Генераторы постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением

Характерной особенностью генераторов постоянного тока с независимым возбуждением (ГПТ НВ) является то, что основной поток возбуждения в них создается шунтовой (параллельной) обмоткой возбуждения, которая подключается к независимому источнику питания, и гальванически не связана с обмоткой якоря (рис. 1.1 – а). Ток возбуждения ГПТ с НВ значительно меньше тока якоря. В генераторах малой мощности для создания основного магнитного потока иногда применяют постоянные магниты.

Свойства ГПТ определяются следующими основными характеристиками: холостого хода, внешними и регулировочными.

Характеристика холостого хода (рис. 1.1 – б) представляет собой зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при отсутствии нагрузки , и постоянной частоте вращения . Поскольку ЭДС обмотки равна: , при этих условиях характеристика холостого хода практически идентична кривой намагничивания электрической машины . Снимают характеристику следующим образом. Якорь генератора приводится во вращение в определенном направлении, после чего ток возбуждения плавно увеличивается от нуля до тех пор, пока ЭДС не станет примерно равна 1,25U_ном. После этого ток плавно уменьшается до нуля. Вследствие гистерезиса восходящая (полученная при увеличении тока) и нисходящая (полученная при уменьшении тока) характеристики различаются, а при за счет остаточного магнитного потока наводится ЭДС Е_ост, обычно равная 2 – 5% от U_ном. Расчетная характеристика холостого хода строится по средним значениям ЭДС.

Внешние характеристики (рис. 1.2 – а) представляют собой зависимость напряжения от тока якоря при неизменных значениях частоты вращения и тока возбуждения .

С увеличением нагрузки напряжение на якоре ГПТ уменьшается в результате размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения на собственном суммарном сопротивлении цепи якоря электрической машины:

. (1.1)

Относительное изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке составляет:

(1.2)

и обычно находится в пределах 5 – 15%.

Регулировочные характеристики показывают, каким образом необходимо изменять ток возбуждения при изменениях тока якоря для того, неизменной частоте вращения поддерживать неизменным напряжение на выводах обмотки якоря . По мере возрастания нагрузки ток возбуждения в ГПТ с НВ необходимо увеличивать. Его относительное значение при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке составляет:

. (1.3)

Генераторы с независимым возбуждением допускают регулирование и стабилизацию напряжения в весьма широких пределах. Однако, для питания обмотки возбуждения необходим специальный источник, что является существенным недостатком, и неприемлемо в системах автономного электроснабжения.

Указанного недостатка лишены генераторы параллельного возбуждения (рис. 1.3 – а), принцип действия которых основан на использовании потока остаточного магнетизма.

При вращении якоря даже в его обмотке под действием остаточного магнитного потока даже при отсутствии тока возбуждения возникает остаточная ЭДС Е_ост (рис. 1.3 – б). Для нормального развития процесса самовозбуждения необходимо выполнить ряд условий.

Первое условие самовозбуждения вытекает из сказанного и заключается в наличии остаточного магнитного потока, обеспечивающего появление ЭДС Е_ост.

Второе условие самовозбуждения заключается в согласном направлении остаточного магнитного потока и потока возбуждения, создаваемого ЭДС обмотки якоря при его вращении, результатом чего является возрастание результирующего магнитного потока. Это достигается путем строгого соблюдения полярности обмотки возбуждения по отношению к выводам обмотки якоря.

Третье условие самовозбуждения состоит в использовании нелинейной части характеристики холостого хода ГПТ.

Четвертое условие самовозбуждения является следствием третьего условия, изаключается в том, что полное сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического значения, которому соответствует линейная часть характеристики холостого хода:

. (1.4)

Это условие означает, что вольт-амперная характеристика цепи возбуждения должна пересекаться с нелинейной частью характеристики холостого хода МПТ.

При соблюдении всех условий самовозбуждения процесс идёт следующим образом (рис. 1.3 – б). Под действием ЭДС Е_ост в обмотке возбуждения появляется ток ΔI_В, который в свою очередь приводит к приращению магнитного потока, который суммируется с остаточным магнитным потоком. В результате появляется приращение ЭДС ΔЕ, и полная ЭДС возрастает:

.

Далее за счет увеличения ЭДС вновь возрастает ток возбуждения, и процесс повторяется до тех пор, пока ВАХ цепи возбуждения 1 и кривая намагничивания ГПТ 3 не пересекутся. При этом имеет место равенство: . Точка пересечения должна выбираться таким образом, чтобы при случайных отклонениях тока возбуждения обеспечивалась устойчивость процесса. Так, при пересечении характеристик в точке А случайное уменьшение тока возбуждения приводит к появлению положительной разности между ЭДС генератора и падением напряжения на обмотке возбуждения, что вызывает в свою очередь положительное приращение тока возбуждения:

При случайном возрастании тока возбуждения, напротив:

; ,

и ток возбуждения уменьшается, обеспечивая устойчивость процесса. Это имеет место только при выполнении третьего условия самовозбуждения. Если ВАХ цепи возбуждения (характеристика 2 на рис. 1.3 – б) совпадает с линейной частью характеристики холостого хода, случайные изменения тока возбуждения не компенсируются соответствующими изменениями ЭДС:

,

и процесс становится неустойчивым, поскольку полная ЭДС якоря может принимать любые значения.

Внешние характеристики генератора с самовозбуждением (рис. 1.4) при относительно небольших токах подобны характеристикам генераторов с независимым возбуждением, но располагаются они ниже. Это объясняется тем, что помимо реакции якоря и падения напряжения на его сопротивлении уменьшается и ЭДС холостого хода , поскольку ток в обмотке возбуждения зависит от напряжения: , и уменьшается при увеличении нагрузки.

При определенном значении тока, которое называется критическим, и составляет ,напряжение достигает критического значения , и далее уменьшается настолько быстро, что ток якоря падает. Точка с координатами I_а.кр, U_кр характеризует максимальную мощность, которую генератор с самовозбуждением может сообщить нагрузке.

Устойчивая работа на лежащей далее части характеристики невозможна, поскольку мощность генератора падает, и процесс становится неустойчивым.

Отклонение напряжения при переходе генератора с самовозбуждением от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки (1.2) существенно больше, чем у генераторов самовозбуждением, и составляет в зависимости от типа и мощности генератора 10 – 30%.

Установившийся ток короткого замыкания генераторов с самовозбуждением I_а.квызывается только остаточной ЭДС, и потому не превышает номинального тока. Обычно: I_а.к =(0,4 – 0,8)I _а.ном.. Однако, при внезапном коротком замыкании его значения многократно больше, поскольку магнитный поток и ЭДС не могут уменьшиться мгновенно. Такие режимы представляют большую опасность.

Регулировочные характеристики генераторов с самовозбуждением при выполнении условий ; имеют такой же вид, как и для генераторов с независимым возбуждением (рис. 1.2 – б), но диапазон нагрузок, при котором они могут быть реализованы, значительно меньше.