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 генераторов независимого возбуждения

На рис. 1,а представлена схема для экспериментального исследования генератора независимого возбуждения. Для возможности изменения в широких пределах тока I_в обмотка возбуждения к независимому источнику подключается через переменный резистор R_в. Ток в цепи якоря I_а регулируется переменным резистором R_нг.

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

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС на выводах генератора Е от тока возбуждения I_в при разомкнутой цепи якоря (рубильник QS отключен, ток I_а=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 I_в=0 в обмотке якоря наводится ЭДС E_ост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Значение E_ост примерно равно 1-3% номинального напряжения машины.

Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли, которую получают, уменьшая токI_в 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 I_в при условии, что ток в цепи-якоря I_а 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 токаI_а. Если снимается одна нагрузочная характеристика, то чаще всего принимают, что I_а = I_ном. 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 I_а = 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 I_aR_a, получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке, от тока возбуждения (штриховая кривая на рис. 5; ток I_а 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 I_в1, а при нагрузке - ток I_в2. 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 I_в2 - I_в1  пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря F_в,qd и продольной МДС якоря F_d. Если щетки стоят на геометрической нейтрали, то можно считать

I_в2 - I_в1 ≈ F_в,qd /ω_в= I_в,qd.,

где ω_в - число витков катушки обмотки возбуждения.

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

Если построить характеристические треугольники при различных токах I_в, то можно выявить влияние насыщения магнитной цепи на значение / I_в,qd. При уменьшении насыщения (уменьшении тока I_a) 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=I_а, если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешняя характеристика U=f(I) снимается при I_в ==const.

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

Ток возбуждения, соответствующий U=U_ном при I=I_ном, называется номинальным током возбуждения I_в,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 I_а 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:

ΔU %=( (U₀.- U_ном )/U_ном)*100,

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 I_k у таких генераторов составляет 5-10I_ном.

Регулировочная характеристика. Как следует из рассмотрения внешних характеристик генератора независимого возбуждения, при I_в=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 I_в = f(I) при U=U_ном=const. Регулировочная характеристика показана на рис. 8. Начинают снимать ее в режиме холостого хода, когда I = 0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения I_в необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря.