ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машины постоянного тока, как и все другие электрические машины, обратимы. Это означает, что одна и та же машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Однако специфика работы генераторов столь существенно отличается от специфики работы двигателей постоянного тока, в особенности работающих в напряженных режимах частых пусков, реверсов и т. д., что проектируют и выпускают отдельные серии генераторов и серии двигателей. В настоящее время наиболее широко используются генераторы общепромышленного использования последней серии 2ПН с высотой оси вращения от 100 до 315 мм мощностью от 0,37 до 180 кВт.

Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели, двигатели внутреннего сгорания и т.д.

Генераторы находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим постоянный ток (металлургические и электролизные предприятия, транспорт и т.д.).

Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 МВт.

Под номинальной мощностью генератора понимается мощность, отдаваемая машиной в сеть, а под номинальным током – ток нагрузки, соответствующий этой мощности.

Свойства генераторов постоянного тока определяются, в основном видом обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают следующие типы генераторов постоянного тока:

1) с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которого получает питание от постороннего источника постоянного тока (рис. 5.1,а);

2) с параллельным возбуждением, обмотка возбуждения которого подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке (рис. 5.1,6);

3) с последовательным возбуждением, обмотка возбуждения которого включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой (рис. 5.1,6);

4) со смешанным возбуждением с двумя обмотками возбуждения, из которых одна подключена параллельно нагрузке, а другая — последовательно с нею (рис. 5.1,г).

На рис. 5.1 приведены обозначения выводов обмоток машин постоянного тока: Я1, Я2 — выводы якоря; Ш1, Ш2 — выводы обмотки независимого и параллельного возбуждения; С1, С2 — выводы обмотки последовательного возбуждения. Выводы дополнительных полюсов и компенсационной обмотки, которые не представлены на рис. 5.1, обозначают соответственно Д1, Д2и К1, К2.

Рис. 5.1. Схемы генераторов с независимым (а), параллельным (б), последовательным (в) и смешанным (г) возбуждением

Генераторы указанных типов имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения подключаются к напряжению, равному напряжению на якоре, поэтому они имеют большое число витков, изготовляют из провода малого сечения и обладают сопротивлением, многократно превышающим сопротивление обмотки якоря.

По обмотке последовательного возбуждения проходит ток якоря, поэтому она имеет небольшое число витков и изготовляется из провода большого сечения.

Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

Уравнение напряжения генератора. Это уравнение справедливо для всех генераторов независимо от способа их возбуждения.

Напряжение на выводах генератора всегда будет меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения:

U=E - 1_а R_а , (5.1)

где R_а – сопротивление, учитывающее падение напряжения в обмотках якоря, дополнительных полюсах, последовательной и компенсационной, в щёточном контакте.

Ток якоря генератора 1_а обусловлен ЭДС E и всегда имеет сней одинаковое направление.

Генератор с независимым возбуждением.У этого генератора ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_a, который равен току нагрузки I_Н (рис. 5.1). Величина тока I_В определяется только положением регулировочного реостата R_В, включенного в цепь обмотки возбуждения, и величиной сопротивления обмотки возбуждения R_ОВ:

I_В = U_В /( R_ОВ+ R_В) (5.2)

где U_В — напряжение источника питания обмотки возбуждения.

Ток возбуждения генератора невелик и составляет 1...3% от номинального тока якоря. Однако большое число витков обмотки обеспечивает создание необходимой МДС.

Свойства генератора постоянного тока определяются его основными характеристиками, каковыми являются: характеристика холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Рис. 5.2. Характеристика холостого хода (1) и нагрузочная характеристика (2) генератора постоянного тока

Характеристикой холостого хода называют зависимость U при токе якоря равном нулю (I_a,= 0) и неизменной частоте вращения якоря (n = const) (рис. 5.2). При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U₀ на зажимах обмотки якоря равно ЭДС Е₀ = с_еФn.

Поскольку произведение с_еn неизменно, а ЭДС генератора пропорциональна магнитному потоку, то характеристика холостого хода подобна кривой намагничивания Ф =f(I_В). Характеристика отсекает на оси ЭДС отрезок, соответствующий остаточной ЭДС Е_ост.Наличие ЭДС Е_ост при токе возбуждения, равном нулю, объясняется потоком остаточной намагниченности магнитопровода генератора.

Нагрузочная характеристика 2 генератора с независимым возбуждением изображена на рис. 5.2. Она расположена ниже характеристики холостого хода 1 по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря, и размагничивающего действия поперечной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

В отличие от генератора с независимым возбуждением для генератора с параллельным возбуждением должны быть выполнены условия самовозбуждения:

1) для самовозбуждения необходим остаточный магнитный поток, который при вращении генератора наводит остаточную ЭДС, что вызывает появление в обмотке возбуждения тока, увеличение потока, последующее нарастание ЭДС и т. д. Размагниченный генератор не способен к самовозбуждению.

2) для самовозбуждения необходимо, чтобы МДС остаточного магнетизма и МДС обмотки возбуждения совпадали по направлению, ибо только в этом случае возможно нарастание тока возбуждения.

3) для нарастания тока возбуждения при самовозбуждении необходимо, чтобы выполнялось условие Е>I_В(R_ОВ+R_В). Выполнение этого условия возможно, если суммарное сопротивление цепи обмотки возбуждения, включающее сопротивления обмотки возбуждения, регулировочного реостата в цепи возбуждения, не превышает некоторого критического значения.

Процесс возбуждения заканчивается, когда ток в обмотке возбуждения достигает установившегося значения Е=I_В(R_ОВ+R_В)

Генератор с параллельным возбуждением имеет нагрузочную характеристику, которая из-за малости тока возбуждения по сравнению с током якоря практически не отличается от характеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 5.2).

Генератор со смешанным согласным возбуждением имеет нагрузочную характеристику, которая может располагаться как выше характеристики холостого хода, поскольку при сильной последовательной обмотке возбуждения, ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря. При слабой последовательной обмотке возбуждения характеристика может проходить ниже характеристики генератора с независимым возбуждением.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением — это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки U=f(I_a) при постоянном токе возбуждения I_В = const (рис. 5.3, 1). Для генераторов с параллельным возбуждением внешняя характеристика 2 снимается при неизменном сопротивлении цепи обмотки возбуждения.

Рис. 5.3. Внешние характеристики генераторов постоянного тока с независимым 1, параллельным 2, смешанным согласным 3 и смешанным встречным 4 возбуждением

Внешнюю характеристику машины постоянного тока можно снимать увеличивая ток нагрузки от нуля до номинального значения и далее до значения, кратковременно превышающего номинальный ток на 15...20%. При любом виде возбуждения машины номинальному току нагрузки I_Н должно соответствовать номинальное напряжение U_Н. Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке внешней характеристики, называется номинальным током возбуждения I_ВН.

При переходе от режима холостого хода к режиму нагрузки происходит уменьшение напряжения, тем большее, чем больше ток нагрузки (исключение составляют генераторы со смешанным согласным возбуждением). Изменение напряжения для любой нагрузки можно определить по внешней характеристике. В номинальном режиме изменение напряжения ΔU будет равно:

ΔU=(U₀- U_Н)/ U_Н100%

Для генераторов с независимым возбуждением изменение напряжения ΔU составляет 5...15%.

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения наибольшая доля МДС возбуждения создается параллельной обмоткой, тогда как последовательная обмотка должна компенсировать размагничивающее действие реакции якоря. При увеличении тока нагрузки последовательная обмотка не только компенсирует размагничивающую составляющую реакции якоря, но и создает избыточную МДС, которая будет увеличивать магнитный поток возбуждения и ЭДС якоря. В результате внешняя характеристика 3 генератора будет в диапазоне токов якоря от нуля до номинального значения восходящей и располагаться ниже характеристик генератора с параллельным и независимым возбуждением.

В генераторах смешанного возбуждения со встречным включением обмоток возбуждения МДС последовательной обмотки возбуждения будет размагничивать машину, действуя согласно с размагничивающей составляющей реакции якоря. При уменьшении тока нагрузки их совместное размагничивающее действие уменьшается, что приводит к большему по срав­нению с генераторами параллельного возбуждения росту напряжения. В результате внешняя характеристика 4 генератора будет иметь резко возрастающий характер.

На рис. 5.4 представлены внешние характеристики генераторов с параллельным 1 и независимым возбуждением 2, иллюстрирующие поведение генератора при недопустимо больших нагрузках и коротких замыканиях.

Рис. 5.4. Короткое замыкание генераторов с параллельным 1 и независимым 2 возбуждением

Если обмотки якоря генератора независимого возбуждения замкнуть накоротко, то возникает чрезвычайно опасный для него режим короткого замыкания. Ток короткого замыкания в 5...10 раз превышает номинальный ток. Чем больше мощность машины, тем больше ток короткого замыкания, который приводит к разрушению обмотки якоря вследствие сильного нагрева и больших электродинамических сил, действующих между секциями якоря. Кроме того, ток короткого замыкания приводит к сильному искрению щеток и даже появлению кругового огня, разрушающего коллектор.

В генераторах параллельного возбуждения короткое замыкание приводит к нарастанию тока до критического для генератора значения, а затем его уменьшение до I_К меньшего чем номинальный ток. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением 1 располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением 2. Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе, кроме двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки (падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря), существует третья причина — уменьшение тока возбуждения I_В, который зависит от напряжения на зажимах якоря: I_В = U_В /( R_ОВ+ R_В), а напряжение в свою очередь зависит от тока нагрузки — тока якоря I_a. Режим короткого замыкания приводит к размагничиваю машины с параллельным возбуждением.

По изложенным причинам схемы управления генераторами постоянного тока имеют предохранители или быстродействующие автома­тические выключатели, незамедлительно отключающие короткое замыкание в якорной цепи.

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость тока возбуждения генератора от его тока нагрузки I_В = f(I_a) при неизменном напряжении, равном номинальному U= U_Н (рис. 5.5). Она показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Обычно регулировочную характеристику снимают при увеличении нагрузки, при этом первая точка _ характеристики соответствует режиму холостого хода.

Рис. 5.5. Регулировочные характеристики с независимым 1, параллельным 2,смешанным согласованным 3 и смешанным встречным 4 возбуждением

В генераторах с независимым возбуждением при увеличении тока нагрузки I_a ток возбуждения I_В также необходимо увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря. Генератор с параллельным возбуждением имеет такую же регулировочную характеристику 2, как и генератор с независимым возбуждением.

В генераторах со смешанным согласным возбуждением в соответствии с их внешней характеристикой 3 при увеличении тока нагрузки ток возбуждения сначала необходимо уменьшать. И только после достижения номинального значения тока, когда напряжение генератора при работе на внешней характеристике начнет уменьшаться, ток возбуждения следует увеличивать.

Таким образом, генераторы со смешанным согласным включением обмоток возбуждения позволяют получить приблизительно одинаковое напряжение при изменении нагрузки в широких пределах.

Наконец, в генераторе со смешанным встречным возбуждением из-за их сильного размагничивания с ростом тока нагрузки для поддержания напряжения необходимо резко увеличивать ток возбуждения (кривая 4).

Генераторы с параллельным и со смешанным согласным возбуждением применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока.

Генераторы с независимым возбуждением применяются тогда, когда требуется в широких пределах изменять напряжение источника постоянного тока. Они применяются, например, в электроприводах для питания двигателей постоянного тока с широким диапазоном регулирования частоты вращения таких, как прокатные станы, металлорежущие станки.