Генераторы параллельного возбуждения
Определение. Генераторами параллельного возбуждения называют генераторы, обмотка возбуждения которых питается от ЭДС обмотки якоря и подключена к выводам якоря машины параллельно цепи нагрузки.
Схема генератора параллельного возбуждения. Схема изображена на рис. 1.20. Ток якоря IЯ = I + IВ у щеток разветвляется на ток нагрузкиI и ток возбуждения IВ . Обычно ток возбуждения невелик и составляет (0,01-0,05) IЯ.НОМ . Последовательно с обмоткой возбуждения включается реостат RP для регулирования возбуждения. Реостат позволяет изменять ток возбуждения и, следовательно, напряжение генератора.
Характеристика холостого хода генератора с самовозбуждением всегда снимается при независимом возбуждении (обмотка возбуждения отключается от якоря и запитывается от постороннего источника) и поэтому аналогична характеристике холостого хода генератора с независимым возбуждением.
Самовозбуждение генератора. Так как обмотка возбуждения подключена к выводам якоря, то важное значение имеет процесс первоначального возникновения ЭДС, называемый процессом самовозбуждения.
Рассмотрим процесс самовозбуждения при отключенной нагрузке генератора, т.е. при холостом ходе.
Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток (примерно 2-3% номинального). При вращении якоря в поле остаточного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый ток в обмотке возбуждения. При соответствующем направлении он увеличивает остаточный магнитный поток, ЭДС в якоре возрастает и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи.
Однако процесс самовозбуждения может развиваться только при определенных условиях, называемых условиями самовозбуждения. Выясним эти условия. Уравнение второго закона Кирхгофа для цепи возбуждения имеет вид: Е + еL= (Rв + Rя)iв, где еL= – d (Liв) /dt – ЭДС самоиндукции цепи возбуждения, возникающая при нарастании тока возбуждения;
L – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря; Rв — сумма сопротивлений обмотки возбуждения и регулировочного реостата.
Так как Rя « Rв, то уравнение принимает вид:
Eя=Rв iв +
Покажем на графике характеристику холостого хода Е = f (Iв) и характеристику цепи возбуждения – прямую Uв = Rв Iв
(рис. 1.21). Отрезок аб, равный Е – Rв Iв = d (Liв) /dt, пропорционален ЭДС самоиндукции цепи возбуждения. Из графика следует, что в точке в пересечения характеристик d (Liв) /dt = 0 рост тока возбуждения прекращается Uв = E и процесс самовозбуждения заканчивается. Положение точки в, называемой рабочейточкой, зависит от сопротивления цепи возбуждения Rв » tgα. Чем оно больше, тем прямая Uв = f (Iв) идет круче и рабочая точка перемещается влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения Rв, кр = tg αкр, называемом критическим, напряжение на выводах генератора близко к остаточной ЭДС Ео и генератор не возбуждается.
Из сказанного вытекают условия, при которых генератор должен возбуждаться:
Ø наличие остаточной намагниченности;
Ø совпадение по направлению остаточного магнитного поля и поля, создаваемого обмоткой возбуждения (несовпадение полей может быть при неправильном подключении выводов обмотки возбуждения или при несоответствующем направлении вращения якоря);
Ø сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;
Ø скорость вращения якоря должна быть выше критической скорости.
Внешняя характеристика. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения U= f (I) при Rв = const и n = nном = const (рис. 1.18, кривые 2 и 2а) отличается от внешней характеристики генератора независимого возбуждения более резким снижением напряжения при увеличении нагрузки. Это объясняется следующим образом: уменьшение напряжения по тем же причинам, что и у генератора независимого возбуждения, приводит к уменьшению тока возбуждения, дополнительному уменьшению ЭДС генератора. При номинальной нагрузке снижение напряжения относительно напряжения холостого хода составляет 10-18%.
Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика генератора Iв = f (I) при U= Uном = const и n = nном = const аналогична регулировочной характеристике генератора независимого возбуждения (рис. 1.19, кривая 2), но идет несколько круче, что объясняется более значительным уменьшением напряжения генератора.
Мир науки
Самовозбуждение генератора с параллельным возбуждением происходит при соблюдении следующих условий:
1) наличия остаточного магнитного потока полюсов;
2) правильного подключения концов обмотки возбуждения или правильного направления вращения.
Кроме того, сопротивление цепи возбуждения Rз при данной скорости вращения n должен быть меньше некоторого критического значения или скорость вращения при данном Rз должна быть выше некоторой критической величины [2].
Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2-3% от номинального. Остаточный поток такой величины практически всегда у машины, которая работала. Машину, которую только изготовили, или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника питания.
При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Небольшая ЭДС, индуцируется в якоре остаточным магнитным потоком, вызывает в обмотке возбуждения малый ток С. Этот ток вызывает увеличение потока полюсов, как следствие, увеличение ЭДС, обусловливает дальнейшее увеличение тока возбуждения С 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 неправильные, то возникает ток С обратной направления, вызывает ослабление остаточного потока и уменьшения ЭДС, вследствие чего самовозбуждения невозможно. В таком случае необходимо переключить концы обмотки возбуждения или изменить направление вращения. О соблюдении этих условий можно убедиться, следя с помощью вольтметра с малыми пределами измерения по напряжению якоря при замыкании и размыкании цепи возбуждения.
Полярность зажимов генератора при самовозбуждении определяется полярностью остаточного потока. Если при заданном направления вращения полярность генератора необходимо изменить, то нужно перемагнитить машину путем подачи тока в обмотку возбуждения от постороннего источника.
Рассмотрим подробнее процесс самовозбуждения на холостом ходу.
На рис. 2.14, а кривая 1 является характеристикой холостого хода (ХХ), а прямая 2 — так называемой характеристикой цепи возбуждения или зависимости Uз = RзИз, где Rз = const — сопротивление цепи возбуждения, включая сопротивление регулировочного реостата.
§5.3. Генераторы постоянного тока. Основные характеристики
Генератор независимого возбуждения.
Основные статистические характеристики генераторов анализируются при постоянной угловой скорости приводного двигателя. Характеристика х.х. Eя= f(Iв)при Iя= 0 генератора независимого возбуждения () изображена на .
Вид такой характеристики можно наиболее просто объяснить на основе формулы (5.6), в которой зависимость потока Фвот тока возбуждения Iв определяется петлей намагничивания магнитопровода машины. Характеристика х.х. снимается путем уменьшения от значения примерно 1,25 Iв.ном до (-1,25 Iв.ном) (нисходящая ветвь) и затем увеличения до прежнего значения ( восходящая ветвь ). При Iв=0 в магнитопроводе сохраняется поток остаточного намагничивания и в якоре наводится остаточная ЭДС , составляющая 1–4% от номинальной. За расчетную характеристику х.х. принимается средняя линия. Внешняя характеристика строится на основании уравнения равновесия ЭДС и напряжений в цепи якоря, составленного по второму закону Кирхгофа в установившемся режиме:
Uя= Eя- IяRя, (5.11) где Rя — сопротивления обмотки якоря.
Эта характеристика, построенная без учета реакции якоря, изображена на сплошной линией. Характеристика жесткая, так как ток и поток возбуждения не зависят от тока якоря, а падение напряжения IяRя на обмотке якоря в номинальном режиме составляет 5–15% от ЭДС. Отклонение внешней характеристики от линейного закона ( штрих-пунктирная линия ) может быть вызвано реакцией якоря. При изменении от Rн до 0 ток якоря непрерывно возрастает. Регулировочная характеристика Iв= f(Iя)при Uя =const определяет тот закон, по которому нужно изменять ток возбуждения и соответственно ЭДС якоря, чтобы выходное напряжение сохранялось постоянным при любом токе якоря. Как следует из (5.11) и (5.6), для этого при увеличении тока Iя необходимо увеличивать ток Iв ().
Генератор параллельного возбуждения. Отличительной особенностью генераторов с самовозбуждением является то, что для возбуждения машины не требуется внешний источник. Принцип самовозбуждения рассмотрим на примере генератора параллельного возбуждения () в режиме х.х.
Самовозбуждение генератора начинается при выполнении двух условий: а) в машине имеется поток остаточного намагничивания Фост; б) полярность включения обмотки возбуждения и направления вращения якоря таковы, что возникающий ток возбуждения создает магнитный поток, направленный согласно с Фост. В реальных машинах постоянного тока, хотя бы раз намагниченных, длительное время сохраняется остаточный поток. При вращении якоря поток Фост наводит ЭДС Eя ост в обмотке якоря, на обмотке возбуждения появляется напряжение х.х. Uя ост,и по обмотке возбуждения начинает протекать небольшой ток . Этот ток создает магнитный поток , направленный согласно с Фост и усиливающий Ея. Усиливается ток возбуждения, и процесс возбуждения продолжается по описанному выше циклу. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения () , где ток нагрузки Iн=Iя-Iв, отличается от характеристики генератора независимого возбуждения, так как уменьшение Uя при увеличении Iн приводит одновременно к уменьшению Iв и соответственно Ея. Характеристика становится менее жесткой. Кроме того, в режиме к.з. напряжение Uв=Uя =0 и ЭДС и ток якоря должны быть равны нулю. Однако в реальном генераторе при Uв = 0 поток Ф ≠ 0 и равен потоку Фост. Этот поток наводит ЭДС в якоре, и по нему протекает ток к.з. Iк.з., но значение этого тока к.з. невелико. Таким образом, при изменении Rн от ∞ до 0 токи Iн и Iz соответственно возрастают только до некоторого значения, называемого критическим Iкр., и затем убывают. Регулировочная характеристика и характеристика х.х. генератора параллельного возбуждения имеют такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения.
Динамические характеристики. Динамические характеристики рассмотрим на примере анализа переходных процессов в генераторе независимого возбуждения при подаче на обмотку возбуждения напряжения постоянного тока Uв. При анализе примем допущения о линейности кривой намагничивания машины и отсутствии реакции якоря. Переходный процесс в цепи возбуждения описывается дифференциальным уравнением, составленным по второму закону Кирхгофа:
Uв= iвRв + Lв· diв/dt, (5.12) где Rв и Lв — активное сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения.
ЭДС якоря определяется в соответствии с ( 5.6 )
eя=kkфωiв , (5.13) где kф — коэффициент пропорциональности между потоком и током возбуждения: Ф= kфiв.
Определяем из (5.13) ток и подставляем полученное выражение в (5.12). В результате получаем дифференциальное уравнение, определяющее переходный процесс в генераторе в режиме х.х.:
deя/dt ·(Lв /Rв) + ея= kkфωUв /Rв. (5.14)
Переходная функция, определяющая закон изменения во времени выходной величины при ступенчатом изменении входной величины, находится как решение дифференциального уравнения ( 5.14 ) при нулевых начальных условиях ( t = 0, eя= 0). Это экспонента
eя = Eя (1-e[t/τв]), (5.15) где τв– электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения; Eя = ku0 Uв- установившееся значение ЭДС якоря.
Коэффициент передачи (усиления) генератора по напряжению в режиме х.х. ku0 представляет собой отношение приращений ЭДС якоря и напряжения возбуждения в установившемся режиме:
ku0 = kkфω /Rв. (5.16)
Уравнение (5.14) в операторной форме с учетом (5.16) имеет вид
τвp eя(p)+ eя(p)= ku0Uв(p). (5.17)
На основании (5.17) записываем передаточную функцию генератора:
W(p) = eя(p) /uв(p) = ku0 /(τвp+1). (5.18)
Из выражения (5.18) видно, что генератор независимого возбуждения в режиме х.х. является апериодическим звеном. Переходные процессы в режиме нагрузки естественно отличаются от процессов при х.х. При этом характер отличий существенно зависит от характера нагрузки. В качестве примера рассмотрим простейший случай: генератор работает на активную нагрузку Rн. Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа для цепи якоря и нагрузки, при записи в операторной форме имеют вид
eя(p)= (Rя +Lяp)iя(p)+uн(p), (5.19)
uн(p) = Rнiя(p), (5.20)
где iя(p) и uн(p)— операторные изображения тока якоря и напряжения на нагрузке; Rяи Lя — индуктивность и активное сопротивление обмотки якоря. Подставляя iя(p) из (5.20) в (5.19) и затем из (5.19) в (5.17), получим операторное уравнение
(τвp+1)(τянp+1)uн(p) = kuuв(p), (5.21)
где τян = Lя /(Rя+Rн) – постоянная времени цепи якорь–нагрузка; ku= ku0Rн /(Rя+Rн)– коэффициент передачи по напряжению при нагрузке. На основании (5.21) получаем передаточную функцию
W(p) = uн(p) /uв(p) = ku /(τвp+1)(τянp+1), (5.22)
т.е. при активной нагрузке генератор можно представить двумя последовательно включенными апериодическими звеньями.
Назад | Оглавление | Вперед
§ 111. Способы возбуждения генераторов постоянного тока
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения для современных генераторов постоянного тока применяется независимое возбуждение магнитного потока и самовозбуждение. При независимом возбуждении (рис. 154, а) обмотка возбуждения соединяется с вспомогательным источником энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения I
в в цепи обмотки включается сопротивление
r
p. При таком возбуждении ток
I
в не зависит от тока в якоре
I
я.
Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Несмотря на то, что этот источник обычно имеет малую мощность (несколько процентов мощности генераторов), необходимость в нем является большим неудобством и поэтому генераторы независимого возбуждения находят ограниченное применение в специальных установках (ГД) и в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям. Генераторы с самовозбуждением имеют более широкое применение. В зависимости от соединения обмотки возбуждения они могут быть параллельного (рис. 154, б), последовательного (рис. 154, в) и смешанного (рис. 154, г) возбуждения. У генераторов параллельного возбуждения ток I
в мал (несколько процентов номинального тока якоря), а обмотка возбуждения имеет большое число витков. При последовательном возбуждении током возбуждения служит ток якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков. При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещается две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная. Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения, получившего наиболее широкое применение. Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, в магнитной цепи (ярмо и сердечники полюсов) которого сохранился небольшой остаточный магнитный поток Φост. Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется э. д. с.
Е
ост, составляющая несколько процентов номинального напряжения машины. Под действием э. д. с.
Е
ост в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, протекает ток
I
в. Намагничивающая сила обмотки возбуждения
I
вωв (ωв — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Φ
m
, что вызывает увеличение как э. д. с. в обмотке якоря
Е
, так и тока в обмотке возбуждения
I
в. Увеличение последнего вызывает дальнейшее увеличение Φ
m
, что в свою очередь увеличивает
Е
и
I
в. Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от скорости вращения якоря машины и сопротивления цепи обмотки возбуждения. При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается. Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается э. д. с. и напряжение, до которого возбуждается генератор. Изменение скорости вращения якоря генератора вызывает изменение э. д. с., которая пропорциональна скорости, вследствие чего изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор. Самовозбуждение генератора происходит лишь при определенных условиях, которые сводятся к следующим. 1. Наличие потока остаточного магнетизма. При отсутствии этого потока не создается э. д. с.
Е
ост, под действием которой в обмотке возбуждения начинает протекать ток, так что возбуждение генератора будет невозможным. Если машина размагничена и не имеет остаточного намагничивания, то по обмотке возбуждения надо пропустить постоянный ток от какого-либо постороннего источника электрической энергии. После отключения обмотки возбуждения в машине сохранится остаточный магнитный поток. 2. Обмотка возбуждения должна быть включена так, чтобы намагничивающая сила этой обмотки увеличивала поток остаточного магнетизма. При встречном включении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной работе может полностью размагнитить машину. В этом случае в обмотке возбуждения необходимо изменить направление тока, т. е. поменять местами провода, подходящие к ее зажимам. 3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть не чрезмерно большим; при очень большом сопротивлении цепи возбуждения самовозбуждение генератора невозможно. 4. Сопротивление внешней нагрузки должно быть относительно велико, так как при малом сопротивлении ток возбуждения будет также мал и самовозбуждения происходить не будет.
предыдущая страница
| оглавление | следующая страница |
Характеристика холостого хода генератора
Приводим генератор постоянного тока с независимым возбуждением во вращение со скоростью ω при отсутствии напряжения на обмотке возбуждения, при этом на зажимах якоря появится напряжение, которое называется напряжением остаточного магнетизма.
Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Подаем напряжение на обмотку возбуждения и увеличиваем с помощью Rв ток в обмотке возбуждения. Ток в обмотке возбуждения нужен до тех пор, пока генератор не попадет в область насыщения. Теперь плавно уменьшаем ток в обмотке возбуждения до нуля. При токе возбуждения равным нулю меняем полярность на зажимах генератора и начинаем увеличивать ток в обмотке возбуждения до области насыщения, затем уменьшаем этот ток до нуля, меняем полярность на обмотке возбуждения и увеличиваем то к в обмотке возбуждения до насыщения. Получаем полную характеристику холостого хода.
Характеристика холостого хода генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
Полная характеристика холостого хода генератора представляет собой петлю гистерезиса и связана с сортом стали, из которой изготовлен генератор. Площадь петли гистерезиса равна потерям на перемагничивание стали.
Характеристика холостого хода состоит из 2-х ветвей: верхняя называется нисходящая, нижняя – восходящая.
Чем уже петля гистерезиса, тем меньше потери, кроме того при узкой петле будут и меньше расхождения напряжения на восходящей и нисходящей ветвях характеристики холостого хода.
Для расчетов и исследования используют усредненную характеристику холостого хода, которая проходит посреди петли гистерезиса через нуль.
