3. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.

В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 4.10а) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.

Регулировочной характеристикой генератора (рис. 4.9б) называется зависимость тока возбуждения I_в от тока якоря I_а при постоянном напряжении U и скорости n. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.

а)

б)

Рис. 4.10. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а); характер изменения ЭДС и тока возбуждения генератора в процессе возбуждения (б)

 

Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи.

При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС Е_ост , и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена так, что ее НС F_в направлена согласно с НС остаточного магнетизма, то магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС Е, поток Ф и ток возбуждения I_в. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с I_в=const, E=const, зависящими от величины сопротивления R_в цепи возбуждения.

Для режима холостого хода генератора:

,

(4.20)

где

L - суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Зависимость e=f(i_в) представляет собой характеристику холостого хода генератора ОА, а прямая ОВ - ВАХ сопротивления R_в (tgγ= R_в) (рис. 4.10б).

Пока имеется положительная разность (e-i_вR_в), член  >0, т.е. происходит нарастание тока i_в. Установившийся режим будет иметь место при  =0, т.е. в точке С. При изменении величины сопротивления R_в прямая ОВ изменяет свой угол γ, что приводит к изменению установившегося тока возбуждения I_в0, и соответствующего ему напряжения U₀=E₀. Параметры цепи подбираются так, чтобы в точке С обеспечивалась устойчивость режима самовозбуждения. При случайном изменении i_в возникает соответствующая положительная или отрицательная разность (e-i_вR_в), стремящаяся изменить ток i_в так, чтобы он стал снова равен I_в0.

Степень устойчивости рассматриваемого режима будет определяться производной:

,

(4.21)

где

β - σγξл пересечения характеристики ОА с прямой ОВ.

При увеличении R_в до критического значения R_в.кр., соответствующего γ_кр , угол β≈0 и режим самовозбуждения становится неустойчивым, при этом ЭДС генератора уменьшается до Е_ост. Таким образом, для нормальной работы генератора с параллельным возбуждением необходимо, чтобы R_в<R_в.кр.

Внешняя характеристика генератора с самовозбуждением располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 4.11). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе напряжение уменьшается не только с ростом нагрузки и размагничивающего действия реакции якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения  , который зависит от напряжения U, т. е. от тока I_н.

Рис. 4.11. Внешние характеристики генераторов с независимым (верхняя кривая) и параллельным (нижняя кривая) возбуждением

Ток короткого замыкания создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4...0,8) I_ном.

Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива.

Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением.

 

Схема генератора параллельного возбуждения изображена на рис. 3.11.

Рис. 3.11 Схема включения генератора параллельного возбуждения.

Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в нем был небольшой поток остаточного намагничивания Ф_ост (2–3% от номинального). При вращении якоря генератора в его обмотке магнитным потоком Ф_ост наводится остаточная ЭДС E_ост = (2–3%)E_ном, которая создает в обмотке возбуждения небольшой ток. Этот ток при согласном направлении намагничивающего и остаточного потоков усилит магнитный поток полюсов и вызовет соответствующее увеличение ЭДС, индуктированной в обмотке якоря. Увеличение ЭДС повлечет за собой увеличение тока возбуждения, а следовательно, и магнитного потока главных полюсов, и т. д. Так как ток возбуждения непрерывно изменяется, то в цепи возбуждения действуют следующие ЭДС: 1) напряжение U_в на зажимах цепи возбуждения, которое в то же время является и напряжением на зажимах якоря; 2) падение напряжения I_вR_в; 3) ЭДС самоиндукции L_в(dI_в/dt), где L_в – индуктивность цепи возбуждения. Таким образом,

(3.17)

Обычно процесс самовозбуждения происходит при х.х. и R_в=const. Тогда зависимость U=f(I_в) изображается кривой х.х. (кривая 1 на рис. 3.12), зависимость I_вR_в=f(I_в) определяется прямой 2, a L_в(dI_в/dt), – отрезками ординат между кривой 1 и прямой 2.

.

Рис. 3.12 Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

В точке А₁ пересечения кривой 1 и прямой 2 ЭДС самоиндукции L_в(dI_в/dt)=0, а так как L_в – конечная величина, то (dI_в/dt)=0 и, следовательно, I_в=const. Таким образом, в точке А₁ процесс самовозбуждения прекращается. Для получения этой точки проводят прямую под углом α, тангенс которого в определенном масштабе пропорционален величине суммарного сопротивления цепи возбуждения: tg α =U/I_в=R_в, где R_в – сопротивление обмотки возбуждения и регулировочного реостата. Если мы будем увеличивать сопротивление R_в т. е. угол а, то точка А₁ будет перемещаться по характеристике х.х. в направлении к 0. Если R_в увеличить до такой степени, что прямая 2 будет касательной к начальной части характеристики х.х. (прямая 3), то в этих условиях генератор не возбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при котором прекращается самовозбуждение генератора, называют критическим сопротивлением R_в.кр и угол α, соответствующий этому сопротивлению, α_кр – критическим углом. Следовательно, самовозбуждение генератора параллельного возбуждения возможно при соблюдении следующих условий:

а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом, т. е. наличие остаточного потока в железе полюсов;

б) магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения , должен совпадать по направлению с потоком остаточного магнетизма ;

в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического ;

г) сопротивление нагрузки не должно быть очень малым.

Процесс самовозбуждения происходит при холостом ходе в следующем порядке: при включении асинхронного двигателя в сеть, якорь генератора начинает вращаться. Остаточный поток, пересекая проводники якоря, наводит в них ЭДС. Под действием этой ЭДС по обмотке возбуждения начинает протекать ток, который создает поток . Если этот поток направлен согласно с остаточным потоком, то общий поток возрастет, возрастает и наводимая ЭДС в якоре. А это приведет к увеличению тока и потока и машина возбудится. Процесс возбуждения будет лавинообразным.

Характеристики генератора параллельного возбуждения:

1. Характеристика холостого хода , , , рис. 3.13.

Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается только в одном направлении, то и характеристика холостого хода может быть снята тоже только в одном направлении.

Рис. 3.13. Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения

_2. Нагрузочная характеристика ,

Аналогична генератору независимого возбуждения (рис. 3.10, б).

3. Внешняя характеристика , , рис. 3.14

Рис. 197

Рис. 3.14. Внешние характеристики генераторов параллельного 1 и независимого 2 возбуждения

Если у генератора независимого возбуждения ток возбуждения оставался неизменным, то у генератора параллельного возбуждения он меняется с изменением нагрузки. При увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора под влиянием реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря уменьшается. Снижение напряжения вызывает уменьшение тока возбуждения I_в=U/R_в. В свою очередь, уменьшение I_в вызывает ослабление основного магнитного потока, а следовательно, уменьшение ЭДС и напряжения на зажимах генератора. С понижением напряжения происходит дальнейшее уменьшение I_в. При этом магнитная система генератора постепенно размагничивается. В генераторе с параллельным возбуждением ток нагрузки увеличивается лишь до определенного критического значения I_кр, превышающего номинальное не более чем в 2–2,5 раза. Величина тока нагрузки зависит от двух факторов: величины напряжения генератора и сопротивления нагрузки. При увеличении нагрузки уменьшается напряжение на зажимах генератора (рис. 3.14). В начале, когда магнитная система насыщена, размагничивание идет медленно и напряжение U изменяется незначительно, вследствие чего ток в цепи якоря увеличивается. Однако при дальнейшем увеличении тока степень насыщения магнитной системы резко уменьшается, и напряжение начинает быстро падать. Преобладающим будет уже не уменьшение сопротивления цепи, а понижение напряжения. Поэтому ток, достигнув критического значения, начнет уменьшаться. При к.з. I_в=0 так как U=0. Величина I_кз будет определяться только величиной ЭДС остаточной индукции: I_кз=E_ост/R_я Таким образом, к.з., вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном коротком замыкании магнитная система генератора не успевает сразу размагнититься, и ток достигает опасных для машины значений. При таком резком возрастании тока на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь.

4. Регулировочная характеристика. , , , рис. 3.10, г.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения имеет такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения.