Генератор независимого возбуждения

Независимое возбуждение применяют достаточно широко: в ге­нераторах низкого (4—24 В) и высокого напряжений (свыше 600 В), в машинах большой мощности, где требуется широкое регулирование напряжения (на судах в рулевых электроприводах, в гребных электрических установках постоянного тока в качестве главных генераторов и возбудителей и в других устройствах).

Характеристика холостого хода. U=f(I_B) при I_я = 0 и n = const. Схема для снятия характеристики х.х. представлена на рис. 5.3.

Отключив рубильником нагрузку, устанавливают номинальную частоту вращения. Затем постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения I_в от нуля до +I_{в max} = 0 a (рис. 5.4), при котором напря­жение U₀ растет по кривой 1 до значения U_{0 max} = (1,1 1,25) U_ном. Так как I_я = 0, то U—E=c_enФ = c_eФ, где с_е — постоянный коэффициент.

Рис. 5.3. Схема генератора независимого возбуждения

Рис. 5.4. Характеристика х. х. генератора независимого возбуждения

Таким образом, характеристика х.х. U = с_еФ = f(I_в) представляет собой в ином масштабе характеристику намагничивания машины. При уменьшении тока возбуждения до I_в = 0, изменяя его направления, можно получить кривую 2, называемую нисходящей ветвью характеристики. Она располагается в первом квадранте выше кривой 1 вследствие увеличения остаточного магнитного потока. Если же повторить опыт изменения тока возбуждения в обратном на правлении, то получим кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви образуют петлю гистерезиса, определяющую свойства стали полюсов и ярма. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, получим расчетную характеристику х.х. Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенному состоянию магнитной системы. При значительных токах возбуждения сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Точка, соответствующая номинальному напряжению, обычно лежит на «колене» кривой, так как работа машины на прямолинейном участке характеристики приводит к значительным колебаниям напряжения, а работа в области насыщения требует большого тока возбуждения и ограничивает пределы регулировки напряжения.

Нагрузочная характеристика. Для снятия нагрузочной характеристики U = f(I_В) при I_я = const и n = const возбуждают генератор и устанавливают требуемый ток нагрузки I_я при помощи нагрузочного реостата R. Затем постепенно уменьшают ток возбуждения I_в, но при этом также уменьшают величину сопротивления нагрузки таким образом, чтобы при каждом отсчете параметров I_в и U ток нагрузки оставался неизменным.

При нагрузке напряжение генератора снижа­ется вследствие падения напряжения в цепи якоря I_яR_я и размагничивающего действия реакции якоря. Поэтому нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики х.х., причем тем ниже, чем больше нагрузочный ток I_я (рис. 5.5). Чтобы учесть влияние этих двух факторов на снижение напряжения генератора при нагрузке, рассмотрим построение характеристического треугольника abc по характеристикам х.х. и нагрузочной при I_я = 1Iном.

Пусть точка с нагрузочной характеристики соответствует номинальному напряжению генератора U_ном при номинальном токе возбуждения I_в._ном и номинальном токе нагрузки I_ном. Если отключить нагрузку, то по характеристике х.х. току возбуждения I_в._ном будет соответствовать напряжение U₀. Следовательно, отрезок kc характеризует снижение напряжения генератора при нагрузке. Измерив величину сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения I_я , определяем э.д.с. генератора при заданном токе нагрузки

,

где Е < U₀.

Рис. 5.5. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

Отрезок bk характеризует снижение напряжения вследствие размагничивающего действия реакции якоря. Электродвижущей силе Е_ном соответствует ток возбуждения I'_в.ном Таким образом, если бы в машине не было размагничивающего действия реакции якоря, то в обмотке возбуждения достаточно было бы установить ток I' _в.ном, при котором генератор имел бы номинальное напряжение U_ном при номинальной нагрузке. Но для компенсации размагничивающего действия реакции якоря надо установить в обмотке возбуждения ток I _в.ном > I'_в.ном. Величина отрезка ab = I _в.ном – I'_в.ном характеризует размагничивающее действие реакции якоря, а величина отрезка bс изображает падение напряжения I_.номR_я. Прямоугольный треугольник abc называют характеристическим треугольником. Второй характеристический треугольник а'b'с' построен для другого значения тока возбуждения I_B. Сторона с'b' треугольника осталась неизменной (c'b' = cb), что объясняется неизменностью тока нагрузки, но сторона а'b' уменьшилась (a'b' < ab), так как уменьшилось размагничивающее действие реакции якоря.

Внешняя характеристика. Для снятия внешней характеристики (рис. 6.6, а) пользуются схемой, изображенной на рис. 6.3. Замкнув рубильник, нагружают генератор, уменьшая величину сопротивления R до номинального тока I_я=I_ном при номинальном напряжении U = U_ном Затем постепенно уменьшают нагрузку до нуля и снимают при этом показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения R_в, а следовательно, и ток возбуждения I_в=U_в/R_в в течение опыта остаются постоянными. Снижение напряжения генератора при нагрузке происходит по двум причинам: вследствие падения напряжения в сопротивлении цепи якоря I_я/R_я и из-за размагничивающего действия реакции якоря. Степень наклона внешней характеристики к оси абсцисс, т. е. жесткость внешней характеристики, оценивается изменением напряжения генератора при номинальной нагрузке, называемым номинальным изменением напряжения генератора.

Рис. 5.6. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения (а) и ее построение (б)

Относительное изменение напряжения равно разности напряжения при х.х. и напряжения при номинальной нагрузке в долях номинального напряжения: При к.з. генератора напряжение при его зажимах падает до нуля (U = 0), а ток к.з. I_к.₃ во много раз превосходит номинальный. Поэтому к.з. генератора независимого возбуждения — чрезвычайно опасно. Внешнюю характеристику можно построить также с помощью характеристики х.х. и характеристического треугольника. Для этого проведем (рис. 5.6,б) вертикальную прямую dk, соответствующую заданному току возбуждения I_в._ном=const. Тогда dk=0_гo соответствует U₀ при I_я = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики. Расположен характеристический треугольник abc для тока I_я=I_ном таким образом, чтобы его вершина а лежала на характеристике, а ка­теты ab и bс были параллельны — первый оси абсцисс, а второй — оси ординат. Этим определяется положение точки с, соответствую­щей напряжению U=U_ном. Чтобы получить промежуточные точки внешней характеристики, например точку для тока I = 0,5I_ном, нужно повторить построение, уменьшив каждую из сторон треугольника abc в два раза. Но вместо этого можно разделить гипотенузу ас пополам в точке G и перенести отрезок cG параллельно гипотенузе ас в положение a₁c₁. После этого из точки c₁ проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с ординатой 0,5I_ном; получаем точку г₁ а затем по точкам г₀, г₁ г_ном строим внешнюю характеристику.

Регулировочная характеристика. Если регулировать ток возбуждения генератора так, чтобы при увеличении тока нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным и равным номинальному, то соответствующая кривая зависимости тока возбуждения I_в от нагрузочного тока I_я будет представлять собой регулировочную характеристику машины, I_в = f(I_я) при U = const и n = const. Для снятия регулировочной характеристики пользуются схемой, показанной на рис. 6.3. При разомкнутом рубильнике устанавливают номинальное напряжение. Затем включают нагрузку и постепенно увеличивают ток до I_ном. Для поддержания неизменным напряжения генератора увеличивают ток возбуждения, уменьшая сопротивление регулировочного реостата. На рис. 5.7, а представлена регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения. Изменение тока возбуждения .

Регулировочная характеристика может быть построена по данным характеристики х. х. и характеристическому треугольнику, как показано на рис. 5.7, б.

Рис. 5.7. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения (а) и ее построение (б)

Строим характеристику х. х. и проводим линию ге параллельно оси абсцисс на расстояние Ог. Построив характеристический треугольник аbс, например, для номинального тока I_ном мы должны расположить этот треугольник так, чтобы вершина a лежала на характеристике х. х., а вершина с — на прямой ге; этим определяется необходимый для создания напряжения U_ном ток возбуждения I_в._ном = ож. Снося точку ж вниз от оси абсцисс соответственно току I_ном, получим точку н регулировочной характеристики для номинальной нагрузки. Также строятся и другие точки регулировочной характеристики, например точка м для I_Я = 0,5I_ном. Для х. х. имеем I_{в о} = Ож₀. По точкам ж₀мн проводим регулировочную характеристику.