4.5. Электромагнитный момент машин постоянного тока

Сила, действующая на проводник обмотки якоря.

(4.6)

При вращении якоря сила, действующая на проводник, изменяется из-за непостоянства магнитной индукции в воздушном зазоре машины.

Среднее значение силы:

(4.7)

Момент сил действующих на якорь

(4.8)

или

(4.9)

- постоянная, зависящая от конструктивных особенностей машины.

(4.10)

Электромагнитный момент машин постоянного тока пропорционален магнитному потоку якоря.

4.6 Генераторы постоянного тока и их характеристики

Работа генератора постоянного тока характеризуется четырьмя основными величинами:

I_в - Ток возбуждения

U_Я - Напряжение на зажимах якоря

I_Я - Ток якоря

п - Скорость вращения якоря

Скорость вращения n обычно постоянна. Соотношение остальных величин удобнее анализировать графически.

1. Генератор с независимым возбуждением.

Для снятия характеристик собирают схему (рис. 4.12) Характеристика холостого хода снимается при отключенной нагрузке l_n=0 и постоянной скорости вращения n=n_нам. Эта характеристика подобна кривой намагничивания сердечника.

Внешняя характеристика - эта зависимость напряжения на зажимах якоря от тока нагрузки при n=n_нам и при номинальном токе возбуждения I_в.

Л(/ = 5 +!()%(/„

Рис. 4.12 Рис. 4.13

Эта зависимость получается из уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа.

Для цепи якоря генератора U = Е-I_яr_я

Сопротивление r_я включает в себя сопротивление обмотки якоря, щеточного контакта, обмотки дополнительных полюсов и компенсационной обмотки.

Так как ток возбуждения I_в не изменяется, то и магнитный поток и соответственно и э.д.с. якоря постоянны по величине.

Напряжение на выходных зажимах генератора U=IR_n,тогда

(4.11)

При R_н →~ (холостой ход) U=E. При уменьшении сопротивления нагрузки ток увеличивается, увеличивается и падение напряжения в обмотке якоря, что вызывает снижение напряжения. Вследствие реакции якоря магнитный поток Ф и э.д.с. несколько снижаются при увеличении тока нагрузки. При номинальной нагрузке напряжение генератора на 8-10% меньше напряжения холостого хода. При уменьшении сопротивления нагрузки до нуля генератор переходит в режим короткого замыкания

(4.12)

и достигает очень больших значений, что не желательно, так как опасно для изоляции обмоток, коллектора и щеток. Защита от короткого замыкания осуществляется специальным быстро действующим устройством.

Рис. 4.14

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянной скорости. Эта характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки, чтобы напряжение оставалось постоянным. Из уравнения U = Е- Ir_я следует, для того, что бы напряжение не изменялось при изменении тока нагрузки, необходимо изменять ЭДС, что и делают, изменяя ток возбуждения и, соответственно, магнитный поток.

Генераторы нeзавиcимогo возбуждения применяются в тех случаях, когда необходимо, чтобы получаемое на выходе напряжение могло изменяться от нуля до номинального значения и иметь различную полярность. Это нужно, например, когда в системе генератор - двигатель постоянного тока, скорость двигателя регулируется изменением входного напряжения

Рис. 4.15.

2. Генератор с параллельным возбуждением.

В генераторе параллельного возбуждения самовозбуждение осуществляется до включения нагрузки, при холостом ходе. При наличии остаточного магнетизма полюсов, и вращения ротора с номинальной скоростью остаточное поле наводит в обмотке ротора небольшую ЭДС, возбуждается ток в обмотке возбуждения.

Этот ток при правильном подсоединении к обмотке статора увеличивает поток полюсов. Наводимая ЭДС при этом возрастает. При E=U_n=I_nr_n возбуждение заканчивается (точка1).

Рис. 4.16

♦ О

Таким образом, для самовозбуждения необходимы следующие условия:

1. Наличие остаточного магнетизма.

2. Соответствие направления вращения якоря и присоединение обмотки возбуждения.

3 При определенном r_н=r_кр линии U_в и Е не пересекутся (они будут совпадать). При этом напряжение на зажимах генератора не устойчиво, стало быть сопротивление r_н должно быть больше r_кр. Плавное регулирование напряжения на зажимах генератора возможно только в пределах 0,5 0,7U_н<U_н<1,1 U_н при этом для нормального возбуждения необходимо, чтобы скорость была неизменной n = n_н

Рис. 4.17

Внешняя характеристика - зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при r_н =const имеет более крутой спад напряжения, чем у генератора с независимым возбуждением.

Рис. 4.18

Это объясняется, во - первых, увеличением напряжением в цепи якоря с ростом тока, во - вторых, увеличением влияния реакции якоря, в третьих, с уменьшением напряжения на зажимах генератора U=Е-I_яr_я ток возбуждения несколько уменьшается, что ведет к уменьшению рабочего магнитного потока. Снижение напряжения ∆U при номинальной нагрузке составляет ∆U=10 18%U_н. При плавном уменьшении сопротивления нагрузки снижение напряжения происходит быстрее. При этом ток, достигнув значения, I_кр начинает уменьшаться. Ток I_кр соответствует наименьшему току возбуждения, при этом магнитная цепь машины еще насыщена. При уменьшении тока нагрузки ток якоря возрастает, а ток возбуждения уменьшается, магнитная цепь не насыщена. Происходит процесс саморазмагничивания генератора. При коротком замыкании генератора сохраняется лишь поток остаточного магнетизма, обуславливающий небольшой ток короткого замыкания. Регулировочные характеристики генераторов с параллельным и независимым возбуждением аналогичны.

3. Генераторы последовательного возбуждения.

Самовозбуждение генератора происходит только при нагрузке. При увеличении тока нагрузки магнитный поток Ф, э.д.с. Е и напряжение растут. Потом, вследствие насыщения (при больших нагрузках) рост магнитного потока практически прекращается.

Рис. 4.19 Рис. 4.20

Напряжение на зажимах генератора падает вследствие увеличения внутреннего падения напряжения и размагничивающей реакции якоря. Эта зависимость не приемлема для большинства потребителей, поэтому такие генераторы не нашли применения.

4. Генераторы смешанного возбуждения.

Применение последовательной обмотки возбуждения наряду с основной, параллельной, позволяет увеличить поток при росте тока нагрузки. Число витков последовательной обмотки выбирают так, чтобы уменьшение э.д.с, от размагничивающего действия реакции якоря, и падения напряжения на внутреннем сопротивлении были скомпенсированы приращением э.д.с. от потока последовательной обмотки.

Рис. 4.21 Рис. 4.22

При согласном включении обмотки якоря и обмотки возбуждения напряжение генератора почти не изменяется с изменением нагрузки в определенных пределах. При встречном включении напряжение генератора при нагрузке резко падает (кривая 2). Такая характеристика удобна для источника питания сварочной дуги, так как здесь необходимо постоянство тока при колебаниях напряжения вследствие изменения длинны дуги.