Лекции / Лекция 31 Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока

Классификация и основные уравнения генераторов. Генера-

торы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или предпочтителен постоянный ток (на предприятиях цветной металлургии при использовании электролиза, железнодорожном, городском и водном транспорте, в авиации и др.). Кроме того, они широко используются в качестве возбудителей синхронных генераторов.

Рис. 4.1. Электрические схемы генераторов постоянного тока с электромагнитным возбуждением: а – независимым; б – параллельным; в – последовательным; г – смешанным; ОДП – обмотка добавочных полюсов; ОВ – обмотка возбуждения; ОВС – обмотка последовательного

Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения, т.е. различают генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Независимое возбуждение может быть электромагнитным или магнитоэлектрическим.

В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, расположенная на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рис. 4.1, а). Ток в цепи возбуждения Iв изменяют в широких пределах с помощью регулировочного реостата

Rв . Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в

номинальном режиме составляет 1..5 % номинальной мощности генератора. Обычно относительное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.

Вгенераторах с магнитоэлектрическим возбуждением для создания поля используются постоянные магниты, устанавливаемые на его полюсах. Это генераторы относительно небольшой мощности, основным недостатком которых является трудность регулирования напряжения.

Вгенераторах с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от обмотки якоря. В зависимости от схемы включения этих обмоток различают генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Всхеме генератора параллельного возбуждения, показанной на

рис. 4.1, б, ток возбуждения Iв изменяется с помощью регулировочно-

го реостата Rв .

В генераторах последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с обмоткой якоря и ее ток возбуждения равен току якоря и току нагрузки: Iв Iа I (рис. 4.1, в). Гене-

раторы последовательного возбуждения имеют крайне ограниченное применение и далее рассматриваться не будут.

В генераторах со смешанных возбуждением (рис. 4.1, г) на полюсах размещаются две обмотки возбуждения. Одна из этих обмоток, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с обмоткой якоря, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения – последовательно с ней. При этом параллельная и последовательная обмотки могут включаться как согласно, так и встречно, в зависимости от чего различают генераторы смешанного согласного возбуждения и генераторы смешанного встречного возбуждения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой.

Маркировка обмоток машин постоянного тока в соответствии с ГОСТ 26772–85 приведена в табл. 4.1 (в скобках указана маркировка этих обмоток в соответствии с ГОСТ 183–74**).

Рассмотрим основные уравнения генераторов.

1. Уравнение равновесия напряжений для цепи якоря генератора имеет вид

Uщ – падение напряжения в щеточном контакте (на пару щеток).

Падение напряжения в цепи якоря складывается из падения напряжения в обмотках Ia ra и падения напряжения в щеточном кон-

такте Uщ . В общем случае

ra ra rд rc rк ,

где ra,rд,rc,rк – сопротивления обмотки якоря, дополнительных по-

люсов, последовательной (сериесной) и компенсационной соответственно.

Для приближенных расчетов уравнение (4.1) можно упростить за счет пренебрежения падением напряжения в щеточном контактеUщ 1,7..3 В, что весьма мало по сравнению с напряжением генера-

торов общепромышленного применения, составляющим 115..460 В. Тогда это уравнение будет иметь вид

При упрощенном учете переходного сопротивления щеточного контакта принимают rщ Uщ /Iном сonst , и тогда можно записать

где Ra ra rщ .

2. Уравнение равновесия напряжений для цепи с обмоткой независимого возбуждения имеет вид

Здесь rв rв Rв , где rв – сопротивление обмотки возбужде-

ния; Rв – сопротивление регулировочного реостата.

Для генераторов параллельного и смешанного возбуждения справедливо уравнение

UIв rв .

3.Уравнение баланса токов для генераторов параллельного и смешанного возбуждения имеет вид

Условия самовозбуждения генераторов с параллельным и смешанным возбуждением. В генераторах параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от обмотки якоря (см. рис. 4.1, б), поэтому при вращении ротора ЭДС в обмотке якоря наводиться не будет. Для появления ЭДС необходимо наличие остаточного магнитного потока ост в машине, для чего она хотя бы один раз должна

быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения от постороннего источника.

Процесс самовозбуждения генератора протекает следующим образом. Остаточный магнитный поток наводит в обмотке вращающего-

ся якоря остаточную ЭДС Eост , которая составляет 1..3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря, то Eост создает в ней небольшой ток возбуждения,

который, в свою очередь, создает начальный поток возбуждения. В зависимости от направления этого потока возможны два варианта развития процесса самовозбуждения.

Поток возбуждения направлен встречно остаточному потоку; результирующий поток уменьшается, и машина не возбуждается. В этом случае надо поменять местами выводы обмотки параллельного возбуждения.

Поток возбуждения направлен согласно с остаточным потоком. При этом результирующий поток увеличивается, что приводит к увеличению ЭДС. Увеличение ЭДС вызывает увеличение тока возбуждения, результирующего потока и т.д.

Процесс нарастания тока возбуждения при холостом ходе машины (I 0) описывается дифференциальным уравнением

этому в уравнении (4.6) напряжение возбуждения принято равным ЭДС обмотки якоря. Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения. Тогда

при n const . Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1), а вторая – характеристикой цепи возбуждения

(прямые 2–4).

А

Если принять, что rв const , то характеристика цепи возбуждения будет представлять собой прямую линию 2, идущую под углом

к оси абсцисс, причем tg E/Iв rв .Точка пересечения A

характеристик 1 и 2 отвечает равенствам (4.7), а соответствующая этой точке ЭДС обмотки якоря устанавливается при данном сопротивлении

цепи возбуждения. rв . При изменении сопротивления цепи возбу-

ждения будет изменяться ЭДС обмотки якоря. Если увеличивать со-

противление rв , то угол наклона характеристики цепи возбуж-

дения будет возрастать, а точка А будет перемещаться влево.

При некотором критическом сопротивлении цепи возбуждения

rв.кр прямая 3, определяемая произведением, Iв rв.кр , совпадает с

прямолинейной частью характеристики холостого хода. Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При

дальнейшем увеличении сопротивления rв самовозбуждение про-

исходить не будет, так как прямая 4, соответствующая Iв rв f Iв

этом случае не пересекает характеристику холостого хода.

Если генератор работает с переменной частотой вращения, то каждому значению n будет соответствовать своя характеристика хо-

лостого хода 1–3 на рис. 4.3, так как ЭДС E пропорциональна n. Следовательно, для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления rв.кр , а для каждого сопротивления

rв.кр – своя критическая частота вращения nкр , ниже которой не-

возможно самовозбуждение генератора (кривая 2).

Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих условий:

-в машине должен существовать остаточный магнитный поток;

-поток возбуждения должен быть направлен согласно с остаточным потоком;

-сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического или частота вращения якоря должна быть больше критической.

Характеристики генераторов. Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристики холостого хода, нагрузочная, внешняя и регулировочная.

Все указанные характеристики генераторов определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря и могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем. Так как конструктивно машина постоянного тока является обращенной синхронной машиной, характеристика холостого хода генератора постоянного тока

E f Iв идентична характеристике холостого хода синхронного ге-

нератора и здесь рассматриваться не будет.

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения генератора постоянного тока от тока возбуждения U f (Iв) при неизменном токе якоря Ia const . Практическое зна-

чение этой характеристики заключается в возможности определения по ней размагничивающего действия реакции якоря и зависимости реакции якоря от насыщения магнитной цепи и тока якоря.

Как и для синхронных генераторов, нагрузочную характеристику генератора постоянного тока удобнее строить совместно с характеристикой холостого хода, поскольку последнюю можно рассматривать как частный случай первой (при Ia 0).

Нагрузочная характеристика 2 (рис. 4.4) генератора с независимым возбуждением расположена ниже характеристики холостого хода 1 вследствие падения напряжения в цепи якоря, согласно уравнению (4.2), и размагничивающего действия поперечной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

U0

Uном

Нагрузочная характеристика генератора с параллельным возбуждением из-за малости тока возбуждения по сравнению с током якоряIa I практически не отличается от характеристики генератора с

независимым возбуждением. Нагрузочная характеристика генератора со смешанным согласным возбуждением может располагаться как выше характеристики холостого хода (при сильной последовательной обмотке возбуждения, МДС которой компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря), так и ниже нее (при слабой последовательной обмотке возбуждения).

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения генератора постоянного тока от тока нагрузки U f (I)

при постоянном токе возбуждения Iв const (для генератора с независимым возбуждением) или постоянном сопротивлении цепи обмотки возбуждения rв const (для генераторов с самовозбуждением).

Как и в синхронных машинах, внешнюю характеристику машины постоянного тока можно снимать и при увеличении нагрузки, и при ее уменьшении. Рассмотрим внешнюю характеристику при уменьшении нагрузки. Исходной в этом случае является точка характеристики, в которой номинальному току нагрузки Iном соответствует номиналь-

ное напряжение Uном (рис. 4.5). Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке внешней характеристики, называется номинальным током возбуждения Iвном .

В процессе снятия внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1) ток Iвном поддерживается постоян-

ным. Начиная от исходной точки, ток нагрузки I постепенно уменьшают до нуля. Напряжение генератора при этом в соответствии с уравнением (4.2) увеличивается, так как уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе в этом случае U U0 . По внешней характеристике определяют изменение напряжения

Обычно изменение напряжения выражают в процентах. В генераторах с независимым возбуждением U 10..15 % а ток короткого замыкания Iк составляет 5..10 Iном , увеличиваясь с ростом мощности.

U0

Uном

Внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуж-

дением (кривая 2) снимают при условии, что rв const . С умень-

шением тока нагрузки I напряжение U возрастает более сильно, чем в генераторах с независимым возбуждением, так как с ростом напряжения увеличиваются ток возбуждения Iв и ЭДС обмотки якоря, чего

не происходит в случае независимого возбуждения.

Интересно рассмотреть и часть внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением при токах нагрузки больше номинального. С уменьшением сопротивления нагрузки ток I сначала увеличивается до определенного значения (1,5..2,5) Iном , называемого

критическим (рис. 4.6), а затем начинает уменьшаться. Такой вид внешней характеристики объясняется тем, что при уменьшении напряжения уменьшается и ток возбуждения. Причем сначала этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает сильного снижения магнитного потока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения начинает соответствовать линейной (ненасыщенной) части характеристики холостого хода, размагничивание происходит более интенсивно. При коротком замыкании (U 0 ) машина будет практически размагничена и установившийся ток короткого замыкания Iк будет определяться только остаточной ЭДС. Как следует из уравнения (4.2),

Iк Eост. ra .

Вследствие малости остаточной ЭДС установившийся ток Iк в

большинстве случаев невелик и не превышает номинального значения. Однако в переходном процессе внезапного короткого замыкания из-за медленного уменьшения магнитного потока (и ЭДС обмотки якоря) ток короткого замыкания может превысить номинальное значение в несколько раз, что вызовет сильное искрение щеток, а в некоторых случаях и появление кругового огня. Следовательно, все генераторы должны быть снабжены предохранителями или быстродействующими выключателями, отключающими короткое замыкание до того момента, как ток якоря достигнет больших значений. Изменение напряженияU в генераторах с параллельным возбуждением составляет 15..20 %.

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением обмоток возбуждения наибольшая доля МДС возбуждения создается параллельной обмоткой, а последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы несколько перекомпенсировать размагничивающее действие реакции якоря. В этом случае последовательная обмотка не только компенсирует размагничивающую составляющую реакции