Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения. Схемы включения генераторов

Свойства генераторов постоянного тока зависят от числа и способа подключения обмоток возбуждения или, как говорят, от способа возбуждения генераторов. В зависимости от способа возбуждения различают:

1) генераторы независимого возбуждения;

2) генераторы параллельного возбуждения (ранее шунтовые);

3) генераторы смешанного возбуждения (ранее компаундные).

Рис. 9.12. Схема включения генератора независимого возбуждения

Главный магнитный поток генератора независимого возбуждения (рис. 9.12) возбуждается расположенной на главных полюсах обмоткой независимого возбуждения H₁ — H₂. Последняя получает питание от постороннего источника электрической энергии постоянного тока небольшой мощности. Номинальное напряжение обмотки возбуждения выбирают либо равным, либо иногда меньшим номинального напряжения якоря Я₁ — Я₂ генератора.

Цепь обмотки возбуждения Ш₁ — Ш₂ генератора параллельного возбуждения (см. рис. 9.16) включают параллельно якорю Я₁ — Я₂, от которого она и получаст питание. Обмотку возбуждения рассчитывают в этом случае на то же напряжение, что и якорь генератора.

Магнитный поток Ф генератора смешанного возбуждения (см. рис. 9.19) возбуждается расположенными на главных полюсах двумя обмотками: обмоткой параллельного возбужденияШ₁ — Ш₂ и обмоткой последовательного возбуждения С₁ — С₂. Последнюю включают либо так, как показано на рис. 9.19, в цепь приемника r_п, либо последовательно с якорем. В большинстве случаев обмотки параллельного и последовательного возбуждения включают согласно, т. е. таким образом, чтобы их МДС совпадали по направлению.

Обмотки независимого и параллельного возбуждения существенно отличаются от обмотки последовательного возбуждения в конструктивном отношении. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляются из провода относительно малого диаметра, имеют сравнительно большие числа витков и сопротивления. В отличие от этого обмотка последовательного возбуждения изготовляется из провода относительно большого диаметра, имеет небольшое число витков и сопротивление. Например, у машин мощностью от 5 до 100 кВт на напряжение 220 В обмотки параллельного возбуждения имеют соответственно сопротивления порядка 300 — 50 Ом, тогда как обмотки последовательного возбуждения — порядка 0,01 — 0,001 Ом. Площадь поперечного сечения провода для изготовления последовательной обмотки выбирают такого диаметра, чтобы обмотка не перегревалась под действием тока приемника.

В цепи обмоток возбуждения (см. рис. 9.12, 9.16 и 9.19) имеется реостат r_р, служащий для изменения тока возбуждения I_в, что необходимо в конечном итоге для регулирования напряжения U на выводах генератора и приемника. Сопротивление нагрузки r_п следует рассматривать как некоторое эквивалентное сопротивление, заменяющее группу приемников, получающих питание от генератора.

В некоторых установках находят применение трехобмоточные генераторы, имеющие обмотки независимого, параллельного и последовательного возбуждения. Они имеют особые свойства и характеристики.

Свойства и характеристики генераторов независимого возбуждения

Свойства электрических машин постоянного и переменного тока, представляющие интерес с точки зрения практического использования машин, в значительной мере определяются их характеристиками, каждая из которых представляет собой график зависимости между двумя важнейшими величинами.

Основными характеристиками генераторов постоянного тока являются характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики.

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода E(I_в) генератора независимого возбуждения (рис. 9.12) представляет собой зависимость ЭДС якоря от тока обмотки возбуждения при работе генератора вхолостую (приемник отключен, I = 0) и n = const. Она дает представление о том, как необходимо изменять ток возбуждения, чтобы получать те или иные значения ЭДС генератора.

Согласно выражению (9.7) Е = k_еФn. При холостом ходе генератора независимого возбуждения Ф = f₂ (I_вw_в) = f₁(I_в), поэтому

E = k_еnf₁(I_в).

Изменяя с помощью реостата r_р ток I_в , можно изменять магнитный поток Ф и, следовательно, ЭДС Е генератора.

Если магнитная цепь машины была полностью размагничена, то при увеличении тока возбуждения зависимость Ф(I_в) представляется кривой 1 (рис. 9.13), подобной кривой намагничивания. Поскольку при n = const ЭДС прямо пропорциональна магнитному потоку, график Ф(I_в) представляет собой в другом масштабе по оси ординат характеристику холостого хода E(I_в).

Каждому значению тока I_в при его уменьшении (кривая 2) соответствуют несколько большие значения потока Ф и ЭДС Е, чем при увеличении тока; при I_в = 0 генератор имеет небольшой поток остаточного намагничивания Ф₀ и соответствующую ему ЭДС Е₀. Обычно Ф₀ = (0,02÷0,06)Ф_ном и E₀ = (0,02÷0,06)E_ном , где Ф_ном и E_ном - магнитный поток и ЭДС, соответствующие номинальным данным генератора.

Рис. 9.13. Характеристики холостого хода генератора независимого возбуждения

Рис. 9.14. Внешние характеристики генератора независимого возбуждения

За расчетную принимают обычно характеристику 3,расположенную между характеристиками 1 и 2. Точку А,соответствующую номинальным данным генератора, выбирают при расчете на «колене» (в зоне наибольшей кривизны) характеристики холостого хода. Выбирать точкуА в области значительного насыщения ферромагнитных материалов нецелесообразно, так как это приводит к значительному увеличению тока, мощности и габаритных размеров обмотки возбуждения при незначительном увеличении ЭДС.

Внешняя характеристика. Внешняя характеристика U(I) генератора постоянного тока независимого возбуждения представляет собой зависимость напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при I_в = const и n = const.

Зависимость U(I) может быть получена на основании уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа для цепи якоря генератора, согласно которому

U = Е - I_яr_я = Е - Ir_я , (9.11)

где I_я— ток якоря, равный току I приемника; r_я — сопротивление якоря, включающее в себя сопротивление обмотки якоря, щеточного контакта, обмотки дополнительных полюсов и компенсационной обмотки (если она имеется).

Так как у генератора независимого возбуждения по условию I_в = const, то пренебрегая реакцией якоря, следует считать Ф = const, а значит, и Е = const. При этих условиях внешняя характеристика U(I) представляет собой прямую линию (характеристика 1 на рис. 9.14).

Если в уравнении (9.11) заменить напряжение согласно закону Ома выражением U = Ir_п, а затем решить его относительно тока, то получим

I =	Е	.
	rя + rп

(9.12)

Как видно из (9.12) и (9.11), при работе генератора вхолостую (r_п = ∞) I = 0 и U = U_x = Е (рис. 9.14). С увеличением числа подключенных приемников эквивалентное сопротивление r_пуменьшается, что вызывает увеличение тока нагрузки I, падения напряжения Ir_я в сопротивленииr_я и снижение напряжения U.

Рис. 9.15 Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

Вследствие реакции якоря магнитный поток и ЭДС несколько уменьшаются при увеличении нагрузки, что приводит к дополнительному снижению напряжения. Внешняя характеристика при этом получается непрямолинейной (характеристика 2 на рис. 9.14). Для получения в этом случае номинального напряжения при токе I_ном необходимо устанавливать при холостом ходе несколько большую ЭДС,  U_x1 = E₁ > U_x = E.

Относительное изменение напряжения генератора

ΔIном =	Ux - Uном	100
	Uном

сравнительно невелико и равно примерно 5—10%.

Если при холостом ходе устанавливать различные значения ЭДС, а затем увеличить нагрузку генератора, то можно получить семейство внешних характеристик, подобных характеристике 2, например характеристики 3 и 4 на рис. 9.14.

Регулировочная характеристика. Регулировочная характеристика I_в(I) представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при n = const и U = const. Она показывает, как необходимо изменять ток возбуждения при изменении   тока   нагрузки,   чтобы  поддерживать   напряжение.

Возможность поддержания напряжения путем изменения тока I_в вытекает из уравнения (9.11). Как видно, для этого необходимо соответствующим образом изменять ЭДС, что и можно сделать путем изменения тока I_в.

Регулировочная характеристика генератора (рис. 9.15) нелинейна, что объясняется нелинейностью внешней характеристики и характеристики холостого хода.

Недостатком генератора независимого возбуждения является то, что он требует постороннего источника электрической энергии для питания обмотки возбуждения. От указанного недостатка свободны генераторы параллельного и смешанного возбуждения.