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.

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

— с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которого получает питание от постороннего источника постоянного тока (рис. 6.23,а);

— с параллельным возбуждением, обмотка возбуждения которого подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке (рис. 6.23,б);

— с последовательным возбуждением, обмотка возбуждения которого включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой (рис. 6.23,в);

— со смешанным возбуждением с двумя обмотками возбуждения, из которых одна подключена параллельно нагрузке, а другая — последовательно с нею (рис. 6.23,г).

Рис. 6.23. Схемы генераторов с независимым (а), параллельным (б), последовательным (в) и смешанным (г) возбуждением

На рис. 6.23 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. 6.23, обозначают соответственно Д1, Д2 и К1, К2.

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.

Генератор с независимым возбуждением. У этого генератора ток возбуждения IВ не зависит от тока якоря Ia , который равен току нагрузки IН (рис. 6.24). Величина тока IВ определяется только положением регулировочного реостата RВ, включенного в цепь обмотки возбуждения, и величиной сопротивления обмотки возбуждения RОВ:

где UВ — 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.

IB=UB/(ROB+RB) (6.17)

Рис. 6.24. Характеристика холостого хода (1) и нагрузочная характеристика (2) генератора постоянного тока

Характеристикой холостого хода называют зависимость U0 =f(Iв) при токе якоря равном нулю (Ia = 0) и неизменной частоте вращения якоря (п = const) (рис. 6.24). При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U0 на зажимах обмотки якоря равно ЭДС Е0 = сe Фn.

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

Нагрузочная характеристика 2 генератора с независимым возбуждением изображена на (рис. 6.24). Она расположена ниже характеристики холостого хода 1 по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря, согласно уравнению, и размагничивающего действия поперечной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

В отличие от генератора с независимым возбуждением генератор с параллельным возбуждением ограничен условиями самовозбуждения.

Во-первых, 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.

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

В-третьих, для появления тока возбуждения необходимо, чтобы суммарное сопротивление цепи обмотки возбуждения, включающее сопротивления обмотки возбуждения, регулировочного реостата в цепи возбуждения, не превышало некоторое критическое значение, и должно соблюдаться условие: Е = Iв /(Rов + Rв), т. е. падение напряжения в цепи обмотки возбуждения не должно превышать наводимую в якоре ЭДС.

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. 6.24).

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 нее характеристики генератора с независимым возбуждением.

Внешняя характери­стика генератора постоянного тока с независимым возбуждением — это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки U = f(Ia) при постоянном токе возбуждения Iв=const (рис. 6.25,1). Для генераторов с параллельным возбуждением или самовозбуждением внешняя характеристика 2 снимается при неизменном сопротивлении цепи обмотки возбуждения.

Рис. 6.25. 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%. Как видно из рис. 6.25, при любом виде возбуждения машины номинальному току нагрузки IH должно соответствовать номинальное напряжение UH. Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке внешней характеристики, называется номинальным током возбуждения IвH.

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

(6.18)

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

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения наибольшая доля МДС возбуждения создается параллельной обмоткой, тогда как последовательная обмотка должна несколько перекомпенсировать 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. 6.26 представлены внешние характеристики генераторов с параллельным 1 и независимым возбуждением 2, иллюстрирующие поведение генератора при недопустимо больших нагрузках и коротких замыканиях.

Рис. 6.26. 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 Ik 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 Ik меньшего чем номинальный ток. Такой режим приводит к размагничиваю машины. По изложенным причинам схемы управления генераторами постоянного тока имеют предохранители или быстродействующие автоматические выключатели, незамедлительно отключающие короткое замыкание в якорной цепи.

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 Iв который зависит от напряжения на зажимах якоря: Iв = U/Rв , а напряжение в свою очередь зависит от тока нагрузки — тока якоря Iа.

Рис. 6.27. Регулировочные характеристики генераторов с независимым 1, параллельным 2, смешанным согласованным 3 и смешанным встречным 4 возбуждением

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость тока возбуждения генератора от его тока нагрузки Iв =f(Ia) при неизменном напряжении, равном номинальному U= Uн (рис. 6.27). 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.

Работа на характеристике 1 при появлении нагрузки приводит к переходу машины в двигательный режим, поскольку при номинальном токе напряжение сети превышает ЭДС машины.

В генераторах с независимым возбуждением при увеличении тока нагрузки Iа ток возбуждения Iв 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.

Параллельная работа генератора с сетью. Рассмотрим параллельную работу генератора с параллельным или независимым возбуждением с сетью бесконечно большой мощности, т. е. напряжение сети Uс = const (рис. 6.28,а). Для включения генератора на параллельную работу с сетью, необходимо привести якорь генератора во вращение с номинальной частотой, проверить соответствие полярности якоря генератора и проводов сети и установить такой ток возбуждения, при котором ЭДС генератора Е0 равно напряжению сети Uс.

Другими словами, генератор выводят на работу в самом начале внешней характеристики 1, где ток якоря Iа = 0. При обеспечении этих условий включение генератора не будет сопровождаться броском тока, поскольку ток генератора Ia = 0. Условие Е0 = Uс проверяют с помощью нулевого вольтметра V0.

Чтобы нагрузить генератор, подключенный к сети, необходимо повысить его ЭДС. Для этого обычно увеличивают ток возбуждения. По мере увеличения тока возбуждения генератор переходит с характеристики 1 на характеристику 2, на которой устанавливается номинальная нагрузка. Величину номинального тока якоря Iгн при заданном токе возбуждения можно определить графически по внешним характеристикам генератора (рис. 6.28,б). Она зависит от установившегося превышения ∆U ЭДС генератора над напряжением сети.

Рис. 6.28. Схема включения генератора на параллельную работу с сетью (а) и внешние характеристики генератора при параллельной работе с сетью (б)

Работа на характеристике 1 , при появлении нагрузки приводит к переходу машины в двигательный режим, поскольку при номинальном токе напряжение сети превышает ЭДС машины.