ГЕНЕРАТОР СО СМЕШАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

На рис.126 а приведена схема соединения генератора со смешанным возбуждением. Параллельная обмотка возбуждения его присоединена параллельно приемнику энергии; последовательная обмотка возбуждения включается последовательно в цепь якоря.

а б

Рис.126

Обладая двумя обмотками на своих полюсах, генератор этого типа объединяет в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждением.

Если напряжение у генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока нагрузки уменьшается, а у генератора с последовательным возбуждением увеличивается, то, подбирая число витков параллельной и последовательной обмоток генератора со смешанным возбуждением, можно добиться того, что напряжение машины с нагрузкой меняться не будет. Внешняя характеристика такого генератора представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (рис.126 б).

Следует иметь в виду, что с изменением тока нагрузки будет изменяться величина падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Поэтому даже при постоянном напряжении генератора напряжение у потребителя будет изменяться. Во избежание этого число витков последовательной обмотки подбирают таким, чтобы магнитное поле, созданное этой обмоткой, не только компенсировало падение напряжения, вызванное действием реакции якоря и падением напряжения в обмотках машины, но было бы несколько большим. В этом случае напряжение генератора с нагрузкой будет несколько увеличиваться, что даст возможность скомпенсировать падение напряжения в подводящих проводах. Поэтому напряжение у потребителя будет практически постоянным.

Генераторы со смешанным возбуждением получили широкое распространение особенно там, где требуется сохранить постоянство напряжения при резко или часто изменяющейся нагрузке.

1. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения, то она станет работать электрическим двигателем, т.е. превращать электрическую энергию в энергию механическую. Это свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя называется обратимостью.

Несмотря на то, что существуют более простые по устройству и удобные в эксплуатации двигатели переменного тока, большое применение на практике имеют и двигатели постоянного тока. Основное преимущество этих двигателей – широкая регулировка оборотов – дает возможность применять двигатели постоянного тока на электрифицированном транспорте, в грузоподъемных механизмах, горной технике, в различных схемах автоматического регулирования и управления и т.д. Так тяговые двигатели трамваев имеют мощности до 60кВт, напряжение до 550В, скорости 560-700 об/мин. В электровозах применяются двигатели до 450кВт, 750В. Для привода прокатных станов используются двигатели постоянного тока мощностью до 5000кВт.

Устройство электрических двигателей такое же, как у генераторов. Принцип действия основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов (рис.127 а).

Вращающий момент двигателя

Ф, (10-4)

где коэффициент пропорциональности, ток якоря, Ф – магнитный поток.

При постоянной скорости вращения момент, развиваемый двигателем, равен тормозящему моменту, приложенному к валу двигателя:

Мощность, потребляемая двигателем от сети, больше мощности на вале на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на вихревые токи и гистерезис, потерь мощности на нагрев обмоток. Кпд электрического двигателя с изменением нагрузки так же изменяется.

Перемена направления вращения может быть произведена путем изменения направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке полюсов. Двигатель, у которого одновременно изменено направление тока, как в обмотке якоря, так и в обмотке полюсов, будет вращаться в ту же сторону, что и прежде.

При вращении якоря электродвигателя его обмотка пересекает магнитное поле. Поэтому в ней по закону электромагнитной индукции возникает эдс индукции. Как видно из рис. 127 б, направление эдс, индуктируемой в проводнике, определяемое по правилу правой руки, будет противоположно напряжению сети, откуда она и получила название протовоэдс. Ток в обмотке якоря при работе двигателя:

(10-5)

где напряжение сети, величина противоэдс, сопротивление обмотки якоря.

а б

Рис.127

Величина противоэдс

(10-6)

где с – коэффициент пропорциональности, число оборотов двигателя, Ф – величина магнитного потока. Из этого соотношения следует

. (10-7)

Так как очень мало (вследствие малого сопротивления обмотки), то приближенно можно записать:

(10-8)

Из последнего выражения видно, что число оборотов двигателя постоянного тока пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально магнитному потоку.

Изменяя напряжение, подводимое к двигателю, а также изменяя ток возбуждения при помощи регулировочного реостата, включенного в цепь возбуждения, можно изменять число оборотов двигателя.

Двигатель с параллельным возбуждением. На рис. 128 представлена схема двигателя с параллельным возбуждением. Так как обмотка возбуждения включена параллельно в сеть, то при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и напряжении сети магнитный поток Ф двигателя должен быть постоянным.

а б в

Рис.128

Число оборотов двигателя постоянного тока зависят только от величин напряжения сети и магнитного потока, и поскольку оба они постоянны, то и число оборотов двигателя с параллельным возбуждением не должно изменяться с изменением нагрузки. Однако из формулы

(10-9)

видно, что величина противоэдс двигателя уменьшается с увеличением тока якоря, отчего число оборотов также уменьшается. Кроме того, с увеличением нагрузки реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению числа оборотов. На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было скомпенсировано реакцией якоря. Отсюда характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является практически неизменная скорость вращения при различных нагрузках на его валу.

Регулирование скорости вращения ротора в двигателях обычно производится путем изменения магнитного потока, с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения.

Двигатели с параллельным возбуждением применяются в сетях постоянного тока для привода станков, насосов, вентиляторов, ткацких машин, прокатных станов, шахтных подъемниках, требующих постоянной скорости вращения или широкой регулировки скорости.

Двигатель с последовательным возбуждением. Схема двигателя с последовательным возбуждением показана на рис.128 б.

У двигателей этого типа обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам двигателя, будет одинаковым.

Так как при малых насыщениях стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря

(10-10)

то вращающий момент двигателя

(10-11)

можно считать пропорциональным квадрату тока якоря

(10-12)

Квадратичная зависимость момента вращения от тока в обмотке якоря позволяет двигателю с последовательным возбуждением резко увеличивать с нагрузкой свой момент вращения. Это особенно ценно при пуске двигателя в ход, когда он должен быстро преодолеть инерцию нагрузки на его валу.

У двигателя с параллельным возбуждением момент вращения пропорционален первой степени тока. Поэтому при одинаковом пусковом токе и при прочих равных условиях двигатель с последовательным возбуждением разовьет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением.

Число оборотов двигателя с последовательным возбуждением с нагрузкой резко меняется, так как вместе с изменением тока якоря меняется магнитный поток полюсов. Из формулы видно, что при постоянном напряжении сети число оборотов двигателя обратно пропорционально величине магнитного потока. Поэтому нагруженный двигатель, потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшое число оборотов. При уменьшении нагрузки на валу ток якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается и число оборотов двигателя увеличивается.

Поэтому если нагрузку на валу двигателя с последовательным возбуждением сильно уменьшить или снять полностью, ток якоря и поток Ф сильно уменьшается и, как видно из последней формулы, число оборотов двигателя возрастает до недопустимо большой величины, опасной для механической прочности двигателя. В результате работа двигателя с последовательным возбуждением вхолостую или при малой нагрузке недопустима, так как ему грозит «разнос» от чрезмерного увеличения скорости вращения. Двигатели этого типа нельзя соединять с тем или иным механизмом при помощи ремня, так как обрыв или соскакивание ремня приведет к разгрузке и «разносу» двигателя.

Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, поездов метрополитена, трамвая, электрических подъемных кранов и т.д.

Двигатель со смешанным возбуждением. Схема двигателя со смешанным возбуждением дана на рис.128в. Наличие на полюсах двигателя двух обмоток позволяет использовать преимущества двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Этими преимуществами являются постоянство скорости вращения и большой вращающий момент при пуске двигателя.

Благодаря присутствию параллельной обмотки двигатель не может пойти в «разнос» при малой нагрузке или отсутствии ее. Обмотки возбуждения могут быть включены так, чтобы их магнитные потоки совпадали по направлению (согласное включение), или так, чтобы потоки были противоположны (встречное включение). При согласном включении обмоток двигатель будет приближаться по свойствам к двигателю с параллельным или последовательным возбуждением, в зависимости от того, какая из обмоток будет иметь большее число ампер-витков. При нагрузке двигателя со встречным включением обмоток магнитный поток последовательной обмотки, увеличиваясь, уменьшает общий магнитный поток двигателя, а число оборотов двигателя увеличивается до нормальной величины.

Регулировка числа оборотов двигателя со смешанным возбуждением выполняется реостатом в цепи параллельной обмотки возбуждения.

Двигатели со смешанным возбуждением нашли широкое применение в механизмах с резкой переменной нагрузкой, временно падающей до нуля.

Контрольные вопросы

1. Перечислить основные части генератора постоянного тока и их назначение.

2. Перечислить основные части электродвигателя постоянного ока.

3. Как делятся генераторы и двигатели постоянного тока по способу возбуждения?

4. Объяснить работу генератора с независимым возбуждением.

5. Объяснить работу генератора с параллельным возбуждением.

6. Объяснить работу генератора с последовательным возбуждением.

7. Объяснить работу генератора со смешанным возбуждением.

8. От чего зависит эдс генератора?

9. От чего зависит число оборотов электродвигателя?

Г л а в а 11