14.6. Понятие о коммутации

Время, когда пластины коллектора, к которым присоединены кон­цы секции, замкнуты щеткой накоротко, является периодом перехода секции из одной параллельной ветви обмотки в другую. При этом ток в секции изменяется от некоторого значения одного знака до некото­рого значения другого знака. Такой процесс называется коммутацией.

В более широком смысле под коммутацией понимают совокупность явлений и процессов, происходящих под щеткой и в замыкаемой накоротко секции при переходе ее из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую.

Время, в течение которого щетка сойдет с одной коллекторной пластины и перейдет полностью на другую коллекторную пластину вращающегося якоря, называется периодом коммутации T_k, а секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой.

Коммутация сильно влияет на надежность работы машины постоян­ного тока. При плохой коммутации появляется сильное искрение под щетками, продолжительное действие которого выводит машину из строя. Практически качество коммутации определяется интенсивностью искрообразования между щетками и коллектором. При хорошей ком­мутации работа машины происходит без искрения. Поэтому получение удовлетворительной коммутации является одной из основных проблем при создании машин постоянного тока.

14.7. Генераторы постоянного тока. Классификация генераторов

Генераторы постоянного тока классифицируют по способу питания обмотки возбуждения, так как свойства генераторов в основном обуслов­- лены способом возбуждения. В зависимости от способа возбуждения различают генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуж- дением. У генератора с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока. В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются током от самих же генераторов.

Генераторы с самовозбуждением подразделяют на три типа: 1) с параллельным возбуждением (шунтовые), когда обмотка возбуждения подключена параллельно цепи обмотки якоря; 2) с последовательным возбуждением (сериесные), когда обмотка возбуждения включена после­- довательно с обмоткой якоря; 3) со смешанным возбуждением (компаунд- ные), когда имеются две обмотки возбуждения, одна из которых подключена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно с ней. Иногда генераторы малой мощности выполняют с постоянными магнитами. По свойствам эти генераторы близки к генераторам с независимым возбуждением.

Через обмотки независимого и параллельного возбуждения обычно проходит небольшой ток, составляющий в генераторах независимого возбуждения 1 — 3% от номинального значения тока якоря, а в гене­раторах с параллельным возбуждением—1—5%. Эти обмотки вы­полняют, как правило, с большим числом витков из провода отно­сительно небольшого сечения.

Через обмотку последовательного возбуждения проходит полностью ток якоря, поэтому ее выполняют с небольшим числом витков из про­вода большого сечения.

Генератор с независимым возбуждением. На рис. 14.12, а приведена схема генератора с независимым возбуждением. В этом генераторе ток I_в в обмотку возбуждения ОВ подается от постороннего источника, поэтому не зависит от тока якоря I_а, равного в этих генераторах току нагрузки I_н (рис. 14.12,б). Генераторы с независимым возбуждением применяются в тех случаях, когда необходимо в широких пределах регулировать ток возбуждения I_в и напряжение на зажимах машины U. Ток воз­буждения зависит от значения сопротивления обмотки возбуждения r_в и значения введен­ного в цепь обмотки возбуждения сопротив­ления регулировочного реостата r_рв:

(14.6)

где U_B — напряжение, приложенное к цепи возбуждения. Напряжение на зажимах генера­тора при работе будет меньше, чем его э, д. с., из-за падения напряжения в сопротивлении r_а и определяется по формуле

(14.7)

где r_а — сумма сопротивлений якорной цепи, куда входят сопротивления последовательно включенных обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной обмотки, а также переходного контакта щеток и коллектора.

О свойствах генераторов постоянного тока в различных условиях работы судят по характеристикам, из которых представляют наибольший практический интерес характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная. На рис. 14.13 приведены эти характеристики для гене­ратора с независимым возбуждением.

Характеристикой холостого хода (рис. 14.13, а) называется зависи­мость э. д. с. генератора E₀ при холостом ходе (I=0) и постоянной частоте вращения (n = const) от тока возбуждения. При холостом ходе генератора, когда цепь нагрузки отключена, напряжение U₀ на зажимах обмотки якоря равно э. д. с. E₀ = С_enФ. Так как частота вращения якоря и при холостом ходе постоянна, то э. д. с. E зависит только от магнитного потока Ф, т. е. от тока возбуждения I_в. При I_в = 0 в обмотке якоря наводится э. д. с. E_ост, которая определяется потоком остаточного намагничивания полюсов. Эта э. д. с. обычно составляет 2—4% от номинального напряжения U_ном.

Характеристику холостого хода можно построить опытным путем. При увеличении тока возбуждения от нуля до некоторого значения, при котором U₀ ≈ 1,25U_ном, получаем восходящую ветвь, а при умень­шении тока до нуля получаем нисходящую ветвь характеристики. Эти ветви представляют собой несколько отличающиеся друг от друга кри­вые (рис. 14.13, а), выходящие из одной точки. Расхождение ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины.

Большое практическое значение имеет внешняя характеристика, представляющая собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки U = f(I_н) (рис. 14.13, 6) при постоянной частоте вра­щения и неизменном токе возбуждения. Согласно (14.7), напряжение U при увеличении I_а уменьшается из-за падения напряжения в сопротивлении r_а и из-за уменьшения э. д. с. E за счет размагничивающего действия реакции якоря. При переходе от номинального режима к режиму холостого хода изменение напряжения определяется по формуле

(14.8)

Для генераторов с независимым возбуждением

На практике очень важно при изменении нагрузки поддерживать напряжение генератора постоянным, что достигается путем регулиро­вания тока возбуждения. Каким образом регулировать ток возбуждения, показывает регулировочная характеристика (рис. 14.13, в), представ­ляющая собой зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при неизменном напряжении U на зажимах генератора и неизменной частоте вращения n.

Итак, генераторы с независимым возбуждением позволяют регули­ровать напряжение в широких пределах путем изменения тока возбужде­ния, начиная от нуля и кончая максимальным значением. Изменение напряжения в них с ростом нагрузки сравнительно небольшое. Недостатком генераторов этого типа является необходимость питания обмотки возбуждения от внешних источников постоянного тока.

Генераторы с самовозбуждением. В генераторах с самовозбуждением обмотка возбуждения питается от обмотки якоря.

У генераторов с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, поэтому их нельзя применять для питания большинства потребителей, нормально работающих при U = const, т. е. они практически не используются.

На рис. 14.14 показан генератор параллельного возбуждения, в котором обмотка возбуждения ОВ соединена через регулировочный реостат параллельно с обмоткой якоря. Процесс самовозбуждения генератора происходит следующим образом: если вращать якорь гене­ратора, то в первоначальный момент вследствие остаточного намагни­чивания Ф_ост в обмотке якоря наводится небольшая э. д. с. Е_ост = С_еnФ_ост. Поток Ф_ост составляет 1—3% от номинального потока машины. Этот поток остается в машине, так как ее предварительно намагничивают на электромашиностроительном заводе. Э. д. с. Е_ост создает в обмотке возбуждения генератора небольшой ток I_в и, как следствие, некоторую м. д. с., которая по отношению к потоку Ф_ост может быть направлена согласно или встречно, т. е. подмагничивать или размагничивать машину. Если обмотка возбуждения включена с обмоткой якоря таким образом, что ее м. д. с. направлена согласно с потоком Ф_ост, то возникший под действием остаточной э. д. с. небольшой ток возбуждения увеличивает магнитный поток машины, который, в свою очередь, увеличивает э. д. с. Возросшая э. д. с. вызывает дальнейшее увеличение тока и т. д. Предел возрастания потока и тока возбуждения наступает при насыщении магнит­ной цепи машины.

Рассмотрим процесс изменения тока в контуре «обмотка возбуж­дения — обмотка якоря» при холостом ходе генератора. Для такого контура в режиме холостого хода справедливо уравнение

(14.9)

где е - мгновенное значение э. д. с. в обмотке якоря; i_в — мгновенное значение тока возбуждения; L_в — суммарная индуктивность обмотки возбуждения и якоря; — э. д. с. самоиндукции. В (14.9) сопротивление обмотки якоряr_а не входит (им пренебрегают), так как оно очень мало по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения.

Э. д. с. самоиндукции e_L будет возникать до тех пор, пока в процессе самовозбуждения меняется ток i_в. Следовательно, как только ток воз­буждения достигнет установившегося значения I_в, в тот же момент e_L станет равной нулю, что, согласно (14.9), произойдет при условии Если считать, что токI_в изменяется пропорционально напряжению U на зажимах машины, то указанному условию на графике рис. 14.15 будет соответствовать точка пересечения характеристики холостого хода (криваяE_остDCA) и прямой (прямая 0В), т. е. точка С.

При увеличении сопротивления цепи возбуждения уменьшаются ток I_в и напряжение U на зажимах генератора, поэтому точка пере­сечения характеристики холостого хода с прямой смещается в точку D. При некотором достаточно большом значении сопротивления цепи возбуждения, называемомкритическим, самовозбуждение невозмож­но, так как дальнейшее увеличение сопротивления r_рв приведет к резкому снижению напряжения (практически до значения Е_ост).

Итак, для самовозбуждения генератора необходимо выполнить три условия: 1) до начала процесса возбуждения генератор должен иметь поток остаточного намагничивания; 2) при прохождении тока i_в по обмотке возбуждения ее м. д. с. F_в должна быть направлена согласно с м. д. с. F_ocт; 3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.

Рассмотрим основные характеристики генератора с параллельным возбуждением. Характеристики холостого хода и регулировочная для генератора с параллельным возбуждением имеют такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 14.13, а, в), с тем отличием, что первая идет несколько ниже, а вторая — несколько выше. Это связано с уменьшением тока возбуждения при росте нагрузки, а также с тем, что при одной и той же нагрузке ток в якоре машины с парал­лельным возбуждением больше, чем при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением представляет собой зависимость U = f(I_н) при n = const и r_в = const (рис. 14.16, кривая 1). Она значительно отличается от внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 14.16, кривая 2). Это связано с тем, что с ростом нагрузки уменьшается напряжение гене­ратора из-за увеличивающегося падения напряжения в якоре и раз­магничивающего действия реакции якоря. Кроме того, с ростом нагрузки и уменьшением напряжения уменьшается ток в обмотке возбуждения что приводит к дополнительному снижению напряжения, так как

В генераторах с параллельным возбуждением при переходе от ре­жима номинальной нагрузки к режиму холостого хода напряжение может изменяться на 10—20 %. Этот генератор можно нагружать до некоторого максимального тока I_кр, называемого критическим (точка а на рис. 14.16), так как при дальнейшем увеличении нагрузки, т. е. уменьшении сопротивления r_н, ток I_н = U/r_н вместо увеличения начнет уменьшаться. Это связано с тем, что напряжение на зажимах генератора U в этом случае падает быстрее, чем уменьшается r_н.

На рис. 14.17 приведена схема генератора сосмешанным возбуждением. Генератор наряду с основной параллельной (шунтовой) обмоткой Ш.ОВ, имеет вспомогательную последовательную (сериесную) обмотку С.ОB возбуждения, при согласном включении которых напряжение генератора, как это видно из внешней характеристики (рис. 14.18, кривая 1), будет поддерживаться почти постоянным независимо от изменения нагрузки. У генераторов этого типа напряжение изменяется в пределах 2—3%. Последовательную обмотку этих генераторов выполняют таким образом, чтобы падение напряжения во внутреннем сопротивлении генератора и уменьшение э. д. с. от снижения тока воз­буждения параллельной обмотки компенсировались приращением э. д. с. от потока последовательной обмотки. Так, если в генераторе с параллель­ным возбуждением напряжение при увеличении нагрузки падает и для поддержания его постоянным необходимо увеличивать ток возбуждения, то в генераторе со смешанным возбуждением последовательная обмотка возбуждения при увеличении нагрузки автоматически увеличивает магнитный поток соответственно току нагрузки, проходящему через нее.

Если последовательную обмотку возбуждения включить таким образом, чтобы ее м. д. с. была противоположна по направлению м. д. с. парал­лельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора окажется рез­ко падающей (рис. 14.18, кривая 2). Генератор с такой характеристикой применяют в качестве сварочного генератора, для которого важно под­держивать постоянство тока при колебаниях напряжения из-за изменения длины дуги и огра­ничивать ток короткого замыкания.