Тракторный генератор с самовозбуждением. Генератор с самовозбуждением и размагничивающей обмоткой

Генераторный режим работы асинхронной машины рассматривался в § 24-5. При этом было выяснено, что асинхронный генератор потребляет реактивный намагничивающий ток для создания магнитного потока й поэтому должен работать параллельно с сетью переменного тока, к которой присоединены другие машины или установки (например, синхронные генераторы), способные снабжать

Рис. 29-6. Схема асинхронного генератора АГ с местной нагрузкой R и конденсаторной батареей С {а) и векторная диаграмма (б)

реактивным током асинхронные генераторы идругих потребителей. Наряду с этим асинхронный генератор может работать также л режиме самовозбуждения на отдельную сеть, получая реактивный ток возбуждения от конденсаторов, прнключаемых к зажимам асинхронного генератора.

"Для выяснения некоторых положений рассмотрим схему рис. 29-6, на которой изображен асинхронный генератор АГ, работающий параллельно с сетью и потребляющий из нее реактивный (индуктивный) ток l L = / . Этот ток создает в генераторе магнитное поле, в то время как активный ток 1 а, вырабатываемый генератором АГ, полностью потребляется местным Потребителем R. Приключим теперь к зажимам, генератора конденсаторы С такой емкости, чтобы потребляемый

Рис 29-7. Схема замещения самоВоз-буждающегося асинхронного генератора с нагрузкой Z at и емкостным сопротивлением конденсаторной батареи х с

ими из сети емкостный ток / с по величине был равен току I L , Очевидно, что при этом потребляемый из сети ток

Рубильник Р можно поэтому отключить, и асинхронный генератор АГ будет работать на изолированную местную сеть с приемниками RnC. Так как при этом, с одной стороны, генератор продолжает потреблять ток I L = 1 ш, а с другой стороны, конденсаторы продолжают потреблять ток / с = l h , то можно сделать следующие выводы:

1) источниками реактивного намагничивающего тока / м = /j. для генератора теперь являются конденсаторы;

2) утверждения «конденсатор потребляет из сети (или от асинхронного генератора) емкостный ток» и «конденсатор отдает в сеть (яля асинхронному генератору) индуктнвйый ток» равноценны; 3) равноценны также утверждения «асинхронная машина потребляет из сети индуктивный ток» и «асинхронная машина отдает в сеть емкостный ток».

В практике энергетических систем термины «реактивный ток» и «реактивная мощность» принято связывать с отстающим (индуктивным) током. При этом говорят, что конденсаторы отдают в сеть реактивный ток и, реактивную мощность и являются гейераторами реактивной мощности.

Из «казааиого следует, что при чисто активной нагрузке асинхронного генератора мощность конденсаторов должна равняться реактивной (намагничивающей) мощности генератора. Если же нагрузка будет иметь смешанный активно-индуктивный характер, то мощность конденсаторной батареи необходимо соответственно увеличить, чтобы она покрывала также реактивную мощность нагрузки. При смешай-ной активно-емкостной нагрузке требуется конденсаторная батарея меньшей мощности, а при определенных условиях эта батарея становится излишней.

Схема замещениа-асинхронного генератора с самовозбуждением при помощи конденсаторов и с нагрузкой Z ST изображена на рис. 29-7. На основании этой схемы могут быть найдеды все соотношения и величины, характеризующие режим работы генератора. В частности, на основе баланса реактивных мощностей с учетом потерь реактивной мощности в сопротивлениях х Л, x" oi и х ы мождо определить необходимую мощность « необходимую емкость конденсаторов. Векторная диаграмма самого асинхронного генератора с самовозбуждением имеет обычный вид и не зависит от того, откуда генератор потребляет необходимую реактивную мощность.

Рис. 29-8. К выяснению условий самовозбуждения асинхронного генератора

Выяснив в общих чертах работу асинхронного генератора с самовозбуждением в установившемся режиме, рассмотрим процесс его самовозбуждения на холостом ходу (рис. 29-8), пренебрегая активными сопротивлениями.

Ввиду наличия потока остаточного намагничивания ротора асинхронной машины, при вращении ротора в обмотке статора индуктируется некоторая э д. с. £ост (рис. 29-8). Эта э. д. с. вызывает в конденсаторах ток 1" с, который, протекая по обмотке статора машины, усиливает его магнитный поток. В результате индуктируемая э. д. с. и ток конденсатора увеличиваются и т. д.

На рис. 29-8 зависимость индуктируемой в обмотке статора генератора э. д.с. £i от намагничивающего тока в этой обмотке / м или от тока конденсатора / с = / м изображена в виде кривой холостого хода или кривой намагничивания (ж О 1 + + х м)1 с - Прямая U = х с 1 с определяет зависимость напряжения конденсатора от его тока. Процесс самовозбуждения на рис. 29-8 условно изображен ступенчатой линией. Э. д. с. остаточного намагничивания вызывает в конденсаторе ток

Очевидно, что процесс самовозбуждения асинхронного генератора во многом аналогичен процессу самовозбуждения генератора постоянного тока (см. § 9-4).

Выше предполагалось, что первоначальный толчок тока статора при самовозбуждении возникает в результате действия потока остаточного намагничивания. Вместе с тем роль первоначального толчка может сыграть также ток разряда предварительно заряженной конденсаторной батареи, наводка тока внешним магнитным полем и флуктуация электронов в цепи обмотки статора. Последние две причины на практике часто оказываются недостаточно сильными для развития самовозбуждения.

Мощность конденсаторной батареи самовозбуждающегося асинхронного генератора достаточно велика (до 70-100% от номинальной мощности генератора), что делает установку дорогой. В связи с этим такие генераторы находят в настоящее время весьма ограниченное применение. Иногда явление самовозбуждения асинхронной машины с подключенными к ней конденсаторами используется для торможения асинхронных двигателей после отключения их от сети. Торможение при этом происходит за счет потерь, возникающих в самовозбужден-ной машине и приключенных к ней сопротивлениях.

Самовозбуждение асинхронной машины возможно также при включении конденсаторов во вторичную цепь, однако этот случай ввиду малой частоты в цепи ротора малоэкономичен.

§ 29-3. Асинхронные машины с массивным ротором

Ротор асинхронной машины можно изготовить из массивной стальной поковки и без пазов. В этом случае роль обмотки ротора играет сам массивный ротор, в котором вращающееся магнитное поле будет индуктировать токи.

Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели на высокие скорости вращения (10 000-100 000 об/мин)

строятся с массивным ротором. Такие двигатели применяются в различных установках специального характера, в частности в гироскопических навигационных устройствах, и питаются током повышенной частоты (400-1000 гц).

Активное г 2 и индуктивное х л сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае / = 50 гц при пуске (s = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только около Змм, приs= 0,02 - около 20мм, npns = = 0,001 - около 100 мм. Поэтому при пуске сопротивление г 2 весьма велико и х л мало, а с уменьшением скольжения сопротивление г 2 уменьшается и х а2 увеличивается. Вследствие подобного изменения параметров геометрическое место токов машины с массивным ротором имеет вид, изображенный на рис. 29-9 сплошной линией. Для сравнения там же

штриховой линией показана круго- fy^$=/

вая диаграмма асинхронного двигателя с постоянными- параметрами.

В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик (М а /М я = 1,5-V- 2,0). Однако двигатели малой и средней мощности с массивными роторами при /= 50гц имеют низкие к. п. д. и коэффициент мощности, так как при Рис. 29-9. Геометрическое место токов скольжении s = 0,02 -з- 0,05 глу- асинхронной машины с массивным ро-бина проникновения тока и потокатором

в сталь ротора мала, активное и

магнитное сопротивления ротора магнитному потоку велики, вследствие чего двигатель имеет большое номинальное скольжение и большой намагничивающий ток. С увеличением геометрических размеров машины, а также при увеличении номинальной скорости вращения рабочие характеристики двигателя улучшаются. Так, асинхронный двигатель с массивным ротором на / = 50 гц и Р я = = 20 000 -з- 50 000 кет имел бы номинальное скольжение значительно менее 1%. В двигателях относительно небольшой мощности на высокие скорости вращения для улучшения рабочих характеристик иногда внешнюю поверхность массивного стального ротора покрывают медью. С этой же целью применяются медные кольца, прикрепленные к торцевым поверхностям массивного ротора. Роль этих колец аналогична торцовым короткозамыкающим кольцам беличьей клетки, и активное сопротивление ротора с такими кольцами уменьшается. Иногда на цилиндрической поверхности ротора выполняют также пазы, но без укладки в них обмотки. При этом площадь внешней рабочей поверхности ^ротора, нагруженной токами, увеличивается, что приводит к уменьшению активного сопротивления ротора.

§ 29-4. Линейные и дуговые асинхронные машины

Если представить себе, что обычный круглый статор асинхронного двигателя разрезан по осевой плоскости и выпрямлен в плоскость или разогнут по дуге большего радиуса, чем радиус исходного круглого статора, то получится статор линейной (рис. 29-10, о) или дуговой (рис. 29-10, б) асинхронной машины. Трехфазная обмотка такого статора создает в воздушном зазоре в пределах сердечника статора соответственно бегущее или вращающееся магнитное поле.

Движущаяся часть линейной машины называется бегуном, а движущаяся часть дуговой машины - ротором. Бегун и ротор могут иметь конструкцию, свойственную роторам нормальных короткозамкнутых асинхронных машин, т. е. иметь сердечники из листовой электротехнической стали и обмотку

Рис. 29-9. Геометрическое место токов асинхронной машины с массивным ротором

типа беличьей клетки, расположенную в пазах сердечника бегуна и ротора. Они могут быть изготовлены также массивными - из стали или чугуна, и в этом случае роль вторичной обмотки выполняет само тело бегуна или ротора." Линейную асинхронную машину можно выполнить также в виде двух статоров, обращенных друг к другу, и бегуном при этом служит проводящее тело, расположенное в зазоре между сердечниками статоров. Проводящее вторичное тело в виде шины может быть также неподвижным, а „статор" - находиться на движущемся экипаже. Такие устройства перспективны для высокоскоростного пассажирского транспорта.

Принцип действия рассматриваемых машин одинаков с принципом действия нормальных асинхронных машин: бегущее или вращающееся поле статора индуктирует в обмотке бегуна или ротора токи, в результате взаимодействия которых с магнитным полем возникают электромагнитные силы, действующие на бегун и ротор. В установившемся режиме скольжение бегуна или ротора относительно магнитного поля обычно невелико.

Особенностью дуговой машины является то, что ее скорость вращения не связана так жестко с числом пар полюсов р и частотой fi, как в нормальной асинхронной машине. Действительно, пусть статор.машины (рис. 29-10, 6) имеет р пар полюсов" и занимает дугу с центральным углом а,-За один период тока вращающееся поле перемещается на 2т или на угол ajp, а в тече» ние одной секунды поле совершает

оборотов. Выбирая различные а, полу чаем различные скорости вращения. Щщ а = 2я имеем нормальную асинхронную машину с

«i=/i/P. об/сек.

P#c. 29-10, Линейная (а) я дуговая (б) асинхронные машины

Линейные асинхронные машины можно использовать для получения возвратно-поступательного движения. При этом производится периодическое пере* ключеиие обмотки статора (изменение чередования фаз) и. машина работает в циклическом режиме ускорения, движения и торможения. Такой режим в энергети; ческом отношении невыгоден, так как в течение каждого цикла работы при уско^ рении и торможении бегуна бесполезно теряется относительно большое количество-энергии в виде тепла, выделяемого в обмотках. Количество теряемой энергии тем больше, чем больше масса бегуна и его максимальная скорость. В связи с этим Явигатели возвратно-поступатального движения не получили заметного распространения. Применение линейных и дуговых асинхронных машин и родственных им магнитогидродинамическ"их машин (см, §29-5) в качестве электрических машин специального назначения расширяется.

В линейных и дуговых асинхронных машинах возникают краевые эффекты, вызванные "уем. что их статоры не" замкнуты в кольцо и имеют конечную длину. Вследствие этого энергетические показатели линейных и дуговых машин хуже» чем у нормальных асинхронных машин.

§ 29-5. Магнитогидродинамические машины переменного тока

Одной из разновидностей магнитогидродинамических машин переменного тока являются индукционные насосы для жидких металлов, которые подразделяются на линейные и винтовые .

Линейные индукционные насосы родственны линейным асинхронным машинам (см. § 29-4) и делятся на плоские и цилиндрические.

Плоские насосы (рис. 29-11) имеют обычно два индуктора, каждый из которых состоит из сердечник-а 1 и многофазной (обычно трехфазной) обмотки 2. Между индукторами находится плоский канал прямоугольного сеченияЗ с жидким металлом. Стенки канала в зависимости от свойств жидкого металла могут быть как металлическими, так и керамическими. Между стенками канала и индукторами в большинстве случаев имеется слой тепловой изоляции. Бегущее магнитное

Рис. 29-Я. Устройство плоского линейного индукционного насоса для жидких металлов

поле индукторов наводит в жидком металле токи, и вследствие взаимодействия этих токов с магнитным полем возникают электромагнитные силы, действующие на частицы жидкого металла. В результате развивается напор, и жидкий металл прихоцвт в движение по направлению движения поля с некоторым скольжением относительно его.

Цилиндрические насосы имеют канал кольцевого сечения, внутри которого расположен сердечник без обмотки, а снаружи - с обмоткой. Обмотка создает магнитное поле, бегущее вдоль оси канала.

Представление о винтов ом индукционном насосе можно получить, если предположить, что ротор асинхронного двигателя заторможен, зубцы ротора вместе с обмоткой срезаны и в зазоре, образовавшемся между внешним и внутренним сердечниками, навит винтовой канал.

Индукционные насосы находят применение в исследовательских, транспортных и промышленных установках с ядерными реакторами на быстрых нейтронах, в которых для отвода тевда используются жидкометаллические теплоносители (натрий, кадий, их сплавы и др.). Создаются также разные установки для металлургии и Литейного производства. Все виды индукционных насосов обратимы, и насосы могут работать в режиме асинхронного генератора, если по их каналам за счет внешнего источника прокачивать жидкий металл со скоростью выше скорости движения поля. Магнитогидродинамические генераторы с жидкими металлами, а также с парами жидких металлов имеют перспективы практического применения в разных энергетических установках, в том числе с ядерными реакторами . Предложены различные конструктивные разновидности подобных генераторов. Однако на пути их создания имеются различные трудности, из которых можно отметить проблему разгона жидких металлов за счет содержащейся в них тепловой энергии.

§ 29-6. Асинхронный преобразователь частоты

Асинхронный преобразователь частоты (рис. 29-12) состоит из трехфазной асинхронной машины AM с фазным ротором и соединенного с ней приводного двигателя Д. Одна из обмоток асинхронной машины, например обмотка статора, приключается к первичной сети с частотой f lt а вторичная обмотка питает вторичную сеть током частоты скольжения f 2 = sfj.

Асинхронная машина AM работает либо в тормозном, режиме противовклю-чения, когда s > 1 и f 2 > fi. либо в режиме двигателя, когда s < 1 и f 2 > f v В двигательном режиме ротор AM вращается в направлении вращения поля, а в тормозном - против направления вращения поля. Генераторный режим работы AM в преобразователях частоты обычно не используется.

рели пренебречь потерями, то первичная мощность AM

Pi = Pbh>

а вторичная мощность, или мощность скольжения,

Механическая мощность, развиваемая двигателем Д, Pux = P2-Pi = (s-\)P 1 .

При s > 1, когда fi>f\, приводной двигатель Д работает в режиме двигателя и Р т > 0. При s > 1 двигатель Д работает в действительности в режиме генератора и Р мх < 0.

Приводным двигателем Д обычно служит асинхронный или синхронный двигатель. Если величину вторичной частоты необходимо регулировать, то возбуждение первичной обмотки AM частотой производится от вспомогательной синхронной или коллекторной машины с регулируемой частотой. Для этой же цели в качестве двигателя Д можно, использовать машину постоянного тока и регулировать скорость ее вращения. Если / а > f u то Р 2 > Pi, и для облегчения работы контактных колец и щеток в качестве первичной обмотки с током частоты ^ используется обмотка ротора. В простейшем случае, когда регулирования величины частоты f 2 не требуется, приводной синхронный или асинхронный двигатель Д и первичную обмотку AM можно питать от общей сети с промышленной частотой Д. При этом скорость вращения приводного двигателя и всего агрегата, если в случае использования асинхронного приводного двигателя, пренебречь его скольжением, равна

Ток возбуждения у большинства генераторов является частью тока якоря. При пуске в ход генератора сначала ток в якоре, а следо­вательно, и в обмотке возбуждения отсутствует, но в массивной станине всегда сохраняется небольшой магнит­ный поток Ф r остаточного намагничи­вания, равный 1-3 % нормального ра­бочего потока машины. Когда первичный двигатель вращает якорь генератора, остаточный поток индуктирует в обмот­ке якоря небольшую ЭДС. В случае ге­нератора с параллельным возбуждением эта ЭДС E я, х создает некоторый ток i B в обмотке возбуждения, а следовательно, возникает некоторая МДС возбуждения. По отношению к магнитному потоку Ф г она может быть направлена согласно или встречно, т. е. подмагничивать или размагничивать магнитопровод машины. Для самовозбуж­дения необходимо согласное направление, что имеет место при пра­вильном соединении обмотки возбуждения с якорем. При таком со­единении напряженность поля от тока возбуждения усиливает магнит­ное поле машины, а последнее индуктирует большую ЭДС в обмотке якоря. Возрастание ЭДС вызывает дальнейшее увеличение тока воз­буждения. Ограничение самостоятельного увеличения потока и тока возбуждения связано с насыщением магнитной цепи машины.

После окончания переходного процесса ЭДС в обмотке якоря Е я и ток возбуждения I в будут иметь постоянные значения. Найдем эти значения, воспользовавшись характеристикой холостого хода машины (рис. 13.26). Если пренебречь сопротивлением цепи якоря r я по сравнению с сопротивлением цепи возбуждения r в, то устано­вившийся ток возбуждения r в определяется из условия Е я = r в I в. Этому условию на графике соответствует точка пересечения характе­ристики холостого хода Е я (I B) и прямой Е я = r в I в, т. е. точка А. Тангенс угла наклона прямойЕ я = r в I в к оси абсцисс зависит от r в. Если уменьшать I в, например вводя реостат в цепь возбуждения, то точка пересечения смещается влево (А"). При достаточно большом сопротивлении цепи возбуждения, называемом критическим, машина не возбуждается.

Если в машине отсутствует остаточная намагниченность (из-за короткого замыкания или механических ударов), то для ее восстанов­ления нужен посторонний источник постоянного тока хотя бы малой мощности. Этот источник нужно на короткий срок замкнуть на обмотку возбуждения размагнитившейся машины, а затем использовать создан­ное остаточное намагничивание для нормального возбуждения.

Явления самовозбуждения используются в генераторах с параллель­ным и смешанным возбуждением.

13.10. Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением

У генератора с параллельным возбуждением часть тока якоря слу­жит для возбуждения основного магнитного поля машины (рис. 13.27). Эти генераторы наиболее часто применяются для получения постоян­ного тока, так как они не требуют дополнительного источника электро­энергии для цепи возбуждения, что существенно упрощает обслужи­вание машины; вместе с тем напряжение таких генераторов мало изме­няется из-за колебаний нагрузки.

При пуске в ход генератора с параллельным возбуждением для создания магнитного потока в магнитопроводе используется выше описанное явление самовозбуждения.

Характеристика холостого хода генератора при параллельном возбуждении практически не отличается от характеристики при неза­висимом возбуждении, так как влияние на эту характеристику изме­нения напряжения r в 1 в и реакции якоря оттока возбуждения ничтожно. Это совпадение вида характеристик имеет место и для регулировочной характеристики.

Но внешняя характеристика при параллельном возбуждении гене­ратора (а) идет значительно ниже, чем при независимом возбуждении () (рис. 13.28). Причиной этому является уменьшение тока возбужде­ния при понижении напряжения, так как I в = U / r B . При независимом возбуждении понижение напряжения между выводами генератора при увеличении тока якоря вызывается двумя причинами: увеличением напряжения на активном сопротивлении якоря и реакцией якоря. При параллельном возбуждении к этим двум причинам добавляется третья - уменьшение тока возбуждения. Пока этот ток соответствует условиям насыщения магнитной цепи генератора (пологой части маг­нитной характеристики), уменьшение ЭДС якоря меньше уменьшения тока возбуждения (рис. 13.29). В таких условиях при уменьшении сопротивления цепи нагрузки ток якоря возрастает. Но условия резко изменяются, когда в результате увеличения тока якоря и вызванного этим понижения напряжения ток возбуждения уменьшается настолько, что магнитная цепь генератора оказывается в ненасыщенном состоянии. В условиях линейной части магнитной характеристики уменьшение тока возбуждения вызывает пропорциональное уменьшение потока и ЭДС якоря, что вызывает дальнейшее уменьшение тока возбуждения, а это в свою очередь обусловливает новое по­нижение ЭДС и т. д. Имеет место своеобразное саморазмагничивание генератора, заканчиваю­щееся тем, что в машине при коротком замыкании якоря сохраняется только остаточная намагниченность, под­держивающая ограниченный (меньше номинального) ток короткого замыкания.

Ток якоря, при котором машина переходит в режим саморазмагни­чивания, называется критическим I кр. Его значение больше номиналь­ного в 2-2,5 раза. Участок внешней характеристики ниже I кр (штри­ховая линия на рис. 3.28) соответствует неустойчивому режиму.

Номинальное изменение напряжения у генератора при параллель­ном возбуждении значительно больше, чем при независимом, и состав­ляет 8-15 %.

В генераторе с последовательным возбуждением якорь соединен последовательно с обмоткой возбуждения, благодаря чему ток нагрузки является вместе с тем током возбуждения (рис. 13.30). Обмотка воз­буждения w такой машины выполняется из провода, рассчитанного на большой ток якоря; число витков такой обмотки мало.

При холостом ходе генератора с последовательным возбуждением ЭДС в обмотке его якоря будет индуктироваться только потоком оста­точного намагничивания. Следовательно, у этого генератора нельзя снять характеристику холостого хода. Отсутствует также у него и регулировочная характеристика.

Напряжение этого генератора (рис. 13.31) сначала возрастает с увеличением тока якоря. Затем вид характеристики начинает изме­няться из-за магнитного насыщения (ЭДС якоря перестает увеличи­ваться, в то время как продолжает возрастать напряжение на активном сопротивлении якоря) и размагничивающего действия реакции якоря. В результате напряжение генератора при дальнейшем возрастании нагрузки уменьшается. Из-за непостоянства напряжения генераторы с последовательным возбуждением применяются лишь в немногих специальных случаях.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбужден ния: параллельную w пар и последовательную w пос (рис. 13.32). У такого генератора напряжение остается практически постоянным при изме­нениях нагрузки в определенных пределах. Это достигается путем использования последовательного возбуждения для компенсации уве­личения падения напряжения на активном сопротивлении якоря и уменьшения тока в параллельной обмотке возбуждения, а также для компенсации размагничивающего действия якоря при увеличении тока нагрузки. Благодаря наличию обмотки последовательного воз­буждения

главный магнитный поток генератора и вместе с ним ЭДС Е я возрастают g увеличением нагрузки. Соответствующим подбором числа витков обмотки последовательного возбуждения можно достичь равенства напряжений генератора при холостом ходе и при номинальной на­грузке (кривая а на рис. 13.33).

Генератор со смешанным возбуждением удобен в установках относительно небольшой мощности для предупреждения возникнове­ния значительных изменений напряжения при отключениях отдельных потребителей. Но использование таких генераторов для параллельной работы обычно неудобно: случайное понижение частоты вращения первичного двигателя генератора может снизить ЭДС генератора до уровня, меньшего напряжения сети, из-за этого ток в якоре генератора и в его последовательной обмотке возбуждения изменит свое направле­ние, что может вызвать перемагничивание генератора и тяжелую ава­рию установки.

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике энергии.

В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Генератор параллельного возбуждения. Схема генератора параллельного возбуждения, или шунтового генератора, изображена на рис. 7.21.

Ток якоря генератора разветвляется на ток нагрузки и ток возбуждения:

причем ток возбуждения составляет 1-3% от номинального тока нагрузки.

Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения аналогична характеристике генератора независимого возбуждения. Поскольку ток возбуждения невелик, генератор можно считать ненагруженным. При необходимости получить более точную характеристику обмотку возбуждения генератора параллельного возбуждения питают от отдельного источника.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 7.22) показывает, что напряжение на его зажимах с увеличением тока нагрузки падает быстрее (кривая 1), чем при независимом возбуждении (кривая 2).

Падение напряжения на зажимах генератора объясняется тремя причинами:

• а) уменьшением среднего значения магнитной индукции в машине вследствие реакции якоря;
• б) увеличением падения напряжения внутри генератора;
• в) уменьшением (вследствие двух первых причин) напряжения, подводимого к цепи возбуждения.

Ток нагрузки генератора может быть определен по закону Ома:

где U - напряжение на зажимах генератора, равное напряжению на обмотке возбуждения; R lt - сопротивление нагрузки.

При снятии внешней характеристики увеличение тока I осуществляется за счет уменьшения сопротивления R H . Как указывалось, с увеличением тока I уменьшается напряжение U на зажимах генератора. Следовательно, при уменьшении R H одновременно уменьшается и U. При некотором значении тока нагрузки скорость уменьшения U сравнивается со скоростью уменьшения Д„ и, как очевидно из формулы закона Ома, увеличение тока прекращается. Эго максимально возможное значение тока называют критическим током 1 К . При дальнейшем уменьшении сопротивления R H напряжение U падает относительно быстрее и ток нагрузки гоже начинает уменьшаться. Поэтому для генераторов параллельного возбуждения не опасны короткие замыкания. Ток короткого замыкания / ю такого генератора обычно меньше номинального тока и создается только за счет остаточного намагничивания, поскольку напряжение на зажимах генератора, а следовательно, и напряжение, подводимое к цепи возбуждения, при коротком замыкании равно нулю.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения в пределах рабочих токов нагрузки имеет такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения. Для поддержания неизменного напряжения на зажимах генератора с возрастанием тока нагрузки необходимо увеличивать ток возбуждения, что достигается уменьшением сопротивления R B цепи возбуждения машины.

Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения находят широкое применение, особенно в качестве бортовых источников питания на подвижных объектах: кораблях, самолетах, автомобилях и т.д.

Карточка № 7.9 (177) Генераторы параллельного возбуждения

У какого генератора об- мотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря?	Независимого возбуждения
	Параллельного возбуждения
	Последовательного возбуждения
	Смешанного возбуждения
Как изменяются при па- раллельном возбуждении с увеличением нагрузки:	а) Увеличивается; б) уменьшается
	а) Уменьшается; б) уменьшается
	а) Уменьшается; б) не изменяется
	а) Не изменяется; б) не изменяется
Покажите внешнюю характеристику генератора параллельного возбуждения.	Кривая 1
	Кривая 2
Какой ток опасен для генератора параллельного возбуждения?	Ток короткого замыкания
	Критический ток
Как зависит от скоро- сти вращения якоря ток короткого замыкания генератора параллельного возбуждения?	Не зависит
	С увеличением скорости вращения якоря ток короткого замыкания генератора увеличивается

Генератор последовательного возбуждения. Генератор последовательного возбуждения, или сериесный генератор, назван так потому, что обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (схема на рис. 7.23, а). Для этого генератора / = / я = / в.

Характеристика холостого хода, характеризующая магнитные свойства системы возбуждения, может быть снята только при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика изображена на рис. 7.23, 6. Пока магнитная система не насыщена, с увеличением тока нагрузки возрастает магнитный поток и ЭДС генератора. Однако по мере насыщения магнито про вода рост ЭДС замедляется, а размагничивающее действие реакции якоря проявляется все сильнее. Поэтому напряжение, достигнув максимального значения, начинает снижаться.

Генераторы последовательного возбуждения используются сравнительно редко.

Генераторы смешанного возбуждения. Более широкое применение находят генераторы постоянного тока, у которых магнитный поток возбуждения создается двумя обмотками: шунтовой и сериесной. Это генераторы смешанного возбуждения, или компаундные генераторы (рис. 7.24), которые могут иметь согласно или встречно включенные обмотки возбуждения.

У генераторов с согласным включением обмоток напряжение почти не изменяется при изменении нагрузки. Это объясняется тем, что магнитный поток сериесной обмотки создается током нагрузки и при увеличении нагрузки возрастает, компенсируя влияние реакции якоря и увеличение падения напряжения внутри машины. Генераторы с согласным включением обмоток применяются в тех случаях, когда требуется высокая стабильность напряжения питания при изменении нагрузки в широких пределах.

Генераторы со встречным включением обмоток имеют крутопадающую внешнюю характеристику. При увеличении тока нагрузки встречный поток сериесной обмотки размагничивает машину, и напряжение генератора резко снижается. Такие машины используются в качестве сварочных генераторов, где требуется относительное постоянство сварочного тока при изменении напряжения в широких пределах вплоть до значений, близких к нулю (когда электрод касается свариваемых деталей).

Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения изображены на рис. 7.25, при согласном (кривая 1) и встречном (кривая 2) включении обмоток возбуждения.

Карточка № 7.10(208)

Генераторы последовательного и смешанного возбуждения

Как изменяются с увеличени- ем нагрузки при последовательном возбуждении: а) магнитный поток главных полюсов; б) результирующий магнитный поток генератора?	а) Увеличивается; б) уменьшается
	а) Не изменяется; б) увеличивается
	а) Увеличивается; б) увеличивается до максимума, затем уменьшается
Чем определяется величина ЭДС при холостом ходе генератора последовательного возбуждения?	Остаточным намагничиванием полюсов
	Скоростью вращения якоря
	Остаточным намагничиванием полюсов и скоростью вращения якоря
Какова основная причина, ограничивающая рост напряжения на зажимах генератора последовательного возбуждения при увеличении нагрузки?	Реакция якоря
	Падение напряжения на активном сопротивлении цепи якоря
	Насыщение магнитопро- вода
По приведенной внешней характеристике генератора смешанного возбуждения (рис. 7.25 кривая 2) опреде- лите, как включены обмотки возбуждения.	Согласно
	Встречно
Как надо включить обмотки возбуждения компаундного генератора, чтобы уменьшить влияние тока нагрузки на напряжение генератора?	Согласно
	Встречно

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1:

Выполнил: студент гр. ЭТ-21-10

Шоглев Р.Г.

Преподаватель:

Пичугин Ю.П.

Чебоксары 2012

Лабораторная работа №1

«Исследование генератора постоянного тока»

Цель работы: исследование генератора постоянного тока с различными видами возбуждения, снятие и изучение различных характеристик, в частности нагрузочная и характеристика холостого хода.

Необходимые исходные сведения

Устройство и принцип действия

На статоре машин постоянного тока (рис. 6) имеются об­мотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, а так­же обмотка якоря, расположенная на роторе.

В установившемся режиме полюсная система статора созда­ет неизменное по направлению магнитное поле, которое прони­зывает якорь. При вращении якоря в этом поле в его проводни­ках наводится переменная ЭДС. Специальное устройство - кол­лектор и щетки, которые можно рассматривать как механиче­ский выпрямитель, позволяет получить на выводах обмотки яко­ря практически постоянную во времени ЭДС.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Генераторы с независимым возбуждением

Если независимая обмотка возбуждения L1G (см. рис.1) по­лучает питание от стороннего источника постоянного тока, воз­буждение называется независимым. Обычно у крупных генера­торов таким источником служит вспомогательный генератор небольшой мощности, называемый возбудителем.

В учебной лаборатории независимая обмотка возбуждения питается от внутренней сети постоянного тока.

Генераторы с параллельным возбуждением

Обмотку возбуждения L1G можно питать от выводов об­мотки якоря самого генератора (см. рис. 2). В этом случае отпа­дает надобность в дополнительном источнике постоянного тока, что является существенным преимуществом генератора с парал­лельным возбуждением. Недостатком параллельного возбужде­ния является значительное уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки генератора.

Генераторы со смешанным возбуждением

Генераторы со смешанным возбуждением снабжаются дву­мя обмотками возбуждения: параллельной L1G и последова­тельной L2G (см. рис.З).

Применение последовательной обмотки, МДС которой про­порциональна току нагрузки, обеспечивает автоматическое уве­личение потока возбуждения с ростом нагрузки и позволяет поддерживать достаточно стабильное напряжение при измене­нии тока нагрузки в широких пределах.

Самовозбуждение генераторов

В генераторах с параллельным, последовательным и сме­шанным возбуждениями источником питания обмоток возбуж­дения является якорь самой машины (см. рис. 2, 3).

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора с парал­лельным возбуждением на холостом ходу. Магнитная система машины, будучи однажды намагниченной, сохраняет неболь­шой поток остаточного магнетизма. При вращении якоря в поле остаточного магнетизма в его обмотке возникает ЭДС Е ост, ко­торая создает в обмотке возбуждения первоначальный ток. Этот ток усиливает магнитное поле машины, вследствие чего напря­жение на зажимах якоря и обмотке возбуждения возрастает, что приводит к увеличению тока возбуждения и т.д. Таким образом, процесс самовозбуждения есть одновременное нарастание на­пряжения на выводах обмотки якоря и тока возбуждения гене­ратора. Пренебрегая сопротивлением якоря, можно считать, что ЭДС в обмотке якоря уравновешивается ЭДС самоиндукции и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки воз­буждения:

где e о - мгновенное значение ЭДС в обмотке якоря; i в - мгно­венное значение тока в обмотке возбуждения; R B , L B – активное сопротивление и коэффициент самоиндукции обмотки возбуж­дения.

Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки возбуждения и R в = i B R B с ростом тока i в растет линейно и изобра­жается (см. рис. 4) прямой ОА. Зависимость e 0 =f(i в) представля­ет собой характеристику холостого хода генератора.

При значении тока возбуждения, равного i в (рис. 5), произ­водная

Это означает, что ток i в увеличивается во время переходного про­цесса при самовозбуж­дении. В точке А пере­сечения характеристики холостого хода и пря­мой ОА , ток i в в этой точке перестает нарастать (i в =const ) и процесс самовозбужде­ния заканчивается.

Процесс самовоз­буждения ( ) возможен при выполнении следующих ус­ловий:

а) в машине должен быть поток остаточного магнетизма. При отсутствии остаточного магнетизма магнитную систему машины следует намагнитить, пропустив постоянный ток по обмотке возбуждения от постороннего источника;

б) направления потока остаточного магнетизма и потока возбу­ждения должны быть одинаковыми. Если ток в обмотке возбуж­дения создает магнитный поток, направленный встречно оста­точному, то генератор не возбуждается, нужно изменить на­правление тока в обмотке возбуждения, изменив полярность присоединения ее зажимов к обмотке якоря;

в) сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше критического. Крити­ческому сопротивления цепи обмотки возбуждения соответст­вует зависимость и R в = i B R B .КР представляющая собой касатель­ную О В к характеристике холостого хода.

Реакция якоря

Магнитное поле в машине постоянного тока создается при холостом ходе только обмоткой возбуждения (рис. 6, а). При вращении ротора по направлению стрелки в проводниках об­мотки якоря наводится ЭДС (на рис. 6, а направления ЭДС по­казаны знаками «+» и « ».

При нагрузке по обмотке якоря протекает ток. В проводни­ках обмотки якоря генератора направление тока совпадает с на­правлением ЭДС. Такое распределение тока в проводниках об­мотки якоря имеет место, когда щетки располагаются на гео­метрической нейтрали (их расположение совпадает с попереч­ной осью q). В результате возникает поле якоря. Воздействие МДС обмотки якоря на поле машины, созданное обмоткой воз­буждения, называется реакцией якоря. Пояснить, как изменяется поле машины в результате этого воздействия, мы можем с по­мощью рис.6. Поле машины при ее холостом ходе (рис, 6, а) соз­дается только МДС обмотки возбуждения. Поле якоря (рис. 6, 6) получается в машине при наличии тока только в обмотке якоря. Его поле имеет ось, совпадающую с линией расположения ще­ток. Из сопоставления рис 6,а и 6,б видно, что МДС обмотки возбуждения и обмотки якоря складываются в пределах одной половины полюса и вычитаются в пределах другой половины полюса. Из-за насыщения ферромагнитных участков, располо­женных близко к воздушному зазору (это в основном зубцы ро­тора), увеличение МДС на половине полюса не приводит к про­порциональному увеличению индукции в воздушном зазоре. В то же время на другой половине полюса, где МДС меньше, на­сыщение отсутствует. Магнитная индукция здесь уменьшается практически пропорционально уменьшению МДС. В результате при нагрузке магнитный поток Ф уменьшается. Таким образом, поперечная реакция якоря является размагничивающей.

Условия самовозбуждения такого генератора следующие:

Первое условие- заключается в том, чтобы у такого генератора существовал остаточный магнитный поток, который индуцирует первоначальную ЭДС в обмотке якоря

Такой магнитный поток обычно существует в машине вследствие остаточного намагничивания полюсов.

Второе условие- заключается в том, что, ког­да по обмотке возбуждения начинает протекать ток Iв (под дей­ствием остаточной ЭДС), магнитодвижущая сила Fв должна быть направлена согласно с Fост . Тогда под воздействием результирующей МДС, равной у генератора возрастает ЭДС . Если МДС и направлены встречно, то машина размагничивается и процесс самовозбуждения не произойдет. В этом случае необходимо изменить направление протекания тока Iв в обметке возбуждения, изменив полярность напряжения, прило­женного к ней.

Третье условие- заключается в том, чтобы со­противление цепи обмотки возбуждения было меньше некоторого значения, называемого критическим.

Принципиальная электрическая схема генератора с самовоз­буждением приведена на рис. 1.3. Генераторы данного типа имеют две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Рис. 1.3. Принципиальная электрическая схема генератора

У генераторов параллельного возбуждения цепь обмотки возбуждения подключается параллельно якорю. Ток возбуждения может быть определён:

где - сопротивление обмотки возбуждения.

Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения аналогична такой же характеристике генератора не­зависимого возбуждения.

Нагрузочная характеристика генератора параллельного воз­буждения будет располагаться ниже, чем соответствующая харак­теристика генератора независимого возбуждения из-за наличия явления саморазмагничивания.

Внешней характеристикой генератора параллельного возбуж­дения называется зависимость при и . В отличие от генераторов с независимым возбужден­ием, у которых при снятии внешней характеристики ток возбужде­ния , у генераторов параллельного возбуждения - является переменной величиной, зависящей от тока нагрузки . Это связано с тем, что при изменении изменяется напряжение на зажимах якоря генератора, к которому подключена обмотка возбуждения.

У генераторов параллельного возбуждения с ростом тока на­грузки напряжение генератора уменьшается значительнее, чем у генераторов независимого возбуждения. Это связано с тем, что помимо двух причин, вызывающих понижение напряжения U с рос­том тока нагрузки (падение напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря) существует ещё и третья причина: яв­ление саморазмагничивания. Это явление заключается в том, что с возрастанием тока нагрузки уменьшается ток возбуждения за счет понижения напряжения U из-за влияния первых двух причин.

Генератор параллельного возбуждения может быть загружен до некоторого максимального значения тока якоря . При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток нагрузки начи­нает резко уменьшаться, т.к. напряжение U падает быстрее, чем уменьшается сопротивление .Это связано с тем, что при больших токах нагрузки магнитная система переходит в ненасыщенное состояние вследствие саморазмагничивания и преобладающее значение имеют факторы, вызывающие падение напряжения на сопротивление якоря.

Ток якоря , достигнув значения начинает уменьшаться и при достигает значения тока ко­роткого замыкания генератора. Значение определяется только остаточной ЭДС и сопротивлением обмотки якоря (U=0 и I в =0 ).

Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения.

Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (см. рис. 1.3). Как правило, параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная – вспомогательной.

Обмотки возбуждения могут выключаться согласно, т.е. так, чтобы их магнитодвижущие силы складывались. Целью включения последовательной обмотки является компенсация падения напряжения на сопротивлении обмотки якоря и размагничивающего действия ре­акции якоря. За счет этой обмотки можно обеспечить автоматичес­кую стабилизацию напряжения генератора в определенном диапазоне

изменения нагрузки.

Это объясняется тем, что возрастающий ток нагрузки, протекая по последовательной обмотке возбуждения, вызывает увеличе­ние МДС этой обмотки. МДС последовательной обмотки, суммируясь с МДС параллельной обмотки, компенсирует уменьшение напряжения генератора.

Если последовательную обмотку включить встречно, так что­ бы МДС последовательной и параллельной обмоток были бы противоположно направлены, то внешняя характеристика такого генератора будет крутопадающей, поскольку рост тока нагрузки приводит к резкому уменьшению магнитного потока и ЭДС, наводимой в обмотке якоря.

Встречное включение последовательной и параллельной обмо­ток возбуждения используется в тех случаях, когда необходимо ограничить ток короткого замыкания, (сварочные генераторы и т.п.)