно лишь изменить сопротивление в цепи параллельной обмотки. Степень компаундирования при настройке двигатель-генератора можно осуществлять практически сдвигом щёток. Однако это может привести к ухудшению коммутации. Целесообразно комбинировать применение последовательной обмотки со сдвигом щетки. В этом случае угол сдвига уменьшается и опасность ухудшения коммутации снижается.

Генератор с самовозбуждением может возбудиться лишь при наличии остаточного магнитного потока. Если остаточный магнитный поток в результате тряски, нагревания или переходных процессов при переключениях в схеме исчезнет или станет очень малым, генератор может не возбудиться или время самовозбуждения будет очень велико. Поэтому рекомендуется либо применять в магнитной цепи материалы с большой коэрцитивной силой, либо предусматривать кратковременное независимое возбуждение при пуске (подвозбуждение).

Саморегулирование генератора по току нагрузки в рассмотренных выше системах осуществлялось за счет размещения на его полюсах нескольких обмоток и алгебраического сложения их н. с. Недостатком такого метода является увеличение размеров катушек полюсов генератора, что повышает размеры и вес генератора. Этот недостаток можно устранить путем использования аналогичных обмоток возбуждения не на тяговом генераторе, а на его возбудителе.

Преимуществом такой схемы является выполнение генератора с одной независимой обмоткой возбуждения, которая может быть рассчитана на малое напряжение возбудителя, что упрощает конструкцию, уменьшает размеры и несколько повышает надежность работы генератора. Однако при этом в качестве возбудителя нельзя использовать стандартную машину постоянного тока, а требуется специально спроектированный для этой цели возбудитель.

Подобные схемы не нашли широкого применения в связи с тем, что при использовании специальных возбудителей можно получить характеристики, более близкие к линии постоянной мощности, как показано ниже