Какие различают схемы
возбуждения генераторов постоянного
тока? Приведите схемы возбуждения.
Свойства генераторов постоянного тока
обусловлены в основном способом питания
обмотки возбуждения. В зависимости от
этого различают следующие типы
генераторов:
1) с независимым возбуждением —
обмотка возбуждения получает питание
от постороннего источника постоянного
тока;
2) с параллельным возбуждением —
обмотка возбуждения подключена к обмотке
якоря параллельно нагрузке;
3) с последовательным возбуждением
— обмотка возбуждения включена
последовательно с обмоткой якоря и
нагрузкой;
4) со смешанным возбуждением —
имеются две обмотки возбуждения: одна
подключена параллельно нагрузке, а
другая — последовательно с ней.
Ток,
протекающий в обмотке возбуждения
основных полюсов, создает магнитный
поток.
Электрические машины постоянного тока
следует различать по способу возбуждения
и схеме включения обмотки возбуждения.
Генераторы
постоянного тока могут выполняться с
независимым, параллельным, последовательным
и смешанным возбуждением. Следует
заметить, что теперь применение в
качестве источников энергии генераторов
постоянного тока очень ограничено.
Обмотка
возбуждения генератора
постоянного тока с независимым
возбуждением
получает питание от независимого
источника — сети постоянного тока,
специального возбудителя,
преобразователя и др. (рис. 1, а). Эти
генераторы применяются в мощных системах,
когда напряжение возбуждения должно
быть выбрано отличным от напряжения
генератора, в системах регулирования
скорости вращения двигателей,
которые питаются от генераторов и других
источников.
Значение
тока возбуждения мощных генераторов
составляет 1,0—1,5% от тока генераторов
и до десятков процентов для машин
мощностью порядка десятков ватт.
Рис.
1. Схемы генераторов постоянного тока:
а — с независимым возбуждением; б — с
параллельным возбуждением; в — с
последовательным возбуждением; г — со
смешанным возбуждением П — потребители
У
генератора
с параллельным возбуждением
обмотка возбуждения включается на
напряжение самого генератора (смотрите
рис. 1,б). Ток якоря Iя
равен сумме токов нагрузки Iп
и тока возбуждения Iв:
Iя
= Iп
+ Iв
Генераторы
выполняются обычно для средних мощностей.
Обмотка
возбуждения генератора
с последовательным возбуждением
включена последовательно в цепь якоря
и обтекается током якоря (рис. 1, в).
Процесс самовозбуждения генератора
протекает очень бурно. Такие генераторы
практически не используются. В самом
начале развития энергетики применялась
система
передачи энергии с последовательно
включенными генераторами и двигателями
последовательного возбуждения.
Генератор
со смешанным возбуждением имеет две
обмотки возбуждения — параллельную
ОВП и последовательную ОВС
обычно с согласным включением (рис. 1,
г). Параллельная обмотка может быть
включена до последовательной («короткий
шунт») или после нее («длинный шунт»).
МДС последовательной обмотки обычно
невелика и рассчитана только на
компенсацию падения напряжения в якоре
при нагрузке. Такие генераторы теперь
также практически не применяются.
Схемы
возбуждения двигателей постоянного
тока подобны схемам для генераторов.
Двигатели
постоянного тока
большой мощности выполняются обычно с
независимым возбуждением.
У двигателей параллельного возбуждения
обмотка возбуждения получает питание
от того же источника энергии, что и
двигатель. Обмотка возбуждения включается
непосредственно на напряжение источника
энергии, чтобы не сказывалось влияние
падения напряжения в пусковом сопротивлении
(рис. 2).
Рис.
2. Схема двигателя постоянного тока с
параллельным возбуждением
Ток
сети Ic
составляется из тока якоря Iя
и тока возбуждения Iв.
Схема
двигателя последовательного возбуждения
подобна схеме на рис. 1, в. Благодаря
последовательной обмотке вращающий
момент при нагрузке возрастает больше,
чем у двигателей параллельного
возбуждения, при этом скорость вращения
уменьшается. Это свойство двигателей
определяет их широкое применение в
приводах электровозной тяги: в
магистральных электровозах, городском
транспорте и др. Падение напряжения в
обмотке возбуждения при номинальном
токе составляет единицы процентов от
номинального напряжения.
Двигатели
смешанного возбуждения
из-за наличия последовательной обмотки
в некоторой мере имеют свойства двигателей
последовательного возбуждения. В
настоящее время они практически не
применяются. Двигатели
параллельного возбуждения
иногда выполняются со стабилизирующей
(последовательной) обмоткой, включаемой
согласно с параллельной обмоткой
возбуждения, для обеспечения более
спокойной работы при пиках нагрузки.
МДС такой стабилизирующей обмотки
невелика — единицы процентов от основной
МДС.
Приведите характеристики
генераторов независимого, параллельного
и смешанного возбуждений.
Генератор с независимым возбуждением
Характерной
особенностью генератора с независимым
возбуждением (рис. 1) является то, что
его ток возбуждения Iв не зависит от
тока якоря Iя, а определяется только
напряжением Uв подаваемым на обмотку
возбуждения, и сопротивлением Rв цепи
возбуждения.
Рис.
1. Принципиальная схема генератора с
независимым возбуждением
Обычно
ток возбуждения невелик и составляет
2—5 % номинального тока якоря. Для
регулирования напряжения генератора
в цепь обмотки возбуждения часто включают
регулировочный реостат Rрв. На тепловозах
ток Iв регулируют путем изменения
напряжения Uв.
Характеристика
холостого хода генератора (рис.
2, а) — зависимость напряжения Uo при
холостом ходе от тока возбуждения Iв
при отсутствии нагрузки Rн, т. е. при Iн
= Iя = 0 и при постоянной частоте вращения
п. При холостом ходе, когда цепь нагрузки
разомкнута, напряжение генератора Uo
равно его э. д. с. Eo = cЕФn.
Так
как при снятии характеристики холостого
хода частота вращения nподдерживается
неизменной, то напряжение Uo зависит
только от магнитного потока Ф. Поэтому
характеристика холостого хода будет
подобна зависимости потока Ф от тока
возбуждения Iя (магнитной характеристике
магнитной цепи генератора).
Характеристику
холостого хода легко снять экспериментально,
постепенно увеличивая ток возбуждения
от нуля до значения, при котором U0 =
1,25Uном, а затем уменьшая ток возбуждения
до нуля. При этом получаются восходящая
1 и нисходящая 2 ветви характеристики.
Расхождение этих ветвей объясняется
наличием гистерезиса в магнитопроводе
машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком
остаточного магнетизма индуцируется остаточная
э. д. с. Еост,
которая обычно составляет 2—4 % номинального
напряжения Uном.
При
малых токах возбуждения магнитный поток
машины невелик, поэтому в этой области
поток и напряжение Uo изменяются прямо
пропорционально току возбуждения и
начальная часть этой характеристики
представляет собой прямую. При увеличении
тока возбуждения магнитная цепь
генератора насыщается и нарастание
напряжения Uo замедляется. Чем больше
становится ток возбуждения, тем сильнее
сказывается насыщение магнитной цепи
машины и тем медленнее возрастает
напряжение U0. При очень больших токах
возбуждения напряжение Uo практически
перестает возрастать.
Характеристика
холостого хода позволяет судить о
значении возможного напряжения и о
магнитных свойствах машины. Номинальное
напряжение (указанное в паспорте) для
машин общего применения соответствует
насыщенной части характеристики
(«колену» этой кривой). В тепловозных
генераторах, требующих регулирования
напряжения в широких пределах, используют
как криволинейную, так и прямолинейную
ненасыщенную часть характеристики.
Э.
д. с. машины изменяется пропорционально
частоте вращения n,
поэтому при n2 < n1 характеристика
холостого хода лежит ниже кривой для
п1. При изменении направления вращения
генератора изменяется направление э.
д. с. Е, индуцированной в обмотке якоря,
а следовательно, и полярность щеток.
Внешняя
характеристика генератора (рис.
2, б) представляет собой зависимость
напряжения U от тока нагрузки Iп = Iя при
постоянных частоте вращения n и
токе возбуждения Iв. Напряжение генератора
U всегда меньше его э. д. с. Е на значение
падения напряжения во всех обмотках,
включенных последовательно в цепь
якоря.
С
увеличением нагрузки генератора (тока
обмотки якоря IЯ —
IН)
напряжение генератора уменьшается по
двум причинам:
1)
из-за увеличения падения напряжения в
цепи обмотки якоря,
2)
из-за уменьшения э. д. с. в результате
размагничивающего действия потока
якоря. Магнитный поток якоря несколько
ослабляет главный магнитный поток Ф
генератора, что приводит к некоторому
уменьшению его э. д. с. Е при нагрузке по
сравнению с э. д. с. Ео при холостом ходе.
Изменение
напряжения при переходе от режима
холостого хода к номинальной нагрузке
в рассматриваемом генераторе составляет
3 — 8℅ от номинального.
Если
замкнуть внешнюю цепь на очень малое
сопротивление, т. е. произвести короткое
замыкание генератора, то напряжение
его падает до нуля. Ток в обмотке якоря
Iк при коротком замыкании достигнет
недопустимого значения, при котором
может перегореть обмотка якоря. В машинах
малой мощности ток короткого замыкания
может в 10—15 раз превысить номинальный
ток, в машинах большой мощности это
соотношение может достигать 20—25.
Рис.
2. Характеристики генератора с независимым
возбуждением: а — холостого хода, б —
внешняя, в — регулировочная
Регулировочная
характеристика генератора (рис.
2, в) представляет собой зависимость
тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн
при неизменном напряжении U и частоте
вращения п. Она показывает, как надо
регулировать ток возбуждения, чтобы
поддерживать постоянным напряжение
генератора при изменении нагрузки.
Очевидно, что в этом случае по мере роста
нагрузки нужно увеличивать ток
возбуждения.
Достоинствами
генератора с независимым возбуждением
являются возможность регулирования
напряжения в широких пределах от 0 до
Umax путем изменения тока возбуждения и
малое изменение напряжения генератора
под нагрузкой. Однако он требует наличия
внешнего источника постоянного тока
для питания обмотки возбуждения.
Соседние файлы в предмете Электрические машины
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- Подробности
- Категория: Электрические машины
Характеристику холостого хода этого генератора снимают опытным путем так же, как и генератора независимого возбуждения. Поскольку при холостом ходе генератора параллельного возбуждения в обмотке возбуждения и в якоре протекают одинаковые токи, т. е. /я = /в, а /в обычно не превышает 1—3 % номинального тока генератора, падение напряжения в цепи якоря и реакция якоря незначительны.. Поэтому характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения практически совпадаете аналогичной характеристикой такого же генератора независимого возбуждения (кривая 1 на рис. 2, а).
Нагрузочная характеристика генератора параллельного возбуждения имеет такой же вид, как и генератора независимого возбуждения (кривая 2 на рис. 6.2, а).
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (кривая 1 на рис. 5), показывающая зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки UГ — = f (/) при постоянных частоте вращения якоря (п = const) и сопротивлении обмотки возбуждения (RB =*= const), отличается от аналогичной характеристики генератора независимого возбуждения (кривая 2 на рис. 5). Объясняется
это тем, что к двум причинам, вызвавшим уменьшение напряжения у генератора независимого возбуждения, здесь добавляется третья: уменьшение тока возбуждения, который согласно выражению ( зависит от снижающегося в результате первых двух причин напряжения. Поэтому у генератора параллельного возбуждения напряжение при увеличении нагрузки уменьшается более интенсивно и при прочих равных условиях одному и тому же номинальному току соответствуют разные значения номинальных напряжений (см. рис. 5). 1 Рассмотрение внешней характеристики (кривая 1 на рис. 5) показывает, что устойчивая работа генератора возможна только на верхней (а) ветви характеристики. При достижении тока в нагрузке, равного /кр, генератор переходит на нижнюю (б) ветвь характеристики, где его работа становится неустойчивой. Мощность генератора при этом уменьшается и доходит до нуля в режиме короткого замыкания. Ток короткого замыкания в этом случае будет малым, что обусловлено малостью остаточной ЭДС генератора.
Такой вид характеристики объясняется тем, что с увеличением тока усиливается размагничивание генератора реакцией якоря, уменьшаются ток возбуждения и магнитный поток, машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки RH вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 6.4). Ток нагрузки I — Ur/RH, поэтому при / < /КР> когда напряжение генератора уменьшается медленнее, чем убывает сопротивление Rн, происходит возрастание тока нагрузки. После того как / = /кр » (2—2,5) /Ном, дальнейшее уменьшение RH сопровождается уменьшением тока I, так как в этом случае напряжение Ur убывает быстрее, чем уменьшается сопротивление R„.
Ток короткого замыкания /к не только меньше /кр, но /к</ном. Из этого, однако, не следует, что генератор параллельного возбуждения не боится коротких замыканий. Ток /к на рис. 5 получен в результате постепенного уменьшения значения RH. При внезапном коротком замыкании магнитная система генератора не успевает размагнититься
(изменение магнитного потока существенно запаздывает в сравнении с изменением тока) и ток /к достигает опасных значений; процесс изменения напряжения будет при этом характеризоваться кривой 2 на рис. 6.5, а /к — (8-j-12) /Вом.
Огромный ток вызовет, согласно выражению (29), значительный тормозной момент и в результате искажающего действия реакции якоря существенное повышение межламельного напряжения, которое может явиться причиной возникновения кругового огня.
Номинальное изменение напряжения у генератора параллельного возбуждения составляет 10-^30 %. Иногда, чтобы уменьшить это значение, на полюсах устанавливают небольшую (2—3 витка) последовательную обмотку возбуждения, которая с ростом нагрузки увеличивает магнитный поток.
Еще по теме:
Определение. Генераторами параллельного возбуждения называют генераторы, обмотка возбуждения которых питается от ЭДС обмотки якоря и подключена к выводам якоря машины параллельно цепи нагрузки.
Схема генератора параллельного возбуждения. Схема изображена на рис. 1.20. Ток якоря IЯ = I + IВ у щеток разветвляется на ток нагрузкиI и ток возбуждения IВ . Обычно ток возбуждения невелик и составляет (0,01-0,05) IЯ.НОМ . Последовательно с обмоткой возбуждения включается реостат RP для регулирования возбуждения. Реостат позволяет изменять ток возбуждения и, следовательно, напряжение генератора.
Характеристика холостого хода генератора с самовозбуждением всегда снимается при независимом возбуждении (обмотка возбуждения отключается от якоря и запитывается от постороннего источника) и поэтому аналогична характеристике холостого хода генератора с независимым возбуждением.
Самовозбуждение генератора. Так как обмотка возбуждения подключена к выводам якоря, то важное значение имеет процесс первоначального возникновения ЭДС, называемый процессом самовозбуждения.
Рассмотрим процесс самовозбуждения при отключенной нагрузке генератора, т.е. при холостом ходе.
Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток (примерно 2-3% номинального). При вращении якоря в поле остаточного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый ток в обмотке возбуждения. При соответствующем направлении он увеличивает остаточный магнитный поток, ЭДС в якоре возрастает и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи.
Однако процесс самовозбуждения может развиваться только при определенных условиях, называемых условиями самовозбуждения. Выясним эти условия. Уравнение второго закона Кирхгофа для цепи возбуждения имеет вид: Е + еL= (Rв + Rя)iв, где еL = – d (Liв) /dt – ЭДС самоиндукции цепи возбуждения, возникающая при нарастании тока возбуждения;
L – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря; Rв — сумма сопротивлений обмотки возбуждения и регулировочного реостата.
Так как Rя « Rв, то уравнение принимает вид:
Eя=Rв iв + 
Покажем на графике характеристику холостого хода Е = f (Iв) и характеристику цепи возбуждения – прямую Uв = Rв Iв
(рис. 1.21). Отрезок аб, равный Е – Rв Iв = d (Liв) /dt, пропорционален ЭДС самоиндукции цепи возбуждения. Из графика следует, что в точке в пересечения характеристик d (Liв) /dt = 0 рост тока возбуждения прекращается Uв = E и процесс самовозбуждения заканчивается. Положение точки в, называемой рабочейточкой, зависит от сопротивления цепи возбуждения Rв » tgα. Чем оно больше, тем прямая Uв = f (Iв) идет круче и рабочая точка перемещается влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения Rв, кр = tg αкр, называемом критическим, напряжение на выводах генератора близко к остаточной ЭДС Ео и генератор не возбуждается.
Из сказанного вытекают условия, при которых генератор должен возбуждаться:
Ø наличие остаточной намагниченности;
Ø совпадение по направлению остаточного магнитного поля и поля, создаваемого обмоткой возбуждения (несовпадение полей может быть при неправильном подключении выводов обмотки возбуждения или при несоответствующем направлении вращения якоря);
Ø сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;
Ø скорость вращения якоря должна быть выше критической скорости.
Внешняя характеристика. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения U = f (I) при Rв = const и n = nном = const (рис. 1.18, кривые 2 и 2а) отличается от внешней характеристики генератора независимого возбуждения более резким снижением напряжения при увеличении нагрузки. Это объясняется следующим образом: уменьшение напряжения по тем же причинам, что и у генератора независимого возбуждения, приводит к уменьшению тока возбуждения, дополнительному уменьшению ЭДС генератора. При номинальной нагрузке снижение напряжения относительно напряжения холостого хода составляет 10-18%.
Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика генератора Iв = f (I) при U = Uном = const и n = nном = const аналогична регулировочной характеристике генератора независимого возбуждения (рис. 1.19, кривая 2), но идет несколько круче, что объясняется более значительным уменьшением напряжения генератора.
Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Фост (порядка 2—3% от полного потока). При вращении якоря поток
Рис. 28.5. Принципиальная схема (а) и характеристика х.х. (б) генератора параллельного возбуждения
индуцирует в якорной обмотке ЭДС Еост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток Iв.ост. Если МДС обмотки возбуждения Iв.ост wВ имеет такое же направление, как и поток Фост , то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е. U0 = IВrВ .
На рис. 28.5, а показана схема включения генератора параллельного возбуждения, на рис. 28.5, б — характеристика х.х. генератора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока возбуждения IВrВ = F(IВ) (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней U0 = IВrВ .
Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс определяется из треугольника ОАВ:
, (28.10)
где mi — масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм; mu — масштаб напряжения (по оси ординат), В/мм.
Из (28.10) следует, что угол наклона прямой IВrВ = F(IВ) к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбуждения. Однако при некотором значении сопротивления реостата rрг сопротивление rВ, достигает значения, при котором зависимость IВrВ = F(IВ) становится касательной к прямолинейной части характеристики х.х. (прямая 3). В этих условиях генератор не самовозбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при которой прекращается самовозбуждение генератора, называют критическим сопротивлением, (rВ.крит ).
Следует отметить, что самовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей критическую nкт. Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора (рис. 28.6), представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме х.х. от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т. е. U0 = F(n) при rВ = const.
Рис. 28.6. Характеристика самовозбуждения
Анализ характеристики самовозбуждения показывает, что при n < nкр увеличение частоты вращения якоря генератора сопровождается незначительным увеличением напряжения, так как процесса самовозбуждения нет и появление напряжения на выходе генератора обусловлено лишь остаточным намагничиванием магнитной цепи генератора. Процесс самовозбуждения начинается при n < nкр . В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким ростом напряжения U0. Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост напряжения несколько замедляется, что объясняется магнитным насыщением генератора. Критическая частота вращения зависит от сопротивления цепи возбуждения и с ростом последнего увеличивается.
Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий: а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом; б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы МДС обмотки совпадала по направлению с потоком остаточного магнетизма Фост ; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического; г) частота вращения якоря должна быть больше критической.
Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то и характеристика х.х. этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат.
Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 28.7) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причина — уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки rн ток увеличивается лишь до критического значения Iкр, а затем при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток начинает уменьшаться. Наконец, ток нагрузки при коротком замыкании Iк < Iкр. Дело в том, что с увеличением тока усиливается размагничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуждения), машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 28.5, б). Так как ток определяется напряжением на выводах генератора U и сопротивлением нагрузки rн, т. е. I = U/rн , то при токах нагрузки I < Iкр, когда напряжение генератора уменьшается медленнее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост тока нагрузки. После того как I = Iкр, дальнейшее уменьшение rн сопровождается уменьшением тока нагрузки, так как в этом случае напряжение U убывает быстрее, чем уменьшается сопротивление нагрузки rн.
Рис. 28.7. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения
Таким образом, короткое замыкание, вызванное медленным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном к.з. магнитная система генератора не успевает размагнититься и ток Iк достигает опасных для машины значений Iк = (8–12)Iном (кривая 2). При таком резком возрастании тока нагрузки на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Поэтому необходимо защищать генератор от перегрузки и к.з. посредством плавких предохранителей или же применением релейной защиты.
Генераторы параллельного возбуждения широко применяют в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя выгодно отличает эти генераторы от генераторов независимого возбуждения. Номинальное изменение напряжения генератора параллельного возбуждения составляет 10—30%.