Магнитное поле машины постоянного тока

Режим холостого хода. Магнитный поток при холостом ходе в машине создается только МДСFв обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток Ф_в при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 8.21).

Зависимость магнитного потока возбуждения Ф_в от МДС F_в (магнитная характеристика — рис. 8.22) для машин постоянного тока подобна магнитной характеристике для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи (в зубцах, якоре, станине и полюсах), чем в синхронных машинах, вследствие чего для них коэффициент насыщения k_нас = F/F_δ = ab/ac = 1,2 ÷ 2. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производят так же, как и для машин переменного тока (см. § 3.7).

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС F_в обмотки возбуждения и МДС F_aqобмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Ф_в и реакции якоря Ф_aq .

Рис. 8.21. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода: 1 — полюс;  2 — обмотка возбуждения; 3 — якорь; 4 — корпус (станина)

Рис. 8.22. Магнитная характеристика машины постоянного тока (а) и график для определения размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря (б)

Рис. 8.23. Характер магнитного поля машины постоянного тока,: создаваемые обмоткой возбуждения  (а), обмоткой  якоря (б)и результирующего поля (в)

При холостом ходе магнитный поток возбуждения направлен по продольной оси машины (рис. 8.23, а). При работе под нагрузкой магнитный поток Ф_aq , созданный МДС якоря F_aq , в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (см. рис. 8.23,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины относительно оси главных полюсов искажается и результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каждого главного полюса (см. рис. 8.23, в). При этом физическая нейтраль О' —О' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали О — О на некоторый угол β. В генераторах (обозначениеГ на рис. 8.23, в) физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях(обозначение Д) — против направления вращения.

Чтобы построить кривую В_рез = f(х) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Его можно использовать, если пренебречь насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС F_в и F_aq расходуются на компенсацию разности магнитных потенциалов в воздушном зазоре. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею МДС F'_в =f(x) имеет форму прямоугольника, где F'_в = 0,5F_в — МДС, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции В_в = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 8.24, а).

Для построения кривой МДС F_aqx = f(x) и создаваемой ею индукции B_aqx =f(x) примем,

Рис. 8.24. Кривые распределения индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока МДС якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстояния х от оси главных полюсов,

(8.11)

2F_aqx = 2xA,

а МДС, приходящаяся на один зазор,

(8.12)

F_aqx = ± xA,

где А = i_a N/(πD_a ) - линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).

Следовательно, МДС якоря F_aqxизменяется линейно вдоль его окружности (рис. 8.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

(8.13)

B_aqx = μ₀F_aqx/δ_x = μ₀ (x/δ_x ) А

где δ_x — величина воздушного зазора в точке х.

Из (8.12) следует, что под полюсом при δ_x = const индукция B_aqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т. е. воздушный зазор δ_x , и поэтому резко уменьшается индукция B_aqx = f(x). В результате кривая распределения индукцииB_aqx = f(x) приобретает седлообразную форму.

Кривую распределения результирующей индукции В_рез = f(x) можно получить алгебраическим сложением ординат кривых B_в = f(x) и B_aqx = f(x). Как видно из рис. 8.24, в, эта кривая имеет пики индукции В_max под краями главных полюсов.

Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока: а) физическая нейтраль О' - О' (см. рис. 8.23, в) смещается относительно геометрической нейтрали О - О на некоторый угол β; б) искажается кривая распределения индукции В_рез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 8.24, в), однако площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 8.24, а). Следовательно, результирующий поток Ф_рез при нагрузке равен потоку Ф_в при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря уменьшает поток Ф_рез . Чтобы установить влияние МДС F_aq на величину потока Ф_рез , рассмотрим зависимость результирующей индукции В_рез в воздушном зазоре от результирующей МДС F_резx = F'_в ± F_aqx , действующей в некоторой точке х зазора (рис. 8.22,б).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда МДС F'_в расходуется на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих под серединой полюсов, эта МДС создает индукцию В_ср = В_в , так как в этих точках F_aqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса N, например к правому, индукция В_рез возрастает до величины В_прх , так как здесь действует МДС F'_в+ F_aqx ; при приближении к другому краю того же полюса (в данном случае к левому) индукция уменьшается до В_левх , так как здесь действует МДС F'_в - F_aqx . Однако из-за нелинейного характера зависимостиВ_рез = f(x) прирост индукции В_прх у правого края полюса меньше, чем снижение индукции В_левх у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшается (см. косую штриховку в кривой индукции на рис. 8.24, в). Снижение магнитного потока под действием МДС якоря обычно невелико и составляет всего 1 — 3%, однако оно существенно влияет на характеристики генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС Е машины при нагрузке по сравнению с ЭДС Е₀ при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т. е. на прямолинейной части (машина не насыщена), то реакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект получается и при значительном насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке магнитной характеристики. 

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 8.25). Две из них охватывают стороны секций в пределах угла 2α и образуют продольную МДС F_ad = (2α/π) А, а две другие охватывают стороны секций в пределах угла (π - 2α) и образуют поперечную МДС Faq = (π - 2α) А/π.

Рис. 8.25. Схемы возникновения продольной (а) и поперечной (б) МДС якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали

Продольная МДС Ф_aq создает продольный поток Ф_ad , который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Ф_рез в зависимости от того, совпадает МДС F_aq с F_в или направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная МДС F_ad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС F_ad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС F_ad изменять результирующий магнитный поток Ф_рез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС F_aq создает магнитный поток Ф_aq ; она действует на поток Ф_рез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

6

7

Внешние характеристики. Зависимости напряжения U от тока нагрузки I_а при неизменных токе возбуждения I_в , угле φ и частоте f₁ (постоянной частоте вращения ротора п₂ ) называют внешними характеристиками генератора. Их можно построить с помощью векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке I_а ном генератор имеет номинальное напряжение U_ном , что достигается путем соответствующего выбора тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора становится равным ЭДС холостого хода Е₀. Следовательно, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз φ между Ú и Í_а , так как в зависимости от этого изменяется вектор É₀ (при заданном значении U = U_ном ).

На рис. 6.27 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б) и активноемкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках ЭДС Е₀ > U; при активно-емкостной нагрузке ЭДСЕ₀ < U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем — увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а при активной иактивно-индуктивной нагрузках — продольная размагничивающая составляющая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).

Рис. 6.27. Упрощенные векторные диаграммы синхронного неявнополюсного генератора при различных видах нагрузки

Рис.   6.28.   Внешние   характеристики   синхронного   генератора при различных видах нагрузки

На рис. 6.28, а изображены внешние характеристики генератора   при   различных   видах   нагрузки,   полученные   при одинаковом для всех характеристик значении U_ном а на рис. 6.28,б - при одинаковом значении U₀ = E₀ . При U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока I_к .

При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной (%)        

(6.22)

Δu = [(U₀ - U_ном )/U_ном ]100.

Обычно генераторы работают с cos φ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu = 25 ÷ 35 %. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, применяют специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δu, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δu. Однако для получения небольшого изменения Δu

Рис. 6.29. Регулировочные характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки

необходимо снижать синхронное индуктивное сопротивление Х_сн (в неявнополюсных машинах) или соответственно Х_d и X_q (в явнополюсных машинах), для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. Это, в свою очередь, требует увеличения МДС обмотки возбуждения, т. е. ее размеров, что в конечном итоге делает синхронную машину более дорогой.

В турбогенераторах большой мощности мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δu. В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т. е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δu.

Регулировочные характеристики. Зависимости тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_а при неизменных напряжении U, угле φ и частоте f₁ называют регулировочными характеристиками (рис. 6.29). Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что с возрастанием нагрузки при φ > 0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при φ < 0 - уменьшать его. Чем больше угол φ по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

8

Случается так, что возникает необходимость подключения второго генератора на параллельную работу. К примеру в судовых электроэнергетических системах с целью увеличения живучести устанавливаются два или более генераторов. Суммарная мощность генераторов всегда несколько больше суммарной мощности всех потребителей. Установка нескольких генераторов повышает живучесть и экономичность установки, дает возможность проводить плановые осмотры и ремонты генераторов, выводя их поочередно из действия.

Судовые генераторы могут работать раздельно, без электрической связи между собой, или совместно, при параллельном соединении. Различают кратковременную и длительную параллельную работу генераторов. Кратковременная параллельная работа предназначена для плавного перевода нагрузки с одного генератора на другой с последующим отключением первого генератора или раздельной их работы. Совместная параллельная работа генераторов имеет ряд преимуществ:

1) перевод нагрузки с одного генератора на другой осуществляется плавно, без перерыва питания;

2) обеспечивается бесперебойность питания потребителей при выходе из строя одного из генераторов;

3) обеспечивается более высокое качество электроэнергии (меньше колебания напряжения);

4) возможность поочередного проведения технических осмотров и ремонтов генераторов.

К недостаткам параллельной работы генераторов следует отнести:

1) усложнение схемы включения и управления генераторами;

2) значительное увеличение тока при коротких замыканиях в электроэнергетической системе.

Рассмотрим параллельную работу генераторов постоянного тока параллельного и смешанного возбуждения, т.к. генераторы последовательного возбуждения в таком режиме обычно не применяются, а в параллельной работе генераторов параллельного и независимого возбуждения практически различий нет.

Рис.1 — Схема параллельной работы  генераторов параллельного возбуждения

Включение на параллельную работу генераторов параллельного возбуждения.

Принципиальная схема параллельной работы генераторов изображена на рис.1. Допустим, что первый генератор Г₁ включен на шины и работает с некоторой нагрузкой, создавая на шинах напряжения U. Генератор Г₂, работающий на холостом ходу, требуется включить в работу так, чтобы не изменился режим первого генератора Г₁, а ток генератора Г₂ при включении равнялся нулю.

Для замкнутого контура, образованного генераторами и участком шин между ними, составим уравнение по второму закону Кирхгофа

Отсюда следует, что ЭДС генераторов должны быть направлены встречно относительно друг друга. Следовательно, условия включения генераторов параллельного возбуждения на параллельную работу можно сформулировать так:

1. Полярность зажимов работающего и подключаемого генератора должна быть одинаковой.

2. ЭДС подключаемого генератора должна быть равна напряжению сети, к которой он подключается.

При выполнении этих условий ток генератора Г₂ будет равен нулю, а режим генератора Г₁ не изменится, так как

Если включить генератор Г₂ с неправильной полярностью, то в замкнутой цепи, образованной якорями обоих генераторов и шинами, их ЭДС будут складываться и так как сопротивление этой цепи очень мало, то возникает очень большой ток, что может привести к аварии генераторов.

Перевод и распределение нагрузки. После подключения генератора Г₂  к сети, можно принимать на него нагрузку. Для двух работающих параллельно генераторов уравнения равновесия напряжений цепи якоря можно представить в виде

откуда получаются соотношения для токов нагрузки

Из системы уравнений видно, что для принятия нагрузки на генераторы нужно увеличивать ЭДС, которые можно изменять либо изменением числа оборотов генератора, либо изменением тока возбуждения. Обычно частота вращения генераторов поддерживается постоянной с помощью автоматического регулятора скорости (АРС) и на практике ЭДС генераторов регулируют изменением тока возбуждения.

Для принятия нагрузки на генератор Г₂ нужно увеличить ток I_в2 путем уменьшения сопротивления r_в2 в цепи возбуждения. ЭДС Е_а2 становится больше напряжения U, в результате чего в якоре генератора Г₂ возникает ток I₂. Если ток нагрузки не изменяется, то с появлением тока I₂ ток I₁ уменьшается. Если Е_а1 при этом не изменять, то Е_а1-I₁r_a1 становится больше и напряжение на шинах начинает расти. Поэтому для поддержания U=const одновременно с увеличением Е_а2 нужно уменьшать Е_а1 путем уменьшения тока возбуждения I_в1 в цепи возбуждения генератора Г₁. Таким образом можно перевести часть или всю нагрузку с генератора Г₁ на генератор Г₂. Следует отметить, что при переводе нагрузки изменяются токи генераторов, а следовательно, изменяются и их мощности. При этом нарушается баланс мощностей генераторов и их первичных двигателей, в результате чего изменяются частоты вращения генераторов. Для поддержания числа оборотов постоянными включаются в работу АРС, которые изменяют подачу топлива, пара и т.д. в первичный двигатель и восста­навливают прежнюю частоту вращения.

Рис. 2 — Внешние характеристики генераторов

Как правило, в качестве генераторов для параллельной работа выбираются машины равной мощности, внешние характеристики которых совпадают. Тогда можно нагружать генераторы равномерно при одинаковом токе возбуждения. Если внешние характеристики не совпадают, то генераторы при параллельной работе нагружаются разными токами. На рис.2 показаны внешние характеристики двух генераторов, имеющие разный наклон. Допустим, что оба генератора включены параллельно и работают на холостом ходу с напряжением U₀. При включении на них номинальной нагрузки равной 2I_н на шинах устанавливается номинальное напряжение U_н.

Этому напряжению по внешним характеристикам соответствуют токи нагрузки генераторов I₁и I₂, причем I₁+I₂=2I_н. Как видим, генератор, имеющий более «мягкую» характеристику (1), оказывается недогруженным, а с более «жесткой» характеристикой (2) перегружен. В этом случае для равномерной нагрузки обоих генераторов необходимо увеличивать ток возбуждения первого генератора и уменьшать его у второго генератора до уравнивания токов I₁ и I₂.

Если генераторы имеют различные мощности и предназначены для параллельной работы, то для пропорционального распределения нагрузки соответственно их мощностям без регулирования тока возбуждения, необходимо, чтобы совпадали их относительные характеристики . В этом случае нагрузка будет распределяться пропорционально номинальным мощностям генераторов.

Особенности параллельной работы генераторов смешанного возбуждения. Принципиальная схема включения генераторов смешанного возбуждения при параллельной работе представлена на рис. 3.

Рис. 3 — Схема параллельной работы генераторов смешанного возбуждения

Ее отличительная особенность состоит в том, что точки (I) и (2), в которых последовательные обмотки возбуждения подключены к одноименным зажимам якоря, соединены между собой уравнительным проводом.

Уравнительный провод позволяет обеспечить устойчивую параллельную работу генераторов. Чтобы уяснить необходимость уравнительного провода, рассмотрим параллельную работу генераторов смешанного возбуждения без уравнительного провода. Допустим, что работают два генератора одинаковой мощности, с одинаковой частотой вращения, одинаковым внутренним сопротивлением r_а1= r_a2, нагрузки, ЭДС и магнитные потоки их также равны.

Если по какой-либо причине скорость одного, например, первого генератора, возрастает, то это вызовет увеличение его ЭДС E_a1, а следовательно и увеличение тока нагрузки на этот генератор. Благодаря наличию последовательной обмотки, рост нагрузки влечет за собой увеличение результирующего магнитного потока этого генератора, что приводит к еще большему возрастанию ЭДС, а соответственно и тока и т.д. В результате нагрузка данного генератора будет возрастать, а у второго генератора уменьшаться, вплоть до его перехода в двигательный режим, что опасно для обоих генераторов.

В дальнейшем чрезмерное увеличение нагрузки на первом генераторе вызывает снижение его частоты вращения, а следовательно и ЭДС. Нагрузка начинает переходить на второй генератор, т.е. его обороты будут стремиться к увеличению. Таким образом возникает колебательный процесс перехода нагрузки с одного генератора на другой и параллельная работа получается неустойчивой.

При наличии уравнительного провода 1-2 (рис. 3), последовательные обмотки оказываются включенными параллельно. Следовательно, их токи всегда находятся в одном и том же отношении, определяемом сопротивлениями этих обмоток.

Если теперь почему-либо ЭДС E_a1 генератора Г₁ станет больше ЭДС E_a2 генератора Г₂, то в цепи между якорями возникает уравнительный ток, величина которого определяется выражением

Таким образом, при увеличении ЭДС, а следовательно и тока в последовательной обмотке одного генератора в том же отношении увеличится ток и в последовательной обмотке другого генератора. В соответствии с этим одновременно увеличатся ЭДС и нагрузочные токи обоих генераторов и колебательный процесс происходить не будет. Это равенство токов в последовательных обмотках будет сохраняться при любой нагрузке. Если параллельно работают генераторы разной мощности, то сопротивления их последовательных обмотках будут не равны, поэтому токи в этих обмотках будут распределяться обратно пропорционально их сопротивлениям. Однако в любом случае изменение тока в одном генераторе приведет к изменению тока в другом и колебательный процесс происходить не будет. В этих условиях параллельная работа генераторов смешанного возбуждения становится вполне устойчивой.

Прием и распределение нагрузки в генераторах смешанного возбуждения производится как в генераторах параллельного возбуждения путем изменения тока в параллельных обмотках возбуждения.

9-11