Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением схема

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.

11.Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением: принцип действия, условия самовозбуждения, характеристики.

Рис. 8.47. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и зависимости изменения ЭДС и падения напряжения в цепи возбуждения i_вΣR_в при изменении тока возбуждения генератора (б)

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 8.47, а) обмотка возбуждения подсоединена через регулировочный реостат параллельно нагрузке. Следовательно, в данном случае используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Самовозбуждение генератора возможно только при выполнении определенных условий. Чтобы установить их, рассмотрим процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуждения — обмотка якоря» в режиме холостого хода. Для рассматриваемого контура получим уравнение

где е и i_в — мгновенные значения ЭДС в обмотке якоря и тока возбуждения; ΣR_в = R_в + R_р.в — суммарное сопротивление цепи возбуждения генератора (сопротивлением ΣR_а можно пренебречь, так как оно значительно меньше ΣR_в ); L_в — суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря. Все члены, входящие в (8.59), можно изобразить графически (рис. 8.47,б). ЭДС е при некотором значении i_в тока возбуждения можно определить по характеристике ОА холостого хода генератора, а падение напряжения i_в ΣR_в — по вольтамперной характеристике ОВ его цепи возбуждения. Характеристика ОВ представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом у к оси абсцисс; при этом tg γ = ΣR_в . Из (8.59) имеем

Следовательно, если разность (e – i_вΣR_в ) > 0, то производная di_в /dt > 0, и происходит процесс увеличения тока возбуждения i_в .

Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения наблюдается при di_в /dt = 0, т. е. в точке пересечения С характеристики холостого хода ОА с прямой ОВ. При этом машина работает с некоторым установившимся током возбуждения I_в0 и ЭДС Е₀ = U₀ .

Из уравнения (8.60) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий:

1) процесс самовозбуждения может начаться только в том случае, если в начальный момент (i_в = 0) в обмотке якоря индуцируется некоторая начальная ЭДС. Такая ЭДС может быть создана потоком остаточного магнетизма, поэтому для начала процесса самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуцирует в его обмотке ЭДС Е_ост . Обычно поток остаточного магнетизма имеется в машине из-за наличия гистерезиса в ее магнитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника;

2) при прохождении тока i_в по обмотке возбуждения ее МДС F_в должна быть направлена согласно МДС остаточного магнетизма F_ocт . В этом случае под действием разности е – i_в ΣR_в происходит процесс нарастания тока i_в , магнитного потока возбуждения Ф_в и ЭДС е. Если указанные МДС направлены встречно, то МДС обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается и процесс самовозбуждения не сможет начаться;

3) положительная разность е – i_в ΣR_в , необходимая для возрастания тока возбуждения i_в от нуля до установившегося значения I_в0 , может возникать только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока i_в прямая ОB располагается ниже характеристики холостого хода ОА. При увеличении сопротивления цепи возбуждения ΣR_в возрастает угол наклона γ прямой ОB к оси тока I_в и при некотором критическом значении угла γ_кр (соответствующем критическому значению сопротивления ΣR_в.кр ) прямая ОВ’ практически совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ≈ i_в ΣR_в и процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было меньше критического значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что ΣR_в ΣR_в.кр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения ΣR_в до значения, большего ΣR_в.кр , то его магнитная система размагничивается и ЭДС уменьшается до Е_ост . Если генератор начал работать при ΣR_в > ΣR_в.кр , то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие ΣR_в

Рис. 8.48. Внешние характеристики генераторов с независимым и парал-лельным возбуждением

нагрузки (падения напряже-ния в якоре и размагничи-вающего действия реакции якоря), существует еще третья причина — уменьше-ние тока возбуждения I_в = U/ΣR_в , который зависит от напряжения U, т. е. от тока I_н .

Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока I_кр . При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки R_н ток I_н = U/R_н начинает уменьшаться, так как напряжение U падает быстрее, чем уменьшается R_н . Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива; в этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий точке b, т. е. в режим короткого замыкания.

Особенно наглядно видно действие причин, вызывающих уменьшение напряжения генератора с ростом нагрузки, из рассмотрения рис. 8.49, на котором показано построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, параллельную оси абсцисс. На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника, соответствующего номинальной нагрузке; катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна лежать на характеристике холостого хода 1. Через начало координат и вершину А проводят прямую 2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является вольтамперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения. По ординате точки пересечения Е характеристик 1 и 2 получаем напряжение генератора U₀ = E₀ при холостом ходе.

Ток возбуждения I_в.ном при номинальном режиме соответствует абсциссе точки А, а ЭДС генератора E_ном при номинальной нагрузке — ординате точки В. Ее можно определить по характеристике холостого хода, если уменьшить ток возбуждения I_в.ном на величину отрезка ВС, учитывающего размагничивающее действие реакции якоря. При построении внешней характеристики 3 ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются напряжениями U₀ и U_ном . Промежуточные точки с, d. получают, проводя

Рис. 8.49. Графики построения внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением с помощью характеристического треугольника

прямые А’С’, А"С", А’"С"’. параллельные гипотенузе АС, до пересечения с вольт-амперной характеристикой 2 в точках А’, А", А"’. а также с характеристикой холостого хода 1 в точках С’, С", С’",. Ординаты точек А’ А" А’". соответствуют напряжениям при токах нагрузки I_a1, I_a2, I_a3. величины которых определяются из соотношения

При переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода напряжение генератора изменяется на 10 – 20%, т. е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При установившемся коротком замыкании якоря ток I_к генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал (см. рис. 8.48), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток к. з. создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4 – 0,8) I_ном . Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как и у генератора с независимым возбуждением.

Большинство генераторов постоянного тока, выпускаемых отечественной промышленностью, имеют параллельное возбуждение. Для улучшения внешней характеристики они обычно имеют небольшую последовательную обмотку (один — три витка на полюс). При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением.

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.