билеты_ЭМ / 11.Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением принцип действия, условия самовозбуждения, характеристики

11.Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением: принцип действия, условия самовозбуждения, характеристики.

Рис. 8.47. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и зависимости изменения ЭДС и падения напряжения в цепи возбуждения iвΣRв при изменении тока возбуждения генератора (б)

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 8.47, а) обмотка возбуждения подсоединена через регулировочный реостат параллельно нагрузке. Следовательно, в данном случае используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Чтобы установить их, рассмотрим процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуждения — обмотка якоря» в режиме холостого хода. Для рассматриваемого контура получим уравнение

(8.59)

e = i_в ΣR_в + L_в di_в /dt,

где е и i_в — мгновенные значения ЭДС в обмотке якоря и тока возбуждения; ΣR_в = R_в + R_р.в — суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением ΣR_а можно пренебречь, так как оно значительно меньше ΣR_в ); L_в — суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря. Все члены, входящие в (8.59), можно изобразить графически (рис. 8.47,б). ЭДС е при некотором значении i_в тока возбуждения можно определить по характеристике ОА холостого хода генератора, а падение напряжения i_в ΣR_в — по вольтамперной характеристике ОВ его цепи возбуждения. Характеристика ОВ представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом у к оси абсцисс; при этом tg γ = ΣR_в . Из (8.59) имеем

(8.60)

di_в /dt = (e - i_в ΣR_в )/L_в .

Следовательно, если разность (e - i_вΣR_в ) > 0, то производная di_в /dt > 0, и происходит процесс увеличения тока возбуждения i_в .

Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения наблюдается при di_в /dt = 0, т. е. в точке пересечения С характеристики холостого хода ОА с прямой ОВ. При этом машина работает с некоторым установившимся током возбуждения I_в0 и ЭДС Е₀ = U₀ .

Из уравнения (8.60) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий:

1) процесс самовозбуждения может начаться только в том случае, если в начальный момент (i_в = 0) в обмотке якоря индуцируется некоторая начальная ЭДС. Такая ЭДС может быть создана потоком остаточного магнетизма, поэтому для начала процесса самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуцирует в его обмотке ЭДС Е_ост . Обычно поток остаточного магнетизма имеется в машине из-за наличия гистерезиса в ее магнитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника;

2) при прохождении тока i_в по обмотке возбуждения ее МДС F_в должна быть направлена согласно МДС остаточного магнетизма F_ocт . В этом случае под действием разности е - i_в ΣR_в происходит процесс нарастания тока i_в , магнитного потока возбуждения Ф_в и ЭДС е. Если указанные МДС направлены встречно, то МДС обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается и процесс самовозбуждения не сможет начаться;

3) положительная разность е - i_в ΣR_в , необходимая для возрастания тока возбуждения i_в от нуля до установившегося значения I_в0 , может возникать только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока i_в прямая ОB располагается ниже характеристики холостого хода ОА. При увеличении сопротивления цепи возбуждения ΣR_в возрастает угол наклона γ прямой ОB к оси тока I_в и при некотором критическом значении угла γ_кр (соответствующем критическому значению сопротивления ΣR_в.кр ) прямая ОВ' практически совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ≈ i_в ΣR_в и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было меньше критического значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что ΣR_в < ΣR_в.кр , то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока i_в ниже установившегося значения I_в0 или увеличении его свыше I_в0 возникает соответственно положительная или отрицательная разность (е - i_в ΣR_в ), стремящаяся изменить ток i_в так, чтобы он стал снова равным I_в0 . Однако при ΣR_в > ΣR_в.кр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения ΣR_в до значения, большего ΣR_в.кр , то его магнитная система размагничивается и ЭДС уменьшается до Е_ост . Если генератор начал работать при ΣR_в > ΣR_в.кр , то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие ΣR_в < ΣR_в.кр ограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора и его напряжения. Обычно можно уменьшать напряжение генератора, увеличивая сопротивление ΣR_в , лишь до (0,6—0,7)U_ном . Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U = f(I_н ) при n = const и R_в = const (кривая 1, рис. 8.48). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Это объясняется тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом

Рис. 8.48. Внешние характеристики генераторов с независимым и парал-лельным возбуждением

нагрузки (падения напряже-ния в якоре и размагничи-вающего действия реакции якоря), существует еще третья причина — уменьше-ние тока возбуждения I_в = U/ΣR_в , который зависит от напряжения U, т. е. от тока I_н .

Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока I_кр . При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки R_н ток I_н = U/R_н начинает уменьшаться, так как напряжение U падает быстрее, чем уменьшается R_н . Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива; в этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий точке b, т. е. в режим короткого замыкания.

Особенно наглядно видно действие причин, вызывающих уменьшение напряжения  генератора  с ростом  нагрузки, из рассмотрения   рис.   8.49,   на   котором   показано   построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, параллельную оси абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника, соответствующего номинальной нагрузке; катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна лежать на характеристике холостого хода 1. Через начало координат и вершину А проводят прямую 2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является вольтамперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения. По ординате точки пересечения Е характеристик 1 и 2 получаем напряжение генератора U₀ = E₀ при холостом ходе.

Ток возбуждения I_в.ном при номинальном режиме соответствует абсциссе точки А, а ЭДС генератора E_ном при номинальной нагрузке — ординате точки В. Ее можно определить по характеристике холостого хода, если уменьшить ток возбуждения I_в.ном на величину отрезка ВС, учитывающего размагничивающее действие реакции якоря. При построении внешней характеристики 3 ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются напряжениями U₀ и U_ном . Промежуточные точки с, d,... получают, проводя

Рис. 8.49.  Графики построения внешней характеристики генератора с  параллельным возбуждением с помощью характеристического  треугольника

прямые А'С', А"С", А'"С"',..., параллельные гипотенузе АС, до пересечения с вольт-амперной характеристикой 2 в точках А', А", А"',..., а также с характеристикой холостого хода 1 в точках С', С", С'",.... Ординаты точек А' А" А'",... соответствуют напряжениям при токах нагрузки I_a1, I_a2, I_a3,..., величины которых определяются из соотношения

I_aном : I_a1 : I_a2, Ia3 … = AC : A'C' : A"C" : A'"C'" ...

При переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода напряжение генератора изменяется на 10 - 20%, т. е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При установившемся коротком замыкании якоря ток I_к генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал (см. рис. 8.48), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток к. з. создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4 - 0,8) I_ном . Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как и у генератора с независимым возбуждением.

Большинство генераторов постоянного тока, выпускаемых отечественной промышленностью, имеют параллельное возбуждение. Для улучшения внешней характеристики они обычно имеют небольшую последовательную обмотку (один — три витка на полюс). При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением.

4