Генераторы параллельного возбуждения

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения происходит при соблюдении следующих условий: 1) наличия остаточного магнитного потока полюсов; 2) правильного подключения концов обмотки возбуждения или правильного направления вращения. Кроме того, сопротивление цепи возбуждения R_в при данной скорости вращения n должно быть ниже некоторого критического значения или скорость вращения при данном R_в должна быть выше некоторого критического значения.

Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2 – 3% от номинального. Остаточный поток такого значения практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную машину или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Небольшая электродвижущая сила (э. д. с.), индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, вызывает в обмотке возбуждения малый ток i_в. Этот ток вызывает увеличение потока полюсов, а следовательно, увеличение э. д. с., которая обуславливает дальнейшее увеличение i_в, и так далее. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения.

Если подключение концов обмотки возбуждения или направление вращения неправильны, то возникает ток i_в обратного направления, вызывающий ослабление остаточного потока и уменьшение э. д. с., вследствие чего самовозбуждение невозможно. Тогда необходимо переключить концы обмотки возбуждения или изменить направление вращения. В соблюдении этих условий можно убедиться, следя с помощью вольтметра с малым пределом измерения за напряжением якоря при замыкании и размыкании цепи возбуждения.

Полярность зажимов генератора при самовозбуждении определяется полярностью остаточного потока. Если при заданном направлении вращения полярность генератора необходимо изменить, то следует перемагнитить машину путем подачи тока в обмотку возбуждения от постороннего источника.

Рисунок 1. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения при различных сопротивлениях цепи возбуждения (а) и при различных скоростях вращения (б)

Рассмотрим подробнее процесс самовозбуждения при холостом ходе.
На рисунке 1, а кривая 1 представляет собой характеристику холостого хода (х. х. х.), а прямая 2 – так называемую характеристику цепи возбуждения или зависимость U_в = R_в × i_в, где R_в = const – сопротивление цепи возбуждения, включая сопротивление регулировочного реостата.

В процессе самовозбуждения i_в ≠ const и напряжение на концах цепи возбуждения

где L_в – индуктивность цепи возбуждения.

Напряжение якоря при холостом ходе (I = 0)

U_а = E_а – i_в × R_а

изображается на рисунке 1, а кривой 1. Так как ток i_в мал, то практически U_а = E_а.

Но в генераторе параллельного возбуждения (смотрите рисунок 1, б, в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока") U_а = U_в. Поэтому разность ординат кривой 1 и прямой 2 на рисунке 1, а составляет d(L_вi_в)/dt и характеризует скорость и направление изменения i_в. Если прямая 2 проходит ниже кривой 1, то

i_в растет и машина самовозбуждается до напряжения, соответствующего на рисунке 1, а точке пересечения кривой 1 и прямой 2, в которой

и рост i_в поэтому прекращается.

Из рассмотрения рисунка 1, а следует, что нарастание i_в и, следовательно, U_а сначала происходит медленно, затем ускоряется и к концу процесса вновь замедляется. Начавшийся процесс самовозбуждения прекращается или ограничивается в точке а’ вследствие криволинейности х. х. х. При отсутствии насыщения U_а теоретически возросло бы до U_а = ∞.

Вообще любые процессы самовозбуждения – электрические, и другие, наблюдаемые в различных устройствах, - ограничиваются только нелинейностью характеристик системы.

Рисунок 2. Магнитные мостики насыщения в магнитной цепи

Если R_в увеличить, то вместо прямой 2 получим прямую 3 (рисунок 1, а). Процесс самовозбуждения при этом замедляется и напряжение машины, определяемое точкой а’’, будет меньше. При дальнейшем увеличение R_в получим прямую 4, касательную к кривой 1. При этом машина будет находиться на грани самовозбуждения: при небольших изменениях n или R_в (например, вследствие нагревания) машина может развивать небольшое напряжение или терять его. Значение R_в, соответствующее прямой 4, называется критическим сопротивлением цепи возбуждения (R_в.кр). При R_в > R_в.кр (прямая 5) самовозбуждение невозможно и напряжение машины определяется остаточным потоком.

Из сказанного следует, что генератор параллельного возбуждения может работать только при наличии определенного насыщения магнитной цепи. Посредством изменения R_в можно регулировать U до значения U = U_мин., соответствующего началу колена кривой х. х. х. В машинах обычного исполнения U_мин. = (0,65 – 0,75)U_н.

Э. д. с. E_а ∼ n, и для разных значений n₁ > n₂ > n₃ получим х. х. х., изображенные на рисунке 1, б кривыми 1, 2, 3. Из этого рисунка видно, что при небольшом значении R_в в случае кривой 1 имеется устойчивое самовозбуждение, при кривой 2 машина находится на грани самовозбуждения и при кривой 3 самовозбуждение невозможно. Поэтому для каждого данного значения R_в существует такое значение скорости вращения n = n_кр. (кривая 2 на рисунке 1, б), ниже которого самовозбуждение невозможно. Такое значение n  = n_кр. называется критической скоростью вращения.

Рисунок 3. Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения

В некоторых случаях требуется, чтобы U генератора параллельного возбуждения можно было регулировать в широких пределах, например U_н : U_мин. = 5 : 1 или даже U : U_мин. = 10 : 1 (возбудители синхронных машин). Тогда кривая х. х. х. должна искривляться уже в своей начальной части. С этой целью в необходимых случаях в магнитной цепи выполняют участки с ослабленным сечением (магнитные мостики насыщения) в виде прорезей в листах сердечников полюсов (рисунок 2, а), выступов в верхней части этих листов (рисунок 2, б) и тому подобных. В таких мостиках происходит концентрация магнитного потока, и их насыщение наступает уже при малых потоках.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода U =  f(i_в) при I = 0 и n = const при параллельном возбуждении может быть снята только в одном квадранте (рисунок 3) путем регулирования i_в с помощью регулировочного реостата в цепи возбуждения (смотрите рисунок 1, б, в статье "Общие сведения о генераторах постоянного тока"). Так как ток i_в мал, то U ≈ E_а, и характер кривой х. х. х. у генератора с параллельным возбуждением будет таким же, как и у генератора с независимым возбуждением.

Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания I = f(i_в) при U = 0 и n = const для генератора параллельного возбуждения может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника, как и для генератора независимого возбуждения, так как при самовозбуждении при U = 0 ток цепи возбуждения также равен нулю i_в = 0.

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика U = f(I) генератора параллельного возбуждения снимается при R_в = const и n = const, то есть  без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы. Вследствие этого к двум причинам падения напряжения, указанным для генератора независимого возбуждения (смотрите статью "Генераторы независимого возбуждения"), прибавляется третья – уменьшение i_в при уменьшении U. В результате внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рисунок 4, кривая 1) падает круче, чем у генератора независимого возбуждения (кривая 2). Поэтому номинальное изменение напряжения (смотрите определение в статье "Генераторы независимого возбуждения") у генератора параллельного возбуждения больше и составляет дельта U_н% = 10 – 20 %.

Рисунок 4. Внешние характеристики генераторов параллельного (1) и независимого (2) возбуждения

Характерной особенностью внешней характеристики генератора параллельного возбуждения является то, что при некотором максимальном значении тока I = I_макс. (точка а на рисунке 4) она делает петлю и приходит в точку б на оси абцисс, которая соответствует установившемуся току короткого замыкания. Ток I_к.уст. относительно мал и определяется остаточным потоком, так как в данном случае U = 0, и поэтому i_в = 0. Такой ход характеристики объясняется следующим. При увеличении тока I напряжение U падает сначала медленно, а затем быстрее, так как с уменьшением U и i_в падает поток Ф_δ, магнитная цепь становится менее насыщенной и малые уменьшения i_в будут вызывать все большие уменьшения Ф_δ и U (смотрите рисунок 3). Точка а на рисунке 4 соответствует переходу кривой х. х .х. с нижней части колена на прямолинейный, ненасыщенный участок. При этом, начиная с точки а (рисунок 4), дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки R_нг., подключенной к зажимам машины не только не вызывает увеличения I, а наоборот, происходит уменьшение I, так как U падает быстрее R_нг..

Работа машины на ветви аб характеристики несколько неустойчива и имеется склонность самопроизвольного изменения I. Ток I_к.уст. в некоторых случаях может быть больше I_н.

Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения с помощью х. х. х. и характеристического треугольника показано на рисунке 5, где 1 – кривая х. х. х.; 2 – характеристика цепи возбуждения U_в = R_в × i_в при заданном R_в = const и 3 – построенная кривая внешней характеристики.

При I = 0 значение U определяется пересечением кривой 1 и прямой 2. Для получения значения U при I = I_н разместим характеристический треугольник для номинального тока так, чтобы его вершины а и в расположились на кривой 1 и прямой 2. Тогда точка в определит искомое значение U, что можно доказать с помощью подобных же рассуждений, изложенных в статье "Генераторы независимого возбуждения", в случае построения внешней характеристики генератора независимого возбуждения. Для других значений тока между 1 и 2 можно провести наклонные отрезки прямых, параллельные ав, которые представляют собой гипотенузы новых характеристических треугольников. Нижние точки этих отрезков в’ , в’’ и т. д. определяют U при токах

Перенеся все эти точки в левый квадрант диаграммы рисунка 5 и соединив их плавной кривой, получим искомую характеристику 3. С учетом нелинейной зависимости катета аб треугольника от I опытная зависимость U = f(I) имеет характер, показанный на рисунке 5 слева штриховой линией.

Рисунок 5. Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

Хотя установившийся ток короткого замыкания генератора параллельного возбуждения невелик, внезапное короткое замыкание на зажимах этого генератора практически столь же опасно, как и у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что вследствие большой индуктивности обмотки возбуждения и индуктирования вихревых токов в массивных частях магнитной цепи уменьшение магнитного потока полюсов происходит медленно. Поэтому быстро нарастающий ток якоря достигает значений I_к = (5 – 15)I_н.

Регулировочная и нагрузочная характеристика

Регулировочная характеристика i_в = f(I) при U = const и n = const и нагрузочная характеристика U = f(i_в) при I = const и n = const снимаются так же, как и у генератора независимого возбуждения. Так как i_в и R_а × i_в малы, то падение напряжения от i_в в цепи якоря практически не оказывает влияния на напряжение на зажимах генератора. Поэтому указанные характеристики получаются практически такими же, как и у генератора независимого возбуждения. Построение этих характеристик с помощью х. х. х. и характеристического треугольника также производится аналогичным образом.

В заключение можно отметить, что характеристики и свойства генераторов независимого и параллельного возбуждения мало отличаются друг от друга. Единственное заметное отличие заключается в некотором расхождении внешних характеристик в пределах от I = 0 до I = I_н. Более сильное расхождение этих характеристик при I намного больше I_н не имеет значения, поскольку в таких режимах машины в условиях эксплуатации, как правило, не работают.

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