Генераторы независимого возбуждения

Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения i_в, 3) ток якоря I_а или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.

Обычно генераторы работают при n = const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при n = n_н = const.

Существуют пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.

Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным  путем.

Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (i_в) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или электродвижущей силы (э. д. с.) якоря E_а от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, P₂ = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рисунка 1, а при отключенном рубильнике.

Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)

Рисунок 2. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения

Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения U = (1,15 – 1,25) U_н (точка а кривой на рисунке 2). При уменьшении i_в напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При i_в = 0 генератор развивает некоторое напряжение U₀₀ = Об (рисунок 2), обычно равное 2 – 3% от U_н, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить i_в в обратном направлении, начиная с i_в = 0, то при некотором i_в < 0 напряжение упадет до нуля (точка в, рисунок 2), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток i_в и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток i_в уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная с i_в = 0. При этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. Х. х. х. имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток i_в необходимо менять только в направлении, указанном на рисунке 2 стрелками, так как в противном случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю, а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рисунке 2 представляет собой расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора, и по ней можно определить коэффициент насыщения машины k_μ.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет основу для исследования эксплуатационных свойств машины.

Характеристика короткого замыкания

Рисунок 3. Характеристика короткого замыкания генератора независимого возбуждения

Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) I = f (i_в) при U = 0 и n = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U = 0, то, согласно выражению

(уравнение напряжения U на зажимах генератора), E_а = I_а × R_а и поскольку R_а мало, то в условиях опыта э. д. с.  E_а также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начать снятие х. к. з. с минимальных значений i_в, чтобы ток якоря не получил недопустимо большого значения. Обычно снимают х. к. з. до I = (1,25 – 1,5) I_н. Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена, то зависимость I = f (i_в) практически прямолинейна (рисунок 3). При i_в = 0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток I не равен 0 и в крупных машинах близок к номинальному и даже больше его. Поэтому перед снятием х. к. з. такую машину целесообразно размагнитить, питая на холостом ходу обмотку возбуждения таким током возбуждения обратного направления, при котором будет U = 0. В размагниченной машине х. к. з. начинается с нуля (штриховая линия на рисунке 3) Если х. к. з. снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рисунке 3), то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат (штриховая линия на рисунке 3).

Характеристический (реактивный) треугольник

Характеристический (реактивный) треугольник определяет реакцию якоря и падение напряжение в цепи якоря. Он строится для нахождения реакции якоря по экспериментальным данным и используется также для построения некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально. Характеристический треугольник можно построить по экспериментальным данным с помощью х. х. х. и любой другой основной характеристики машины, а также по расчетным данным. Рассмотрим здесь его построение с помощью х. х. х. и х. к. з., для чего обратимся к рисунку 4, где изображены х. к. з. I = f (i_в) (прямая 1) и начальная, прямолинейная часть х. х. х. U = f (i_в) (прямая 2), проходящие через начало координат.

Построим характеристический треугольник для номинального тока машины I_а = I = I_н, которому на х. к. з. соответствует точка а и на оси абсцисс точка б (рисунок 4, а). Построим на прямой аб отрезок бв, равный в масштабе прямой 2 падению напряжения в цепи якоря I_н × R_а, и соединим точку в горизонтальной прямой с точкой г на х. х. х. Тогда треугольник бвг и будет характеристическим треугольником. Горизонтальный катет вг этого треугольника представляет собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения, что можно доказать следующим образом.

Рисунок 4. Построение характеристического треугольника в случае размагничивающей (а) и намагничивающей (б) реакции якоря

Отрезок 0б на рисунке 4, а равен току i_в, необходимому для получения при коротком замыкании тока I = I_н. В якоре при этом должна индуктироваться э. д. с. E_а = I_н × R_а, равная отрезку гд, для чего при холостом ходе требуется ток возбуждения 0д = i_ве. Таким образом, разность 0б – 0д = дб = i_ва между действительным током i_в = 0б при коротком замыкании и током i_ве = 0д при холостом ходе может быть обусловлена только влиянием тока в якоре и должна поэтому выражать собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения i_в.

Рисунок 4, а соответствует случаю размагничивающей реакции якоря (i_ва больше 0), а рисунок 4, б – случаю намагничивающей реакции якоря (i_ва меньше 0). В последнем случае х. к. з., естественно, должна подниматься круче. Для других значений токов якоря (I ≠ I_н) катеты треугольника бвг изменяются практически пропорционально току якоря, так как нелинейность сопротивления щеточного контакта оказывает малое влияние.

Поскольку в условиях снятия х. к. з. магнитная цепь машины не насыщена, то построенный таким образом характеристический треугольник учитывает только продольную реакцию якоря, вызванную случайным или сознательным сдвигом щеток с геометрической нейтрали и отклонением коммутации от прямолинейной. При установке щеток на геометрической нейтрали катет треугольника i_ва = дб равен намагничивающей силе коммутационной реакции якоря (в масштабе i_в) и характеризует качество коммутации (на рисунке 4, а – замедленная коммутация и на рисунке 4, б – ускоренная). Когда щетки стоят на нейтрали и коммутация прямолинейна, i_ва = дб = 0 и треугольник бвг вырождается в вертикальную прямую.

Для построения характеристического треугольника с учетом влияния поперечной реакции якоря можно воспользоваться х. х. х. и внешней, регулировочной или нагрузочной характеристикой. Обычно пользуются нагрузочной характеристикой.

Внешняя характеристика генератора

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U = f (I) при i_в = const и n = const (рисунок 5) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.
При увеличении I напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря I × R_а и уменьшения э. д. с. E_а ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря (при щетках на геометрической нейтрали). При дальнейшем увеличении I напряжение начнет падать быстрее, так как под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины.

Рисунок 5. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (i_в = i_вн), когда при I = I_н также U = U_н (номинальный режим). При переходе к холостому ходу (I = 0) в этом случае напряжение возрастает на вполне определенную величину ΔU_н (рисунок 5), которая называется номинальным изменением напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения

Внешнюю характеристику (в левом квадранте рисунка 6) можно построить также с помощью х. х. х. (в правом квадранте рисунка 6) и характеристического треугольника. Для этого проведем на рисунке 6 вертикальную прямую аб, соответствующую заданному току i_в = const. Тогда аб =0в представляет собой U при I = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.

Разместим затем на рисунке 6 характеристический треугольник где, построенный в соответствующих масштабах для I = I_н, таким образом, чтобы его вершина г лежала на х. х. х., а катет де – на прямой аб. Тогда отрезок ае = жз будет равен U при I = I_н, что можно доказать следующим образом. Если U = ае, то E_а = U + I_н × R_а = ае + ед = ад = иг и для создания такой э. д. с. при холостом ходе требуется ток возбуждения i_ве = 0и. При нагрузке ток возбуждения нужно увеличить на величину i_ва = гд = иа для компенсации размагничивающей реакции якоря. Необходимый полный ток возбуждения при этом i_в = i_ве + i_ва = 0и + иа = 0а как раз соответствует заданному, что и требовалось доказать.

Если принять, что катеты, а следовательно, и гипотенуза характеристического треугольника изменяются пропорционально I, то для получения других точек внешней характеристики достаточно провести на рисунке 6 между х. х. х. и прямой аб наклонные отрезки прямых (гипотенузы новых характеристических треугольников), параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние точки этих отрезков (на прямой аб) будут определять значение U при токах

и так далее.

Перенеся эти точки по горизонтали в левый квадрант рисунка 6 для соответствующих значений I и соединив их плавной кривой, получим искомую внешнюю характеристику U = f (I).

Рисунок 6. Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

В действительности горизонтальный катет характеристического треугольника при уменьшении U растет не пропорционально I. Поэтому реальная внешняя характеристика отклоняется от построенной несколько в сторону, как показано в левом квадранте рисунка 6 штриховой линией.

Точка внешней характеристики с U = 0 определяет значение тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Так как R_а мало, то этот ток в 5 – 15 раз превышает I_н. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникают круговой огонь, а также большие механические усилия и моменты вращения. Поэтому в условиях эксплуатации генераторы и двигатели средней и большой мощности защищаются быстродействующими автоматическими выключателями в цепи якоря, которые ограничивают длительность короткого замыкания и отключают машину от сети в течение 0,01 – 0,05 с после начала внезапного короткого замыкания. Однако эти выключатели не защищают машину при коротком замыкании внутри машины.

Если имеются опытные х. х. х. и внешняя характеристика и если известно R_а, то произведя построение на рисунке 6 в обратной последовательности, можно получить характеристические треугольники с учетом реальных условий насыщения для любых значений U и E_а.

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика i_в = f (I) при U = const и n = const показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рисунок 7). С увеличением I ток i_в необходимо несколько увеличивать, чтобы скомпенсировать влияние падения напряжения I_а × R_а и реакции якоря.

Рисунок 7. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

При переходе от холостого хода с U = U_н к номинальной нагрузке I = I_н увеличение тока возбуждения составляет 15 – 25%.

Построение регулировочной характеристики (нижний квадрант рисунка 8) по х. х. х. (верхний квадрант рисунка 8) и характеристическому треугольнику производится следующим образом. Для заданного U = 0а = вб = const значение i_в при I = 0 определяется точкой в. Характеристический треугольник где для номинального тока расположим так, чтобы его вершины г и е находились соответственно на х. х. х. и прямой абе. Тогда отрезок 0ж = ае определяет значение i_в при I = I_н, что можно доказать аналогично тому, как это делалось в случае построения внешней характеристики. Для получения других точек характеристики достаточно провести между кривой х. х. х. и прямой абе на рисунке 8 отрезки прямых, параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние концы (точки) этих отрезков будут соответствовать значениям i_в для значений I, определяемых отношениями длин этих отрезков к гипотенузе ге, как и в предыдущем случае. Снеся эти точки вертикально вниз, в нижний квадрант рисунка 8, на уровень соответствующих значений I, получим точки регулировочной характеристики. С учетом изменяющихся условий насыщения реальная опытная регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный в нижнем квадранте рисунка 8 штриховой линией.

Рисунок 8. Построение регулировочной характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

Обратным построением, если даны х. х. х. и регулировочная характеристика, можно получить характеристический треугольник.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика U = f (i_в) при I = const и n = const (кривая 2 на рисунке 9) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рисунке 9) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. Х. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда I = 0. Обычно нагрузочную характеристику снимают при I = I_н.

Поясним, как с помощью характеристик 1 и 2 рисунка 9 можно построить характеристический треугольник. Пусть 0а соответствует значению U, для которого желательно построить треугольник (например, U = U_н). Тогда проведем горизонтальную линию аб и от точки б на нагрузочной характеристике отложим вверх отрезок бв = I × R_а, где I – ток, при котором снята нагрузочная характеристика. Проведя из точки в горизонтальный отрезок прямой до пересечения в точке г с х. х. х., получим горизонтальный катет гв искомого треугольника гвб. Доказательство справедливости такого построения можно развивать по аналогии с доказательством построения внешней характеристики (смотрите рисунок 6).

Рисунок 9. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

Если построенный таким или другим способом характеристический треугольник передвигать на рисунке 9 параллельно самому себе так, чтобы его вершина г скользила по х. х. х., то его вершина б очертит нагрузочную характеристику (штриховая кривая на рисунке 9). Эта характеристика несколько разойдется с опытной характеристикой 2, так как размер катета гв будет меняться вследствие изменений условий насыщения.

Точка д на рисунке 9 соответствует короткому замыканию генератора.

Все характеристики генераторов можно изобразить как в абсолютных величинах, так и в относительных единицах. В последнем случае характеристики однотипных машин, хотя бы и разной мощности, построенные в относительных единицах, мало отличаются друг от друга.

Рисунок 10. Сдвиг щеток с нейтрали при наличии добавочных полюсов

Влияние сдвига щеток

Cдвиг щеток с геометрической нейтрали сказывается в том, что возникает продольная реакция якоря, изменяющая поток полюсов. Поток добавочных полюсов будет индуктировать э. д. с. не в коммутируемых секциях, а в рабочих секциях параллельных ветвей якоря. При повороте щеток против направления вращения якоря (рисунок 10) это вызовет увеличение э. д. с. якоря, а при сдвиге по направлению вращения – уменьшение э. д. с. В первом случае внешняя характеристика (смотрите рисунок 5) с увеличением I будет падать более круто. При наличии добавочных полюсов в обоих случаях возникает расстройство коммутации.

Влияние сдвига щеток на другие характеристики нетрудно анализировать подобным же образом.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.