Генератор параллельного возбуждения и его характеристики

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 I_Я = I + I_В у щеток разветвляется на ток нагрузкиI и ток возбуждения I_В . Обычно ток возбуждения невелик и составляет (0,01-0,05) I_Я.НОМ . Последовательно с обмоткой возбуждения включается реостат R_P 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 + е_L= (R_в + R_я)i_в, где е_L = – d (Li_в) /dt – ЭДС самоиндукции цепи возбуждения, возникающая при нарастании тока возбуждения;

L – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря; R_в — сумма сопротивлений обмотки возбуждения и регулировочного реостата.

Так как R_я « R_в, то уравнение принимает вид:

E_я=R_в i_в +

Покажем на графике характеристику холостого хода Е = f (I_в) и характеристику цепи возбуждения – прямую U_в = R_в I_в

(рис. 1.21). Отрезок аб, равный Е – R_в I_в = d (Li_в) /dt, пропорционален ЭДС самоиндукции цепи возбуждения. Из графика следует, что в точке в пересечения характеристик d (Li_в) /dt = 0 рост тока возбуждения прекращается U_в = E и процесс самовозбуждения заканчивается. Положение точки в, называемой рабочейточкой, зависит от сопротивления цепи возбуждения R_в » tgα. Чем оно больше, тем прямая U_в = f (I_в) идет круче и рабочая точка перемещается влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения R_{в, кр} = tg α_кр, называемом критическим, напряжение на выводах генератора близко к остаточной ЭДС Е_о 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 R_в = const и n = n_ном = 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 I_в = f (I) при U = U_ном = const и n = n_ном = 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 Ф_ост (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 Е_ост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток I_в.ост. Если МДС обмотки возбуждения I_в.ост w_В имеет такое же направление, как и поток Ф_ост , 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 = I_Вr_В .

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 I_Вr_В = F(I_В) (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней U₀ = I_Вr_В .

Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс определяется из тре­угольника ОАВ:

где m_i — масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм; m_u — масштаб на­пряжения (по оси ординат), В/мм.

Из (28.10) следует, что угол наклона прямой I_Вr_В = F(I_В) к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбужде­ния. Однако при некотором значении сопротивления реостата r_рг сопротивление r_В, достигает значения, при котором зависимость I_Вr_В = F(I_В) 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, (r_В.крит ).

Следует отметить, что самовозбуж­дение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей крити­ческую n_кт. 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 r_В = const.

Характеристика холостого хода и процесс самовозбуждения.Как видно из рис. 9.16, от якоря генератора параллельного возбуждения получают питание приемник электрической энергии и обмотка возбуждения Ш₁= Ш₂. Согласно первому закону Кирхгофа

Мощность Р_в и ток I_в обмотки возбуждения невелики. Обычно Р_в,ном ≈ (0,02÷0,05) Р_ном и I_в,ном ≈ (0,02÷0,05) х I_ном, где Р_ном и I_ном— номинальные мощность и ток генератора; Р_в,ном и I_в,ном — мощность и ток возбуждения при номинальном режиме работы генератора.

При холостом ходе I = 0 и в обмотке якоря возникает весьма небольшой ток I_я = I_в. На основании второго закона Кирхгофа при холостом ходе U = Е — I_яr_я = Е — I_вr_я .

Падением напряжения Iвrя ввиду его малости можно прене­бречь и считать, что при холостом ходе U = Е. Так как при хо­лостом ходе ток I_я = I_в невелик, реакцию якоря можно не учитывать. В этом случае, как и для генератора независимого возбуждения,

Очевидно, связь между Ф и I_в, а также между Еи I_в зависит от параметров генератора и совершенно не зависит от того, откуда получает питание обмотка возбуждения. Поэтому генератор параллельного возбуждения имеет характеристику холостого хода Е(I_в) (рис. 9.17), подобную характеристике генератора независимого возбуждения.

Особенностью генератора параллельного возбуждения является то, что он работает по принципу самовозбуждения. Для того чтобы генератор возбудился, должны быть выполнены два условия:

1) генератор должен иметь магнитный поток остаточного намагничивания Ф₀;

2) обмотка возбуждения должна быть подключена к якорю так, чтобы ею создавался магнитный поток, совпадающий по направлению с потоком остаточного намагничивания.

Рис. 9.16. Схема включения генератора параллельного возбуждения

Рис. 9.16. К пояснению процесса самовозбуждения генератора параллельного возбуждения

Процесс самовозбуждения можно пояснить следующим образом. Магнитным потоком Ф₀ в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е₀, под действием которой в обмотке возбуждения возникает ток I_в0, возбуждаюший магнитный поток Ф₁ > Ф₀. Потоком Ф₁ > Ф₀ в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е₁ > Е₀, под действием которой в обмотке возбуждения возникает ток I_в1 > I_в0, вызывающий магнитный поток Ф₂ > Ф₁, и т. д.

Чтоб решить вопрос о том, до каких установившихся значений ЭДС Е и тока I_в возбудится генератор, запишем по второму закону Кирхгофа уравнение для переходного процесса самовозбуждения

где L_я и L_в — индуктивность обмоток якоря и возбуждения; L_я di_я/dt и L_в di_в/dt— ЭДС самоиндукции, возникающие в обмотках якоря и возбуждения вследствие изменения тока i_в.

Когда процесс самовозбуждения закончится, di_в/dt = 0,
i_в = I_в, e = E и вместо (9.13) можно написать

Таким образом, процесс самовозбуждения закончится тогда, когда ЭДС станет равной падению напряжения в сопротивлениях цепи якоря и обмотки возбуждения.

Установившиеся значения Е и I_в при заданном сопротивлении r_р нетрудно найти графическим путем, для чего необходимо знать характеристику холостого хода Е(I_в) и вольт-амперную характеристику I_в Σr = f(I_в) (рис. 9.17). При равных значениях Σr получим соответственно несколько вольт-амперных характеристик I_в Σr = f(I_в). Устано­вившиеся значенияЕ и I_в определяются точками пересечения хaрактеристики холостого хода и вольт-амперных характеристик.

Падением напряжения I_вr_я можно пренебречь. Тогда

После замены в последнем уравнении напряжения согласно выражению U = Ir_п и решения относительно тока получим

Как видно, уравнение внешней характеристики и формула для определения тока нагрузки имеют такой же вид, как для генератора независимого возбуждения. Однако напряжение U и токI генератора параллельного возбуждения будут изменяться по-иному при изменении сопротивления r_п. Объясняется это тем, что у генератора параллельного возбуждения ЭДС не остается постоянной. Действительно, изменение сопротивления r_п будет приводить к изменению тока I и напряжения U. Но так как

а Е = f(I_в), то при этом будет изменяться также ЭДС Е. При холостом ходе генератора (r_п = ∞, I= 0)

Предположим, что при холостом ходе значения Е и I_в определяются точкой А (см. рис. 9.17). Поскольку ферромагнитный материал магнитной цепи насыщен, сначала при уменьшении сопротивления r_п числитель в (9.14) уменьшается медленнее знаменателя и ток I возрастает доI_max (рис. 9.18); напряжение U снижается как из-за увеличения падения напряжения Ir_я , так и вследствие уменьшения ЭДС. При некотором сопротивлении r_п ток возбуждения уменьшится до значения I_в3 и ферромагнитный материал окажется ненасыщенным. Поэтому при дальнейшем уменьшении r_п числитель в (9.14) будет уменьшаться быстрее знаменателя и ток I будет спадать. Несмотря на уменьшение падения напряжения Ir_я напряжение будет продолжать снижаться из-за значительного уменьшения ЭДС Е. Таким образом, при уменьшении сопротивления приемникаr_п напряжение U непрерывно снижается, ток I сначала возрастает, при некотором сопротивленииr_п достигает максимального значения I_max , а при дальнейшем уменьшении r_п уменьшается. Максимальный ток I_max составляет I_max = (2 ÷ 3) I_ном. Внешняя характеристика 1 генератора параллельного возбуждения приведена на рис. 9.18. Там же дана для сравнения характеристика 2генератора независимого возбуждения.

Рис. 9.18 Внешние характеристики генераторов параллельного (1) и независимого (2) возбуждения

Из-за снижения ЭДС напряжение генератора параллельного возбуждения уменьшается при увеличении нагрузки в большей степени, чем у генератора независимого возбуждения. Это является одним из его недостатков. Обычно

При коротком замыкании (r_п = 0) U = 0 и I_в = 0; в якоре будет индуктироваться небольшая ЭДС Е₀ от потока остаточного намагничивания, поэтому ток короткого замыкания I = I_к = Е₀/r_я не может быть большим. Обычно I_к

Регулировочная характеристика.Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения не отличается по виду от характеристик генератора независимого возбуждения (см. рис. 9.15). Однако поскольку у генератора параллельного возбуждения напряжение U меняется в больших пределах, необходимо в больших пределах изменять и ток возбуждения с помощью реостата r_р.

Дата добавления: 2018-03-20 ; просмотров: 233 ;