Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

Автор: Евгений Живоглядов. Дата публикации: 29 января 2013. Категория: Статьи.

Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения iв, 3) ток якоря Iа или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.

Обычно генераторы работают при n = const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при n = nн = const.

Существуют пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.

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

Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (iв) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или электродвижущей силы (э. д. с.) якоря Eа от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, P2 = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рисунка 1, а при отключенном рубильнике.

Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)

Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения U = (1,15 – 1,25) Uн (точка а кривой на рисунке 2). При уменьшении iв напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При iв = 0 генератор развивает некоторое напряжение U00 = Об (рисунок 2), обычно равное 2 – 3% от Uн, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить iв в обратном направлении, начиная с iв = 0, то при некотором iв < 0 напряжение упадет до нуля (точка в, рисунок 2), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток iв и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток iв уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная с iв = 0. При этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. Х. х. х. имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток iв необходимо менять только в направлении, указанном на рисунке 2 стрелками, так как в противном случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю, а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рисунке 2 представляет собой расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора, и по ней можно определить коэффициент насыщения машины kμ.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет основу для исследования эксплуатационных свойств машины.

§32. Схемы генераторов и их характеристики

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

с независимым возбуждением: обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя);

с параллельным возбуждением: обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря и нагрузке;

с последовательным возбуждением: обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

со смешанным возбуждением: имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная; первая подключена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно с нею и нагрузкой.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением относятся к машинам с самовозбуждением, так как питание их обмоток возбуждения осуществляется от самого генератора.

Все перечисленные генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмоток возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляют из провода

Рис. 120. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

малого сечения, они имеют большое число витков, обмотку последовательного возбуждения — из провода большого сечения, она имеет малое число витков.

О свойствах генераторов постоянного тока судят по их характеристикам: холостого хода, внешней и регулировочной. Ниже будут рассмотрены эти характеристики для генераторов различного типа.

Генератор с независимым возбуждением. Характерной особенностью генератора с независимым возбуждением (рис. 120) является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iя, а определяется только напряжением UB, подаваемым на обмотку возбуждения, и сопротивлением RB цепи возбуждения. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 2—5 % номинального тока якоря. Для регулирования напряжения генератора в цепь обмотки возбуждения часто включают регулировочный реостат Rрв. На тепловозах ток Iв регулируют путем изменения напряжения UB.

Характеристика холостого хода генератора (рис. 121, а) — зависимость напряжения U0 при холостом ходе от тока возбуждения Iв при отсутствии нагрузки Rн т. е. при Iн = Iя = 0 и при постоянной частоте вращения п. При холостом ходе, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение генератора U0 равно его э. д. с. Е0 = сЕФn. Так как при снятии характеристики холостого хода частота вращения п поддерживается неизменной, то напряжение U0 зависит только от магнитного потока Ф. Поэтому характеристика холостого хода будет подобна зависимости потока Ф от тока возбуждения Iя (магнитной характеристике магнитной цепи генератора). Характеристику холостого хода легко снять экспериментально, постепенно увеличивая ток возбуждения от нуля до значения, при котором U0 ? 1,25Uном, а затем уменьшая ток возбуждения до нуля. При этом получаются восходящая 1 и нисходящая 2 ветви характеристики. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная э. д. с. Еост которая обычно составляет 2—4 % номинального напряжения Uном.

При малых токах возбуждения магнитный поток машины невелик, поэтому в этой области поток и напряжение U0 изменяются прямо пропорционально току возбуждения и начальная часть этой характеристики представляет собой прямую. При увеличении тока возбуждения магнитная цепь генератора насыщается и нарастание напряжения U0 замедляется. Чем больше становится ток возбуждения, тем сильнее сказывается насыщение магнитной цепи машины и тем медленнее возрастает напряжение U0. При очень больших токах возбуждения напряжение U0 практически перестает возрастать.

Характеристика холостого хода позволяет судить о значении возможного напряжения и о магнитных свойствах машины. Номинальное напряжение (указанное в паспорте) для машин общего применения соответствует насыщенной части характеристики («колену» этой кривой). В тепловозных генераторах, требующих регулирования напряжения в широких пределах, используют как криволинейную, так и прямолинейную ненасыщенную часть характеристики.

Э. д. с. машины изменяется пропорционально частоте вращения п, поэтому при n21 характеристика холостого хода лежит ниже кривой для п1. При изменении направления вращения генератора изменяется направление э. д. с. Е, индуцированной в обмотке якоря, а следовательно, и полярность щеток.

Внешняя характеристика генератора (рис. 121,6) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iн = Iя при постоянных частоте вращения п и токе возбуждения Iв. Напряжение генератора U всегда меньше его э. д. с. Е на значение падения напряжения Iя?Rя во всех обмотках, включенных последовательно в цепь якоря.

С увеличением нагрузки генератора (тока обмотки якоря Iя = Iн) напряжение генератора уменьшается по двум причинам: I) из-за увеличения падения напряжения Iя?Rя в цепи обмотки якоря; 2) из-за уменьшения э. д. с. Е = сЕФn в результате размагничивающего действия потока якоря. Как было установлено в § 29, магнитный поток якоря несколько ослабляет главный магнитный поток Ф генератора, что приводит к некоторому уменьшению его э. д. с. Е при нагрузке по сравнению с э. д. с. Е0 при холостом ходе.

Изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке в рассматриваемом генераторе составляет 3—8 % от U0.

Если замкнуть внешнюю цепь на очень малое сопротивление, т. е. произвести короткое замыкание генератора, то напряжение его падает до нуля. Ток в обмотке якоря Iк при коротком замыкании достигнет недопустимого значения, при котором может перегореть обмотка якоря. В машинах малой мощности ток короткого замыкания может в 10—15 раз превысить номинальный ток, в машинах большой мощности это соотношение может достигать 20—25.

Рис. 121. Характеристики генератора с независимым возбуждением: а — холостого хода; б — внешняя; в — регулировочная

Рис. 122. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением (б)

Регулировочная характеристика генератора (рис. 121, в) представляет собой зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении U и частоте вращения п. Она показывает, как надо регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Достоинствами генератора с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от 0 до Umах путем изменения тока возбуждения и малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако он требует наличия внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 122, а) ток обмотки якоря Iя разветвляется во внешнюю цепь нагрузки Rн (ток Iн) и в обмотку возбуждения (ток Iв); ток Iв для машин средней и большой мощности составляет 2—5 % номинального значения тока в обмотке якоря. В машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Однако самовозбуждение генератора возможно только при выполнении ряда условий.

1. Для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо наличие в магнитной цепи машины потока остаточного магнетизма, который индуцирует в обмотке якоря э. д. с. Eост. Эта э. д. с. обеспечивает протекание по цепи «обмотка якоря — обмотка возбуждения» некоторого начального тока.

2. Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен быть направлен согласно с магнитным потоком остаточного магнетизма. В этом случае в процессе самовозбуждения будет нарастать ток возбуждения Iв и, следовательно, магнитный поток Ф машины э. д. с. Е. Это будет продолжаться до тех пор, пока из-за насыщения магнитной цепи машины не прекратится дальнейшее увеличение Ф, а следовательно, Е и Iв. Совпадение по направлению указанных потоков обеспечивается путем правильного присоединения обмотки возбуждения к обмотке якоря. При неправильном ее подключении происходит размагничивание машины (исчезает остаточный магнетизм) и э. д. с. Е уменьшается до нуля.

3. Сопротивление цепи возбуждения RB должно быть меньше некоторого предельного значения, называемого критическим сопротивлением. Поэтому для быстрейшего возбуждения генератора рекомендуется при включении генератора в работу полностью выводить регулировочный реостат Rрв, включенный последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 122, а). Это условие ограничивает также возможный диапазон регулирования тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора с параллельным возбуждением. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления цепи обмотки возбуждения можно лишь до (0,6-0,7) Uном

Следует отметить, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы процесс увеличения его э. д. с. E и тока возбуждения Iв происходил при работе машины в режиме холостого хода. В противном случае из-за малого значения Eост и большого внутреннего падения напряжения в цепи обмотки якоря напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, может уменьшиться почти до нуля и ток возбуждения не сможет увеличиться. Поэтому нагрузку к генератору следует подключать только после установления на его зажимах напряжения, близкого к номинальному.

При изменении направления вращения якоря изменяется полярность щеток, а следовательно, и направление тока в обмотке возбуждения; в этом случае генератор размагничивается.

Во избежание этого при изменении направления вращения необходимо переключить провода, присоединяющие обмотку возбуждения к обмотке якоря.

Внешняя характеристика генератора (кривая 1 на рис. 122, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iн при неизменных значениях частоты вращения п и сопротивления цепи возбуждения RB. Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что кроме тех же двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки в генераторе с независимым возбуждением (падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря), в рассматриваемом генераторе существует еще третья причина — уменьшение тока возбуждения. Так как ток возбуждения IB = U/RB, т. е. зависит от напряжения U машины, то с уменьшением напряжения по указанным двум причинам уменьшается магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, что приводит к дополнительному уменьшению напряжения. Максимальный ток Iкр, соответствующий точке а, называется критическим. При коротком замыкании обмотки якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением мал (точка б), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Поэтому ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4 -0,8) Iном. Внешняя характеристика точкой а делится на две части: верхнюю — рабочую и нижнюю — нерабочую. Обычно используется не вся рабочая часть, а только некоторый ее отрезок. Работа на участке аб внешней характеристики неустойчива; в этом случае машина переходит в режим, соответствующий точке б, т. е. в режим короткого замыкания.

Характеристику холостого хода генератора с параллельным возбуждением снимают при независимом возбуждении (когда ток в якоре Iя = 0), поэтому она ничем не отличается от соответствующей характеристики для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, а). Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и характеристика для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, в).

Генераторы с параллельным возбуждением применяют для питания электрических потребителей в пассажирских вагонах, автомобилях и самолетах, в качестве генераторов управления на электровозах, тепловозах и моторных вагонах и для заряда аккумуляторных батарей.

Генератор с последовательным возбуждением. У этого генератора (рис. 123, а) ток возбуждения Iв равен току нагрузки Iн = Iя и напряжение сильно изменяется при изменении тока нагрузки. При холостом ходе в генераторе индуцируется небольшая э. д. с. Еост создаваемая потоком остаточного магнетизма (рис. 123, б). С увеличением тока нагрузки Iн = Iв = Iя возрастают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора; это возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генератора с параллельным возбуждением), продолжается до известного предела, обусловленного магнитным насыщением машины. При увеличении тока нагрузки свыше Iкр напряжение генератора начинает уменьшаться, так как магнитный поток возбуждения из-за насыщения почти перестает увеличиваться, а размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи обмотки якоря Iя?Rя продолжают возрастать. Обычно ток Iкр значительно больше номинального тока. Генератор может работать устойчиво только на части аб внешней характеристики, т. е. при токах нагрузки, больших номинального.

Так как в генераторах с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе близко в нулю, они непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом (реостатном) торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 124, а) чаще всего параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная — вспомогательной. Обе обмотки находятся на одних полюсах и соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки складывались (при согласном включении) или вычитались (при встречном включении).

Генератор со смешанным возбуждением при согласном включении его обмоток возбуждения позволяет получить приблизительно постоянное напряжение при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 124, б) может быть в первом приближении представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой

Рис. 123. Принципиальная схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)

Рис. 124. Принципиальная схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние характеристики (б)

обмоткой возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн напряжение U возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2). Если подобрать число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ?Uпосл компенсировало суммарное падение напряжения ?U при работе машины с одной только параллельной обмоткой, то можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2—3 %. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение Uном будет больше напряжения U0 при холостом ходе (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении цепи якоря генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен против потока параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет круто падающей (кривая 5).

Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах, работающих в условиях частых коротких замыканий. В таких генераторах при коротком замыкании последовательная обмотка почти полностью размагничивает машину и уменьшает ток к. з. до значения, безопасного для генератора. Генераторы со встречно включенными обмотками возбуждения используют на некоторых тепловозах в качестве возбудителей тяговых генераторов; они обеспечивают постоянство мощности, отдаваемой генератором. Такие возбудители применяют также на электровозах постоянного тока. Они питают обмотки возбуждения тяговых двигателей, которые при рекуперативном торможении работают в генераторном режиме, и обеспечивают получение круто падающих внешних характеристик (см. § 37).

Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) I = f (iв) при U = 0 и n = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U = 0, то, согласно выражению

(уравнение напряжения U на зажимах генератора), Eа = Iа × Rа и поскольку Rа мало, то в условиях опыта э. д. с. Eа также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начать снятие х. к. з. с минимальных значений iв, чтобы ток якоря не получил недопустимо большого значения. Обычно снимают х. к. з. до I = (1,25 – 1,5) Iн. Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена, то зависимость I = f (iв) практически прямолинейна (рисунок 3). При iв = 0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток I не равен 0 и в крупных машинах близок к номинальному и даже больше его. Поэтому перед снятием х. к. з. такую машину целесообразно размагнитить, питая на холостом ходу обмотку возбуждения таким током возбуждения обратного направления, при котором будет U = 0. В размагниченной машине х. к. з. начинается с нуля (штриховая линия на рисунке 3) Если х. к. з. снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рисунке 3), то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат (штриховая линия на рисунке 3).

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Характеристический (реактивный) треугольник

Характеристический (реактивный) треугольник определяет реакцию якоря и падение напряжение в цепи якоря. Он строится для нахождения реакции якоря по экспериментальным данным и используется также для построения некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально. Характеристический треугольник можно построить по экспериментальным данным с помощью х. х. х. и любой другой основной характеристики машины, а также по расчетным данным. Рассмотрим здесь его построение с помощью х. х. х. и х. к. з., для чего обратимся к рисунку 4, где изображены х. к. з. I = f (iв) (прямая 1) и начальная, прямолинейная часть х. х. х. U = f (iв) (прямая 2), проходящие через начало координат.

Построим характеристический треугольник для номинального тока машины Iа = I = Iн, которому на х. к. з. соответствует точка а и на оси абсцисс точка б (рисунок 4, а). Построим на прямой аб отрезок бв, равный в масштабе прямой 2 падению напряжения в цепи якоря Iн × Rа, и соединим точку в горизонтальной прямой с точкой г на х. х. х. Тогда треугольник бвг и будет характеристическим треугольником. Горизонтальный катет вг этого треугольника представляет собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения, что можно доказать следующим образом.

Отрезок 0б на рисунке 4, а равен току iв, необходимому для получения при коротком замыкании тока I = Iн. В якоре при этом должна индуктироваться э. д. с. Eа = Iн × Rа, равная отрезку гд, для чего при холостом ходе требуется ток возбуждения 0д = iве. Таким образом, разность 0б – 0д = дб = iва между действительным током iв = 0б при коротком замыкании и током iве = 0д при холостом ходе может быть обусловлена только влиянием тока в якоре и должна поэтому выражать собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения iв.

Рисунок 4, а соответствует случаю размагничивающей реакции якоря (iва больше 0), а рисунок 4, б – случаю намагничивающей реакции якоря (iва меньше 0). В последнем случае х. к. з., естественно, должна подниматься круче. Для других значений токов якоря (I ≠ Iн) катеты треугольника бвг изменяются практически пропорционально току якоря, так как нелинейность сопротивления щеточного контакта оказывает малое влияние.

Поскольку в условиях снятия х. к. з. магнитная цепь машины не насыщена, то построенный таким образом 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 iва = дб равен намагничивающей силе коммутационной реакции якоря (в масштабе iв) и характеризует качество коммутации (на рисунке 4, а – замедленная коммутация и на рисунке 4, б – ускоренная). Когда щетки стоят на нейтрали и коммутация прямолинейна, iва = дб = 0 и треугольник бвг вырождается в вертикальную прямую.

Для построения характеристического треугольника с учетом влияния поперечной реакции якоря можно воспользоваться х. х. х. и внешней, регулировочной или нагрузочной характеристикой. Обычно пользуются нагрузочной характеристикой.

Внешняя характеристика генератора

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U = f (I) при iв = const и n = const (рисунок 5) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется. При увеличении I напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря I × Rа и уменьшения э. д. с. Eа ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря (при щетках на геометрической нейтрали). При дальнейшем увеличении I напряжение начнет падать быстрее, так как под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины.

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (iв = iвн), когда при I = Iн также U = Uн (номинальный режим). При переходе к холостому ходу (I = 0) в этом случае напряжение возрастает на вполне определенную величину ΔUн (рисунок 5), которая называется номинальным изменением напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения

Внешнюю характеристику (в левом квадранте рисунка 6) можно построить также с помощью х. х. х. (в правом квадранте рисунка 6) и характеристического треугольника. Для этого проведем на рисунке 6 вертикальную прямую аб, соответствующую заданному току iв = const. Тогда аб =0в представляет собой U при I = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.

Разместим затем на рисунке 6 характеристический треугольник где, построенный в соответствующих масштабах для I = Iн, таким образом, чтобы его вершина г лежала на х. х. х., а катет де – на прямой аб. Тогда отрезок ае = жз будет равен U при I = Iн, что можно доказать следующим образом. Если U = ае, то Eа = U + Iн × Rа = ае + ед = ад = иг и для создания такой э. д. с. при холостом ходе требуется ток возбуждения iве = 0и. При нагрузке ток возбуждения нужно увеличить на величину iва = гд = иа для компенсации размагничивающей реакции якоря. Необходимый полный ток возбуждения при этом iв = iве + iва = 0и + иа = 0а как раз соответствует заданному, что и требовалось доказать.

Если принять, что катеты, а следовательно, и гипотенуза характеристического треугольника изменяются пропорционально I, то для получения других точек внешней характеристики достаточно провести на рисунке 6 между х. х. х. и прямой аб наклонные отрезки прямых (гипотенузы новых характеристических треугольников), параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние точки этих отрезков (на прямой аб) будут определять значение U при токах

и так далее.

Перенеся эти точки по горизонтали в левый квадрант рисунка 6 для соответствующих значений I и соединив их плавной кривой, получим искомую внешнюю характеристику U = f (I).

В действительности горизонтальный катет характеристического треугольника при уменьшении U растет не пропорционально I. Поэтому реальная внешняя характеристика отклоняется от построенной несколько в сторону, как показано в левом квадранте рисунка 6 штриховой линией.

Точка внешней характеристики с U = 0 определяет значение тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Так как Rа мало, то этот ток в 5 – 15 раз превышает Iн. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникают круговой огонь, а также большие механические усилия и моменты вращения. Поэтому в условиях эксплуатации генераторы и двигатели средней и большой мощности защищаются быстродействующими автоматическими выключателями в цепи якоря, которые ограничивают длительность короткого замыкания и отключают машину от сети в течение 0,01 – 0,05 с после начала внезапного короткого замыкания. Однако эти выключатели не защищают машину при коротком замыкании внутри машины.

Если имеются опытные х. х. х. и внешняя характеристика и если известно Rа, то произведя построение на рисунке 6 в обратной последовательности, можно получить характеристические треугольники с учетом реальных условий насыщения для любых значений U и Eа.

Страница 4 из 5

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ

Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристика холостого хода; нагрузочная, внешняя и регулировочная характеристики.

Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря. Они могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

На рис. 1,а представлена схема для экспериментального исследования генератора независимого возбуждения. Для возможности изменения в широких пределах тока Iвобмотка возбуждения к независимому источнику подключается через переменный резистор Rв. Ток в цепи якоря Iа регулируется переменным резистором Rнг.

Пределы измерения амперметра и вольтметра в цепи якоря следует выбирать, исходя из номинальных значений тока Iном и напряжения Uном, которые указываются на табличке машины, прикрепленной к ее станине. Амперметр в цепи обмотки возбуждения выбирается на ток, равный 1-5 % Iном.

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС на выводах генератора Е от тока возбуждения Iв при разомкнутой цепи якоря (рубильник QS отключен, ток Iа=0). В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении, а затем в другом эта зависимость, построенная в четырех квадрантах, имеет вид петли, показанной на рис. 3. Несовпадение кривых, полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения, объясняется наличием гистерезиса в стали, из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рис. 3 показана штриховой линией). При Iв=0 в обмотке якоря наводится ЭДС Eост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Значение Eост примерно равно 1-3% номинального напряжения машины.

Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли, которую получают, уменьшая ток Iв от максимального значения до нуля (рис.4).

Продолжая полученную кривую 1 до пересечения с осью абсцисс в точке А, а затем передвигая ее параллельно самой себе вправо на расстояние ОА, получаем расчетную характеристику холостого хода 2. При снятии характеристики холостого хода следует обращать внимание на то, чтобы ток возбуждения изменялся в одном направлении (или только увеличивался, или только уменьшался), так как в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того, эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.

Нагрузочная характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах машины U от тока возбуждения Iв при условии, что ток в цепи-якоря Iа поддерживается неизменным. Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том, что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость этой реакции от насыщения магнитной цепи машины и тока якоря.

Можно снять ряд нагрузочных характеристик для различных значений тока Iа. Если снимается одна нагрузочная характеристика, то чаще всего принимают, что Iа = Iном. Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения, начиная от максимального его значения.

Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику удобно построить на одном графике с нисходящей характеристикой холостого хода (рис. 5). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iа = 0 (кривая 1 на рис. 5).

Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток и ЭДС машины (кривая 2 на рис. 5).

Составляющую реакции якоря, оказывающую воздействие на магнитный поток и ЭДС машины, можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря IaRa, получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке, от тока возбуждения (штриховая кривая на рис. 5; ток Iа равен току, при котором снималась нагрузочная характеристика). Эта зависимость обычно располагается ниже характеристики холостого хода.

Для получения одной и той же ЭДС Е’ при холостом ходе требуется ток возбуждения Iв1, а при нагрузке — ток Iв2. Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего «действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению магнитного потока и ЭДС, наводимой в обмотке якоря.

В общем случае разность Iв2 — Iв1 пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря Fв,qd и продольной МДС якоря Fd.Если щетки стоят на геометрической нейтрали, то можно считать

где ωв — число витков катушки обмотки возбуждения.

Соединяя между собой точки а, b и с, получаем треугольник, носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен Iв,qd, а вертикальный ab равен IaRa. Характеристический треугольник используется для построения других характеристик машины. При этом приближенно принимается, что оба его катета изменяются пропорционально току Ia.. Более точную зависимость Iв,qd от тока Ia можно получить, если снять серию нагрузочных характеристик при различных токах Ia, а затем для каждой из них при Iв = const определить Iв,qd.

Если построить характеристические треугольники при различных токах Iв, то можно выявить влияние насыщения магнитной цепи на значение / Iв,qd. При уменьшении насыщения (уменьшении тока Ia) размагничивающее действие поперечной реакции якоря (катет bc) уменьшается.

Внешняя характеристика. Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает, как изменяется напряжение на выводах машины U при возрастании тока Нагрузки I=Iа, если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешняя характеристика U=f(I) снимается при Iв ==const.

Исходной точкой для снятия внешней характеристики является точка, когда при номинальном токе нагрузки I=Iном на выходах генератора установлено номинальное напряжение Uном (рис. 6). Напряжение меняют, регулируя ток возбуждения Iв, а ток I меняют, регулируя сопротивление резистора Rнг (рис. 1,а).

Ток возбуждения, соответствующий U=Uном при I=Iном, называется номинальным током возбуждения Iв,ном. В процессе снятия внешней характеристики этот ток поддерживается постоянным. Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшается до нуля. Напряжение генератора при этом увеличивается, так как при уменьшении тока Iа уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе U=U0 (рис. 6).

По внешней характеристике определяют изменение напряжения ΔU Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:

Изменение напряжения ΔU для генераторов независимого возбуждения составляет 10-15 %• На рис. 7. Показана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения при изменении нагрузки от режима холостого хода до режима короткого замыкания. Ток короткого замыкания Ik у таких генераторов составляет 5-10Iном.

Регулировочная характеристика. Как следует из рассмотрения внешних характеристик генератора независимого возбуждения, при Iв=const напряжение на выводах генератора с изменением нагрузки не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным, необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения с целью сохранения постоянства напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость Iв = f(I) при U=Uном=const. Регулировочная характеристика показана на рис. 8. Начинают снимать ее в режиме холостого хода, когда I = 0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения Iв необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Самовозбуждение генератора. У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря (рис. 1,б). Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения or постороннего источника.

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Магнитный поток остаточного магнетизма в обмотке вращающегося якоря наводит ЭДС. Эта ЭДС (ЭДС остаточного магнетизма Еост) невелика и составляет 1-3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка воз­буждения подключена к якорю, то ЭДС Еост создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения, и т.д. Процесс нарастания тока в обмотке возбуждения при холостом ходе машины (I=0) может быть описан дифференциальным уравнением

где Lв — индуктивность обмотки возбуждения; ΣRв — суммарное сопротивление цепи этой обмотки, включая сопротивление регулировочного резистора.

Падение напряжения в цепи якоря от тока iв ничтожно мало, поэтому в (10) напряжение на выводах обмотки возбуждения принято равным ЭДС.

Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения.

Тогда d(Lвiв)/dt = 0;

На рис. 9 показаны зависимости E=f(Iв) и IвΣRв = f(Iв) при n = const. Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1), а вторая — характеристикой цепи возбуждения.

Если принять, что ΣRв= const, то характеристика цепи возбуждения представляет собой прямую линию (2 на рис. 9), идущую под углом α к оси абсцисс, причем tg α = IвΣRв/Iв=.ΣRв. Точка пересечения характеристик (точка А) соответствует равенству (11), а ЭДС Е, соответствующая этой точке, является той ЭДС, которая установится при данном сопротивлении ΣRв на выводах машины. При изменении ΣRв будет изменяться ЭДС Е. Если увеличить сопротивление ΣRв, то угол наклона характеристики цепи возбуждения а возрастет, а точка А переместится влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения Rв,кр, называемом критическим, прямая IвRв,кр совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода (прямая 3). Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления ΣRв само­возбуждения происходить не будет, так как прямая IвΣRв = f(Iв) в этом случае не пересекает характеристику холостого хода (прямая 4).

Если генератор работает с переменной частотой вращения п, то для каждой частоты вращения будет своя характеристика холостого хода E=f(Iв), так как Е пропорциональна п (кривые 1-3 на рис. 10). В соответствии с этим для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления Rв,кр. Для каждого сопротивления ΣRв существует критическое значение частоты вращения, ниже которого самовозбуждение невозможно (кривая 2 на рис. 10).

Самовозбуждение генератора происходит в том случае, если ток Iв, протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направленный согласно с потоком остаточного магнетизма. При неправильном включении обмотки возбуждения эти потоки будут направлены встречно и самовозбуждения происходить не будет. Тогда для изменения направления тока Iв в обмотке возбуждения следует поменять местами концы подводящих проводников, соединяющих обмотку возбуждения с якорем.

Из изложенного следует, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы был остаточный магнитный поток, чтобы сопротивление цепи обмотки возбуждения было меньше критического и чтобы обмотка возбуждения была правильно подсоединена к якорю.

Характеристики холостого хода и нагрузочная. В отличие от генератора независимого возбуждения у генератора параллельного возбуждения ток якоря Iа не равен току нагрузки I (см. рис. 1,б). При отключенной нагрузке (I = 0) ток якоря не равен нулю и будет равен Iв.

Характеристики холостого хода и нагрузочная снимаются у генератора параллельного возбуждения так же, как и у генератора независимого возбуждения, и имеют тот же характер. Ток Iв при снятии этих характеристик уменьшается с помощью переменного резистора Rв от наиболь­шего до наименьшего возможного значения. Электродвижущая сила остаточного магнетизма определяется при отключенной обмотке возбуждения.

Из-за небольшого значения тока возбуждения Iв падение напряжения, вызываемое им в цепи якоря, мало и не оказывает существенного влияния на напряжение машины при нагрузке. При холостом ходе можно принимать, что напряжение на выводах практически равно ЭДС якоря.

Внешняя характеристика. Внешнюю характеристику U=f(I) снимают при условии, что ΣRв= const. С помощью переменного резистора Rв сопротивление ΣRв устанавливают таким, чтобы при номинальном токе нагрузки Iном напряжение на выводах машины было номинальным. Ток нагрузки устанавливают переменным резистором Rнг. Затем, изменяя ток I, получают другие точки внешней характеристики (рис. 11). Как следует из рис. 11, с увеличением тока I напряжение U уменьшается.

Понижение напряжения U на выводах генератора парал- лельного возбуждения с ростом тока I выражено сильнее, чем на выводах генератора независимого возбуждения, работающего при Iв =const. У генератора параллельного возбуждения напряжение понижается не только из-за размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения Iв. Уменьшение тока возбуждения Iв= U/ ΣRвпри ΣRв= const вызвано понижением напряжения U на выводах машины, к которым подсоединена цепь обмотки возбуждения.

У генератора параллельного возбуждения при уменьшении сопротивления нагрузки ток I будет увеличиваться до определенного значения, называемого критическим током Iкр (рис. 11). Критический ток равен 1,5-2,5 Iном. При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток I начинает уменьшаться. Такой характер внешней характеристики объясняется тем, что генератор параллельного возбуждения сам себя размагничивает, так как уменьшается ток возбуждения. Вначале этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает сильного снижения магнитного потока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения будет соответствовать линейной (ненасыщенной) части характеристики холостого хода, размагничивание будет происходить более интенсивно, так как уменьшение тока Iв будет вызывать большие изменения магнитного потока и ЭДС. При коротком замыкании машина практически будет размагничена и установившийся ток короткого замыкания Iкопределяется только ЭДС остаточного магнетизма. Вследствие малости этой ЭДС ток Iк в большинстве случаев невелик и не превышает номинального значения. Однако несмотря на это в переходном режиме при внезапном коротком замыкании вследствие медленного уменьшения магнитного потока и ЭДС ток короткого замыкания может превысить номинальное значение в несколько раз, что вы­зовет сильное искрение щеток, а в некоторых случаях и появление кругового огня. Поэтому эти генераторы, как и все другие генераторы, должны быть снабжены предохранителями или быстродействующими выключателями, отключающими короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достигнет больших значений. Изменение напряжения генератора параллельного возбуждения, определяемое по (9), составляет 15-20 %.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения. Регулировочная характеристика Iв = f(I) генератора параллельного возбуждения при U = Uном= const имеет тот же характер, что и для генератора независимого возбуждения. Для одного и того же генератора регулировочные характеристики, полученные при независимом питании обмотки возбуждения и при параллельном ее включении, будут совпадать.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

У генераторов последовательного возбуждения ток возбуждения Iв равен току якоря Iа. Поэтому при холостом ходе, когда Iв = Iа =I = 0, ЭДС, наводимая в обмотке якоря, равна Еост.

Характеристики холостого хода и нагрузочная для такого генератора могут быть сняты при питании обмотки от независимого источника. Эти характеристики имеют тот же вид, что и для генератора независимого возбуждения (см. рис. 5).

Самовозбуждение генератора происходит, если сопротивление цепи якоря меньше критического. Внешняя характеристика генератора показана на рис. 12 (кривая 2). На этом же рисунке изображена характеристика холостого хода E=f(Iв) (кривая 1). При одном и том же токе Iв = I напряжение генератора меньше, чем ЭДС по характеристике холостого хода, из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.

При малых нагрузках, когда ток якоря и, следовательно, ток возбуждения малы, магнитная система машины ненасыщена и ее ЭДС изменяется пропорционально току I. Падение напряжения и размагничивающее действие реакции якоря практически изменяются также пропорционально току I.Поэтому напряжение на выводах машины растет пропорционально току I. При больших токах происходит насыщение магнитной системы машины, вследствие чего ЭДС при увеличении I будет изменяться мало. Поэтому и напряжение с ростом тока нагрузки увеличивается незначительно, а при очень больших токах нагрузки из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря оно начинает уменьшаться.

Из-за сильной зависимости напряжения от тока нагрузки генераторы последовательного возбуждения широкого практического применения не нашли.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Схема генератора смешанного возбуждения показана на рис. 1,г. Параллельная (шунтовая) обмотка возбуждения ОВШ может быть подключена к цепи якоря до последовательной (сериесной) обмотки ОВС (как показано на рисунке) или после нее (проводник обмотки ОВШ переносится из точки Д2 в точку С2). Характеристики генератора при обоих способах подключения будут практически одинаковыми, так как последовательная обмотка имеет небольшое сопротивление и падение напряжения в ней будет мало. Увеличение МДС последовательной обмотки из-за протекания по ней тока Iв также ничтожно мало из-за малого количества ее витков и относительно небольшого тока Iв.

Самовозбуждение генератора происходит так же, как и генератора параллельного возбуждения. Ток якоря равен Iа = I+ Iв.

Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения. Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка ОВШ. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря Fв,qd В этом случае последовательная обмотка не только скомпенсирует размагничивающую составляющую реакции якоря, но и создаст избыточную МДС, которая будет увеличивать магнитный поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом I будет возрастать, как это видно на внешней характеристике U=f(I) при ΣRв= const, изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки.

Обмотку можно рассчитать так, чтобы напряжение увеличивалось на значение, необходимое для компенсации падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Тогда у потребителя при любых нагрузках напряжение автоматически будет поддерживаться примерно постоянным.

При слабой последовательной обмотке внешняя характеристика имеет падающий характер. Отметим, что эффективность действия последовательной обмотки зависит от насыщения магнитной цепи машины. Магнитодвижущая сила последовательной обмотки при сильном насыщении будет давать небольшое увеличение магнитного потока и ЭДС, поэтому даже при достаточно сильной обмотке или при больших нагрузках напряжение на выводах машины будет уменьшаться с ростом тока нагрузки.

Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения снимаются так же, как и у генератора параллельного возбуждения, и имеют такой же характер.

В зависимости от соотношения между МДС последовательной (сериесной) обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fв,qd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика (кривая 2) идет выше характеристики холостого хода (кривая 1) (рис. 14). Если по этим характеристикам построить характеристический треугольник, то его горизонтальный катет bс будет пропорционален результирующей намагничивающей МДС, созданной током якоря по оси обмотки возбуждения. Значение этого катета в масштабе тока возбуждения равно (Fс — Fв,qd)/ωв.

Полученный таким образом треугольник используют для построения характеристик.

Регулировочная характеристика. Характеристика Iв=f(I)при U=const у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики. При достаточно сильной последовательной обмотке возбуждения, когда напряжение генератора возрастает с увеличением тока нагрузки, регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рис. 15.

Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающем действием результирующий магнитный поток возбуждения машины с увеличением тока нагрузки будет уменьшаться. В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер (рис. 16). Регулировочная характеристика показана на рис. 17.

СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ

Если у одного и того же генератора снять внешние и регулировочные характеристики при различных схемах включения его обмоток возбуждения, то полученные характеристики будут располагаться относительно друг друга так, как показано на рис. 18 и 19.

Наибольшее изменение напряжения будет у генераторов смешанного возбуждения при встречном включении обмоток, а наименьшее — у генераторов смешанного возбуждения при согласном включении обмоток.

Генераторы смешанного возбуждения при согласном включении обмоток и параллельного возбуждения применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока.

Генераторы смешанного возбуждения предпочитают применять в тех случаях, когда происходит частое и резкое изменение нагрузки, так как они могут обеспечить автоматическое поддержание напряжения. Генераторы независимого возбуждения применяются тогда, когда требуется в широких пределах менять напряжение. В частности, они находят применение в электроприводах для питания одиночных двигателей с широким диапазоном регулирования частоты вращения.

« Пред. — След. »

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика iв = f (I) при U = const и n = const показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рисунок 7). С увеличением I ток iв необходимо несколько увеличивать, чтобы скомпенсировать влияние падения напряжения Iа × Rа и реакции якоря.

При переходе от холостого хода с U = Uн к номинальной нагрузке I = Iн увеличение тока возбуждения составляет 15 – 25%.

Построение регулировочной характеристики (нижний квадрант рисунка по х. х. х. (верхний квадрант рисунка и характеристическому треугольнику производится следующим образом. Для заданного U = 0а = вб = const значение iв при I = 0 определяется точкой в. Характеристический треугольник где для номинального тока расположим так, чтобы его вершины г и е находились соответственно на х. х. х. и прямой абе. Тогда отрезок 0ж = ае определяет значение iв при I = Iн, что можно доказать аналогично тому, как это делалось в случае построения внешней характеристики. Для получения других точек характеристики достаточно провести между кривой х. х. х. и прямой абе на рисунке 8 отрезки прямых, параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние концы (точки) этих отрезков будут соответствовать значениям iв для значений I, определяемых отношениями длин этих отрезков к гипотенузе ге, как и в предыдущем случае. Снеся эти точки вертикально вниз, в нижний квадрант рисунка 8, на уровень соответствующих значений I, получим точки регулировочной характеристики. С учетом изменяющихся условий насыщения реальная опытная регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный в нижнем квадранте рисунка 8 штриховой линией.

Обратным построением, если даны х. х. х. и регулировочная характеристика, можно получить характеристический треугольник.

Рабочие характеристики генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика

—
U=f(I)
при
I
в = const и
п
= const. Для снятия внешней характеристики следует привести генератор во вращение с номинальной частотой вращения и установить такой ток возбуждения
I
в, чтобы при
I= IН= Ос
(рис. 4.13) иметь номи­нальное напряжение на зажимах генератора
UH= Са = ОБ.
Затем постепенно разгружают генератор до холостого хода. Напряжение; на зажимах генератора растет и при
I
= 0 достигает значения
Uo = ОА.
Следовательно,

(4.11)

Внешнюю характеристику можно построить, используя харак­теристику холостого хода и треугольник короткого замыкания.

Рис. 4.12. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

Рис. 4.13. Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения

Рис. 4.14. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

Пусть ток возбуждения генератора I

в, остающийся величиной постоянной, задан отрезком
Оа
(рис. 4.11). Из точки
а
проведем прямую, параллельную оси ординат до пересечения с характери­стикой холостого хода в точке
b.
Тогда
ab
=
Еа0 = Uo,
где
Еa0 —
ЭДС, a
Uo —
напряжение на за­жимах генератора при холостом ходе. Построим из точки
а
треу­гольник короткого замыкания
аА’В’,
соответствующий како­му-нибудь току
I
, например
I
=
I
ном. Катет
аВ’ = IHRa
направим по линии
аb
и заставим треу­гольник
А’В’а
скользить вдоль нее, параллельно самому себе до тех пор, пока точка
А’
не попадет на характеристику холостого хода и треугольник
А’В’а
не займет положение треугольника
ABC,
Отрезок
Оа’
представляет собой результирующую МДС машины, т.е. МДС основных полюсов
Оа,
уменьшенную на величину раз­магничивающей МДС якоря
аа’.
Отрезок
а’А
=
АВ
определяет ЭДС генератора при данной нагрузке, а отрезок
аС= аВ— ВС
— напряжение на зажимах генератора
U
при
I
=
I
н.

Чтобы получить напряжение U

для других токов, например
I
= 0,5
I
ном, нужно проделать то же построение, уменьшив все стороны треугольника короткого замыкания в 2 раза. Для простоты можно поделить отрезок
аа’
пополам, перенести точку
а» в
точку
А
на характеристике холостого хода и затем провести через точку прямую
А1С1
параллельно гипотенузе
АС.
Отрезок
Ас1
даст искомое напряжение
U
при
I
= 0,5
I
ном.

Отложим в заданном масштабе токи I

= 0, 0,5
Iном
,
Iном
и т. д. влево от оси ординат и перенесем соответствующие им точки b1,
С1,
С в точки
d0, d1, d.
Тогда кривая
dod1d
будет представлять coбoй внешнюю характеристику генератора.

Рис. 4.15. Построение регулировочной характеристики генератора независимого возбуждения

Регулировочная характеристика — I

в =
f
(
I
) при
U=
const и
п
= const. Поскольку при уменьшении нагрузки напряжение на зажимах генератора растет, то, чтобы поддержать его постоянным, нужно уменьшать ток возбуждения
I
в. Примерная регулировочная характеристика показана на рис. 4.14. Ее можно построить так же, как и внешнюю характеристику, по характеристике холостого ход и треугольнику короткого замыкания. Для этого проведем линию
DC
параллельно оси абсцисс на расстоянии 0
D
=
Uном
от пocледней (рис. 4.16). Построив треугольник короткого замыкания
АBC
для какого-нибудь, например номинального, тока, расположим этот треугольник так, чтобы вершина
А
лежала на характеристике холостого хода, а вершина С — на прямой
DC;
этим определяется необходимый для создания напряжения
Uном
ток возбуждения
I
ном = 0a. Перенеся точку
а
вниз от оси абсцисс соответственно току
I
ном, получим точку
N
регулировочной характеристики, со­ответствующую номинальной нагрузке. Так же строят и другие точ­ки регулировочной характеристики, например точка
М
для
I
=0,5
I
ном, при этом все стороны треугольника короткого замыка­ния изменяются пропорционально току
I
. Для холостого хода
I
в0=0a0.Регулировочная характеристика определяется кривой
NMa0.
Рис. 4.16. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

1- характеристика холостого хода; 2-нагрузочная характеристика

Нагрузочные характеристики — U

=
f
(
I
в) при
I
= const и
п
= const. Напряжение на зажимах генератора всегда меньше ЭДС вследствие падения напряжения в якоре и реакции якоря. При
I
= const действие этих двух факторов почти постоянно, поэтому нагрузочная характеристика (кривая
2
на рис. 4.16) расположена почти параллельно характеристике холостого хода. Так же, как и другие характеристики хода, нагрузочные можно построить по ха­рактеристике холостого и треугольнику короткого замыкания. По­скольку
I
=const, то при построении нужно перемещать треуголь­ник короткого замыкания
ABC
параллельно самому себе, скользя вершиной
A
по характеристике холостого хода (см. рис. 4.16).

Характеристики генератора параллельного возбуждения.Гене­ратор параллельного возбуждения (см. рис. 4.2) работает с само­возбуждением. Для этого необходимо, чтобы в генераторе был небольшой (2…5% номинального) поток остаточного намагни­чивания Фост. Если, замкнув цепь возбуждения, привести генера­тор во вращение с некоторой, например, номинальной частотой вращения, то на его зажимах появится небольшое напряжение и по цепи возбуждения потечет ток, который создаст добавочный поток намагничивания Фдоб. В зависимости от направления тока в обмотке возбуждения поток Фдоб может быть направлен либо встреч­но относительно потока Фост, либо согласно с ним. Генератор мо­жет самовозбудиться только при согласном направлении обоих по­токов. Другими словами, процесс самовозбуждения генератора мо­жет идти в одну сторону, определяемую направлением потока Фост.

При согласном направлении обоих потоков результирующий поток возбуждения увеличивается; это приводит к увеличению индуцируемой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальней­шее увеличение тока и потока возбуждения.

Выясним предел, до которого идет процесс самовозбуждения. При этом будем считать, что генератор работает вхолостую, т.е. I

= 0. При самовозбуждении уравнение ЭДС цепи возбуждения можно записать в следующем виде:

, (4.11)

или

(4.12)

где u

0 — переменное напряжение на зажимах генератора и, следовательно, на зажимах цепи возбуждения;
RB
— сопротивление цепи возбуждения;
LB
— индуктивность цепи возбуждения.

Если RB =

const, то падение напряжения
IBRB
изменяется прямо пропорционально току
I
в. Графически оно изображается прямой
1 на рис. 4.17, идущей под углом α к оси абсцисс, причем
tg α = IBRB/IB

=
RB.
(4.14)

Следовательно, каждому значению RB

соответствует прямая, выходящая из начала координат под углом, определяемым формулой (4.14). На рис. 4.17 характеристика холостого хода отражена кривой
2.
Отрезки ординат между кривыми
2
и
1
дают разность
u
0 —
IBRB
=
d(LBIB)/dt;
и служат мерой интенсивности происходящего процесса самовозбуждения. Очевидно, что этот процесс окончится тогда, когда разность
u
0 –
I
B
R
B станет равна нулю другими словами, когда характеристики 1 и 2 пересекутся. Таким образом, установившееся значение тока
I
в определяется точкой пересечения
А
характеристик
1 и 2.
Рис. 4.17. Графическое обоснование самовозбуждения генератора параллельного возбуждения:

1,3,5- зависимости U0 от Iв при различных Rв; 2,4 -характеристики холостого хода при различных n

Рис. 4.18 Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения

1- при увеличении тока Iв; 2 – при уменьшении тока Iв; 3 – усредненная.

Если увеличивать сопротивление RB,

т.е. угол α (кривые
3
и
4)
то точка
A
будет скользить по характеристике холостого хода в направлении к точке
О.
При некотором сопротивлении
R
в.кр, которое называется критическим сопротивлением, прямая
1
будет касательной к начальной части характеристики холостого хода (рис. 4.17, прямая
3).
В этих условиях генератор практически не возбуждается.

Поскольку при заданных масштабах напряжения u0

и тока
I
В наклон характеристики холостого хода зависит от частоты враще­ния якоря, то очевидно, что каждой из них соответствует свое критическое сопротивление
Rв.кр.
Так, например, для характерис­тики холостого хода
4,
соответствующей большей частоте враще­ния, критическое сопротивление определяется прямой 5.

Характеристика холостого хода — U0 = f(IB)

при
Ia
= 0 и
п =
const. Эта характеристика снимается так же, как и при независи­мом возбуждении. Однако самовозбуждение генератора параллель­ного возбуждения возможно только в одном направлении. Поэто­му характеристику холостого хода этого генератора можно снять тоже только при одном направлении тока возбуждения (рис. 4.18).

Поскольку при холостом ходе генератора параллельного воз­буждения по его якорю течет ток Iа

=
I
в, то в генераторе появляет­ся реакция якоря и возникает падение напряжения. Но ток
I
в обы­чно не превышает 2… 3 %
I
ном. Поэтому характеристика холостого хода, снятая при самовозбуждении
,
практически совпадает с со­ответствующей характеристикой при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика — U=f(I)

при
RB =
const и
п =
const. На рис. 6.61 кривая
1
представляет собой внешнюю характери­стику генератора параллельного возбуждения, а кривая
2
— вне­шнюю характеристику этого генератора при работе с независи­мым возбуждением. При работе с самовозбуждением падение на­пряжения с увеличением нагрузки происходит быстрее. Это объяс­няется тем, что при увеличении нагрузки генератора параллель­ного возбуждения, кроме реакции якоря и падения напряжения в якоре, еще имеет место уменьшение тока возбуждения
I
В = =
U/RB = U,
которое влечет за собой уменьшение потока и соот­ветствующее уменьшение ЭДС и напряжения на зажимах генера­тора.

Рис. 4.19 Внешние характеристики генератора:

1- параллельного возбуждения; 2- независимого возбуждения

На рис. 4.19 видно, что если увеличить нагрузку сверх номи­нальной в генераторе независимого возбуждения, то изменение напряжения пойдет по линии 2; при коротком замыкании (UK

= 0) ток в якоре
I
к будет недопустимо большой и может повредить обмотку якоря.

При работе с самовозбуждением (см. рис. 4.19, кривая 1)

нагрузки будет увеличиваться только до критического значения
I
кр, обычно не превышающего номинальный ток больше чем в 2—2,5 раза, а затем ток
I
начинает уменьшаться. При коротком замыкании
U =
0 и
I
в = 0, а по якорю течет ток
I
кост, определяемый только потоком Фост. Обычно
I
к.ост<
Iном.
Следовательно, для генератора параллельного возбуждения замыкание опасно главным образом с точки зрения коммутационных условий при переходе через критический ток, но все же оно менее опасно, чем для генератора независимого возбуждения.

Повышение значения напряжения ΔU

отноминального до напряжения холостого хода на зажимах генератора параллельного возбуждения гораздо больше, чем в генераторе независимого возбуждения и в зависимости от степени насыщения машины достигает 30…35 % и более.

Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения выполняется так же, как для генератора независимого возбуждения, с той лишь разницей, что в генераторе независимого возбуждения ток возбуждения i

в не зависит от напряжения на зажимах генератора
U,
а в генераторе самовозбуждения ток
I
в изменяется пропорционально напряжению
U.
Соответственно этому зависимость
I
в
=f(U)
изображается на рис. 4.13 прямой
ab
параллельной оси ординат, а на рис. 6.62 — прямой
Ob,
денной из начала координат под углом α, причем tg α =
RB.
Поэтому треугольник короткого замыкания
AВС
в первом случае помещается между характеристикой холостого хода и прямой
ab,
а во втором — между той же характеристикой и прямой
Ob.

Рис. 4.20. Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения

Слева от оси ординат на рис. 4.20 построена внешняя характе­ристика по точкам для I

= 0,
I
= 0,5
I
ном и
I
=
I
ном. Чтобы получить критический ток
I
кр, нужно провести к характеристике холостого хода касательную
MN
параллельно прямой
Ob
и в точке касания
Aп
провести прямую
АпСп
параллельно гипотенузе
АС
треугольни­ка
ABC.
Тогда
I
кр =
IН0М((АпСп)/АС).
Регулировочные характеристики для генераторов с независи­мым и параллельным возбуждением одинаковы. Это же относится и к нагрузочным характеристикам.

Генератор последовательного возбуждения.Поскольку в генера­торе последовательного возбуждения обмотка возбуждения соеди­нена последовательно с якорем (см. рис. 4.3), то ток возбужде­ния этого генератора равен току нагрузки I

. Следовательно, ха­рактеристика холостого хода генератора и его нагрузочные харак­теристики можно снять только по схеме с независимым возбуж­дением. Для этого нужно отсоединить обмотку возбуждения от якоря и питать ее от постороннего источника постоянного тока. Харак­теристики имеют вид, показанный на рис. 4.9.

При независимом возбуждении снимается и характеристика короткого замыкания. По ней можно построить треугольник ко­роткого замыкания (см. рис. 6.53). Имея характеристику холостого хода и треугольник короткого замыкания, можно построить вне­шнюю характеристику, т. е. зависимость U

=
f
(
I
) при
п
= const. Действительно, пусть кривая
1
на рис. 4.21 представляет собой характеристику холостого хода. Построим из точки
С’
на оси абс­цисс треугольник короткого замыкания
А’В’C’
для какого-нибудь тока нагрузки, например
I
=
I
ном, и будем перемещать его парал­лельно оси ординат до тех пор, пока он не займет положение треугольника
ABC
с вершиной
А
на характеристике холостого хода. Тогда точка С будет точкой внешней характеристики. Будем счи­тать, что стороны треугольника
А’В’С’
изменяются пропорционально току
I
. Тогда геометрическое место точек
А’
определяется прямой
2.
Аналогичное построение производим для других токов, например
I
= 0,5
I
ном и 0,25
I
НОМ.

Соединив точки С, С1

и
С2,
получим кривую
3,
представляю­щую собой внешнюю характеристику генератора последователь­ного возбуждения.

Генератор смешанного возбуждения.Поскольку генератор сме­шанного возбуждения имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения, то он совмещает в себе свойства генерато­ров обоих типов. Обычно обе обмотки включаются согласно, при­чем параллельная обмотка создает номинальное напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения при его холостом ходе, а последовательная компенсирует МДС реакции якоря и падение напряжения в якоре при определенной нагрузке. Этим достигается автоматическое регулирование напряжения генерато­ра в определенных пределах нагрузки.

Зная характеристики генераторов параллельного и последо­вательного возбуждения, легко объяснить характеристики гене­ратора смешанного возбуждения. Так, например, при холостом ходе ток нагрузки, а следовательно, и ток последовательной об­мотки равны нулю. Поэтому характеристика холостого хода ге­нератора смешанного возбуждения ничем не отличается от соот­ветствующей характеристики генератора параллельного возбуж­дения.

Нагрузочные характеристики генератора смешанного возбуж­дения имеют тот же вид, что и соответствующие характеристики генератора параллельного возбуждения или генератора независи­мого возбуждения, но они могут расположиться выше характери­стики холостого хода, поскольку в генераторе смешанного воз­буждения напряжение U

при нагрузке может быть больше (при перекомпенсации), чем при холостом ходе.

Наибольший интерес представляет собой внешняя характери­стика генератора смешанного возбуждения, т.е. зависимость U

=
f
(
I
) при
п =
const и
Rв =
const. Рассчитаем последовательную обмотку генератора так, чтобы она могла скомпенсировать реак­цию якоря и падение напряжения в якоре при
I
=
I
ном. В этом случае генератор называется нормально компенсированным, его внешняя характеристика имеет вид кривой 2, представленной на рис. 6.64. Однако чаще приходится поддерживать постоянным на­пряжение не на зажимах генератора, а у приемников электро­энергии, для чего нужно добавочно скомпенсировать падение напряжения в линии. В этом случае генератор называется пере­компенсированным и его внешняя характеристика приобретает вид кривой
2,
изображенной на рис. 4.22. Для сравнения на рис. 4.22 также показаны внешняя характеристика генератора параллель­ного возбуждения (кривая
3)
и внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения с противовключением, т.е. встреч­ным включением обеих обмоток возбуждения (кривая
4).

Рис. 4.22 Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения:

1-нормально компенсированного; 2-перекомпенсированного; 3- внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения; 4 – внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения с противовключением

Рис. 4.23 Регулировочные характеристики генератора смешанного возбуждения:

1-нормально компенсированного; 2-перекомпенсированного.

Соответственно внешним характеристикам 1 и 2, приведенным на рис. 4.22, регулировочные характеристики генератора смешанно­го возбуждения имеют вид кривых 7 и 2,

представленных на рис. 4.22.

Генераторы смешанного возбуждения применяют в случаях, когда нужно поддерживать постоянное напряжение U

при резко переменной нагрузке.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика U = f (iв) при I = const и n = const (кривая 2 на рисунке 9) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рисунке 9) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. Х. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда I = 0. Обычно нагрузочную характеристику снимают при I = Iн.

Поясним, как с помощью характеристик 1 и 2 рисунка 9 можно построить характеристический треугольник. Пусть 0а соответствует значению U, для которого желательно построить треугольник (например, U = Uн). Тогда проведем горизонтальную линию аб и от точки б на нагрузочной характеристике отложим вверх отрезок бв = I × Rа, где I – ток, при котором снята нагрузочная характеристика. Проведя из точки в горизонтальный отрезок прямой до пересечения в точке г с х. х. х., получим горизонтальный катет гв искомого треугольника гвб. Доказательство справедливости такого построения можно развивать по аналогии с доказательством построения внешней характеристики (смотрите рисунок 6).

Если построенный таким или другим способом характеристический треугольник передвигать на рисунке 9 параллельно самому себе так, чтобы его вершина г скользила по х. х. х., то его вершина б очертит нагрузочную характеристику (штриховая кривая на рисунке 9). Эта характеристика несколько разойдется с опытной характеристикой 2, так как размер катета гв будет меняться вследствие изменений условий насыщения.

Точка д на рисунке 9 соответствует короткому замыканию генератора.

Все характеристики генераторов можно изобразить как в абсолютных величинах, так и в относительных единицах. В последнем случае характеристики однотипных машин, хотя бы и разной мощности, построенные в относительных единицах, мало отличаются друг от друга.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

• зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
• характеристики внешних параметров;
• регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5). Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6). Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EIa. Отдаваемая в цепь полезная мощность P1 = UI.

КПД

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом ηe. Тогда: ηe=P1/P.

На холостом ходе ηe = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Влияние сдвига щеток

Cдвиг щеток с геометрической нейтрали сказывается в том, что возникает продольная реакция якоря, изменяющая поток полюсов. Поток добавочных полюсов будет индуктировать э. д. с. не в коммутируемых секциях, а в рабочих секциях параллельных ветвей якоря. При повороте щеток против направления вращения якоря (рисунок 10) это вызовет увеличение э. д. с. якоря, а при сдвиге по направлению вращения – уменьшение э. д. с. В первом случае внешняя характеристика (смотрите рисунок 5) с увеличением I будет падать более круто. При наличии добавочных полюсов в обоих случаях возникает расстройство коммутации.

Влияние сдвига щеток на другие характеристики нетрудно анализировать подобным же образом.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.