Эл. машины. Разделы 1, 2, 3

току якоря. Для обеспечения пропорциональности между м.д.с. добавочного полюса и требуемой для компенсации вышеназванных составляющих э.д.с. секций обмотки магнитной индукцией Вк увеличивают воздушный зазор под добавочным полюсом (по сравнению с зазором главного полюса), а также делают участки магнитной цепи добавочных полюсов ненасыщенными при номинальной нагрузке машины.

Сдвиг щеток с геометрической нейтрали. В машинах без добавочных полюсов магнитное поле, необходимое для создания компенсирующей э.д.с., можно получить сдвигом щеток с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря в генераторах и против вращения якоря в двигателях, (рис. 23). Щетки следует смещать за физическую нейтраль (β>α). Основным недостатком получения безыскровой коммутации путем сдвига щеток является невозможность применения этого способа для реверсивных машин и зависимость угла сдвига щеток β от нагрузки, так как положение физической нейтрали изменяется при изменении нагрузки. Поэтому этот способ применяется лишь в машинах малой мощности. В этом случае щетки ставят в определенное положение, соответствующее полной компенсации реактивной э. д. с. при некоторой средней нагрузке.

Рис. 23. Схема сдвига щеток для улучшения коммутации

Применение компенсационной обмотки. Добавочные полюса компенсируют поле реакции якоря только в междуполюсном пространстве. Непосредственно под главными полюсами реакция якоря остается нескомпенсированной, что приводит к искажению поля. В машинах большой мощности при резко переменной нагрузке искажение основного поля приводит к резкой разнице между э.д.с, наведенными между соседними секциями обмотки якоря, вследствие чего возникает искрение потенциального характера. При значительном превышении допустимой разности потенциалов между соседними коллекторными пластинами искрение может перейти в круговой огонь.

Для компенсации реакции якоря в зоне главных полюсов применяется компенсационная обмотка. Эта обмотка укладывается в пазы, проштампованные в полюсных наконечниках главных полюсов с таким расчетом, чтобы ее м.д.с. была направлена навстречу м.д.с. поперечной реакции якоря и равна ей по величине. Чтобы компенсация имела место при любой нагрузке, компенсационная обмотка соединяется с обмоткой якоря

31

последовательно.

Компенсационная обмотка усложняет конструкцию машины и повышает ее стоимость. Поэтому компенсационные обмотки применяются только в крупных машинах, начиная примерно со 150 кВт, и в машинах с тяжелыми условиями коммутации.

IX. Классификация МПТ по способу возбуждения

1.По принципу создания магнитного потока возбуждения МПТ делятся на машины с электромагнитным возбуждением, при котором поток создается при помощи обмотки возбуждения, обтекаемой током возбуждения, и

машины с магнитоэлектрическим возбуждением, возбуждаемые постоянными магнитами, из которых изготавливаются главные полюсы. Как правило, мощность машин с магнитоэлектрическим возбуждением невелика (до 1 кВт, реже – единицы кВт).

2.По способу питания обмотки возбуждения (ОВ) различают (рис. 24 –

на примере ГПТ):

2.1.МПТ с независимым возбуждением, при котором ОВ получает питание от постороннего источника (рис. 24, а);

2.2.МПТ с самовозбуждением, при котором ОВ получает питание от якоря самой машины.

3.В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения

генераторы с самовозбуждением подразделяются на:

– генераторы параллельного возбуждения или шунтовые, в которых обмотка возбуждения В соединена параллельно с якорем, (рис. 24, б);

– генераторы последовательного возбуждения или сериесные, в которых обмотка возбуждения В соединена последовательно с якорем (рис. 24, в);

– генераторы смешанного возбуждения или компаундные, в которых одна

обмотка возбуждения В1 соединена параллельно с якорем, а другая В2 последовательно (рис. 24, г).

Рис. 24. Схемы возбуждения ГПТ: а – независимое; б – шунтовое (параллельное); в – сериесное (последовательное); г – компаундное (смешанное)

На судах, как правило, применяются компаундные генераторы.

32

X. Генераторы постоянного тока

Ток в параллельно подключенной обмотке возбуждения у машин средней и большой мощности не превышает нескольких процентов от номинального тока нагрузки. Поэтому падением напряжения в якорной обмотке машины от этого тока можно пренебречь, и по второму закону Кирхгофа уравнение равновесия э.д.с. и напряжений для цепи якоря генератора при нагрузке имеет вид:

E U IRa , (7)

где U – напряжение на зажимах генератора; I – ток нагрузки;

Ra – внутреннее сопротивление цепи якоря. Напряжение генератора из уравнения (7) равно

U E IRa ,

или, принимая во внимание, что э.д.с. генератора Е=сЕnФ:

U cE nФ IRa . (8)

Основными величинами, характеризующими работу генератора, являются: напряжение на зажимах генератора U; ток якоря Iа, который практически равен нагрузочному току I; ток возбуждения Iв; скорость (частота) вращения n.

Обычно двигатели, приводящие во вращение генераторы, работают с постоянной скоростью вращения, поэтому, за исключением специально оговоренных случаев, анализ работы ГПТ проводится при номинальной скорости вращения n=nн=const.

Основные характеристики ГПТ:

1.Нагрузочная характеристика U=f(Iв) при I=const. В частном случае при I=0 зависимость U=f(Iв) называется характеристикой холостого хода.

Характеристика холостого хода имеет большое значение, так как позволяет судить о магнитном состоянии машины.

2.Внешняя характеристика U=f(I) при Rв=const (Rв – сопротивление цепи обмотки возбуждения, т.е. внешняя характеристика снимается при Iв=const).

3.Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const. В частном случае при

U=0 регулировочная характеристика переходит в характеристику короткого замыкания Iкз=f(Iв).

ГПТ независимого возбуждения

Такие ГПТ применяются в судовых устройствах, где требуется широкое регулирование напряжения (в рулевых электроприводах по системе генератордвигатель, в ГЭУ постоянного тока в качестве главных генераторов и возбудителей и др.). Обмотка независимого возбуждения получает питание от источника постоянного тока напряжением 40÷220 В.

Характеристика холостого хода (х.х.х.) U=f(Iв) при I=0. При снятии х.х.х. генератор работает без нагрузки. Для этого рубильник Р (схема рис. 25) находится в разомкнутом положении.

33

рис. 25). Затем постепенно снижают ток возбуждения Iв, но при этом уменьшают величину сопротивления нагрузки таким образом, чтобы при каждом отсчете параметров Iв и U ток нагрузки I оставался неизменным.

При нагрузке напряжение генератора снижается вследствие падения напряжения в цепи якоря IRa и размагничивающего действия реакции якоря. Поэтому нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики холостого хода, причем тем ниже, чем больше ток I (рис. 27). Для оценки степени влияния этих двух факторов на снижение напряжения генератора при нагрузке строят характеристические треугольники abc и а'b'с' по характеристикам холостого хода и нагрузочной при I=Iн.

Обычно нагрузочные характеристики снимаются для двух значений нагрузочного тока: I=Iн и I=0,5Iн.

Внешняя характеристика генератора U=f(I) при Rв=const. Для снятия внешней характеристики применяют схему рис. 25. Замкнув рубильник Р, нагружают генератор, уменьшая величину сопротивления Rн до номинального тока I=Iн при номинальном напряжении U=Uн. Затем постепенно уменьшают нагрузку до нуля и снимают при этом показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения Rв, а следовательно, и ток возбуждения Iв=Uв/Rв, в течение опыта сохраняются постоянными.

На рис. 28, а представлена внешняя характеристика генератора независимого возбуждения. Снижение напряжения генератора при нагрузке происходит по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря IRa и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

Степень наклона внешней характеристики, т. е. жесткость внешней характеристики оценивается изменением напряжения генератора при номинальной нагрузке, так называемым номинальным изменением напряжения генератора, которое равно изменению напряжения на зажимах отдельно работающего генератора при сбросе нагрузки от номинальной до нуля при постоянстве сопротивления цепи возбуждения, которое выражается в процентах от номинального напряжения (обычно составляет 5÷8%):

U H U0 U H 100% .

U H

Рис. 28. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики ГПТ с независимым возбуждением

35

Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const. Из рис. 28, а

видно, что напряжение генератора падает с увеличением нагрузки. Чтобы сохранять напряжение генератора постоянным, надо с ростом нагрузки увеличивать ток в обмотке возбуждения.

Регулировочная характеристика снимается по схеме рис. 25. При разомкнутом рубильнике Р устанавливают номинальное напряжение. Затем включают нагрузку и постепенно увеличивают ток до номинального. Для поддержания неизменным напряжения генератора увеличивают ток возбуждения, уменьшая сопротивление Rp. На рис. 28, б представлена регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения (сплошная кривая).

Таким образом, регулировочная характеристика показывает, как надо изменять ток в обмотке возбуждения нагружаемого генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным.

Основным недостатком ГПТ независимого возбуждения является необходимость в постороннем источнике постоянного тока.

К числу достоинств этого генератора следует отнести возможность плавного регулирования напряжения в широком диапазоне и сравнительную жесткость внешней характеристики.

Шунтовой ГПТ

ГПТ параллельного возбуждения (рис. 29) является самовозбуждающимся.

При разомкнутой цепи возбуждения поток остаточного магнетизма индуктирует некоторую э.д.с., в результате чего на зажимах генератора появляется напряжение Uост. При замыкании цепи возбуждения по обмотке возбуждения потечет ток

свою очередь по характеристике холостого хода будет соответствовать э. д. с. U">U' и т.д. Этот процесс увеличения напряжения генератора и тока возбуждения происходит непрерывно и до такой точки, в которой приращение магнитного потока, а следовательно и э.д.с., будет равно нулю. Если, например,

36

в точке А ток возбуждения будет определяться выражением Iв.0=U0/Rв и этому току по характеристике холостого хода будет соответствовать э.д.с. U0, тогда приращение тока возбуждения будет равно нулю и процесс самовозбуждения закончится.

Рис. 30. К понятию о самовозбуждении ГПТ

Изменение сопротивления Rв меняет положение точки на кривой х.х.х., до которой происходит самовозбуждение машины, и при увеличении его до определенного значения, называемого критическим (Rв.кр) процесс самовозбуждения прекращается.

Критическое состояние цепи возбуждения возможно также при снижении скорости вращения генератора, т.к. ордината х.х.х. пропорциональна скорости. Скорость вращения, ниже которой генератор не может самовозбудится, называется критической nкр.

Самовозбуждение шунтового ГПТ возможно при соблюдении условий:

1.Наличие у магнитной системы остаточного магнетизма;

2.Совпадение по направлению потока, создаваемого обмоткой возбуждения, с потоком остаточного магнетизма;

3.Сопротивление цепи возбуждения меньше критического, Rв< Rв.кр.

Характеристика холостого хода U=f(Iв) при I=0 снимается в одном

направлении (т.к. генератор самовозбуждается только в одном направлении); х.х.х. (рис. 31) и нагрузочная характеристики практически совпадают с аналогичными у ГПТ с независимым возбуждением.

Внешняя характеристика U=f(I) при Rв=const представлена на рис. 32.

Рис. 31. Характеристика х.х. Рис. 32. Внешняя характеристика

Снижение напряжения с ростом нагрузки здесь более выражено, чем у ГПТ с независимым возбуждением, и происходит по трем причинам (при этом

37

первые две соответствуют ранее рассмотренным для ГПТ независимого возбуждения):

1.Вследствие падения напряжения в якорной цепи на внутреннем сопротивлении якорной обмотки IRa;

2.Вследствие размагничивающего действия реакции якоря;

3.Из-за уменьшения тока возбуждения Iв=U/Rв, происходящего в силу уменьшения напряжения U под влиянием причин 1 и 2.

Номинальное изменение напряжения составляет у шунтового ГПТ

10÷15%.

Увеличение нагрузки приводит вначале к увеличению тока вплоть до

критического значения Iкр=(2÷2,5)Iн, а затем к его уменьшению (при этом сильнее проявляется размагничивающее действие реакции якоря и уменьшение

тока возбуждения). Величина тока короткого замыкания Iкз=Uост/Ra определяется величиной остаточной намагниченности (при этом U=0 и Iв=0). Однако при внезапных к.з. ток в начале процесса может достигать опасных значений, превышающих номинальный ток в 8÷12 раз, что может приводить к появлению кругового огня на коллекторе либо сильному искрению.

Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const – см. пунктирную кривую на рис. 28, б.

При использовании шунтовых ГПТ в составе судовой электростанции они снабжаются автоматическими регуляторами напряжения (АРН).

Компаундные ГПТ

В компаундных ГПТ (рис. 33) шунтовая и сериесная обмотки могут быть включены согласно (т.е. их м.д.с. складываются и результирующий поток генератора при нагрузке увеличивается) либо встречно (м.д.с. обмоток направлены встречно, результирующий поток при нагрузке уменьшается; такие генераторы иногда называют противокомпаундными). Как правило, поток компаундных ГПТ по большей части создается шунтовой обмоткой.

Внешняя характеристика U=f(I) при

Rв=const показана на рис. 34, а. Если обмотки включены согласно, ток нагрузки, проходящий по сериесной обмотке, подмагничивает

генератор, увеличивая напряжение на клеммах.

Рис. 33. Компаундный ГПТ

Как правило, при номинальной нагрузке подмагничивающее действие сериесной обмотки компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в якорной цепи, и внешняя характеристика имеет значительную жесткость (кривая 1). Дальнейшее увеличение тока приводит к насыщению магнитной системы и снижению напряжения.

38

Рис. 34. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики компаундного ГПТ

Если увеличить число витков сериесной обмотки, т.е. перекомпаундировать генератор, становится возможным компенсировать падение напряжения в линии (кривая 2). Кривые 3 и 4 – приведенные здесь для сравнения характеристики ГПТ независимого и параллельного возбуждения.

Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const показана на рис. 34, б, кривая 1 (случай согласного включения обмоток возбуждения). Кривые 2 и 3 – приведенные для сравнения характеристики ГПТ независимого и параллельного возбуждения.

Параллельная работа ГПТ

Включение генераторов электростанции на параллельную работу преследует две основные цели:

-обеспечение возможности оптимальной (с точки зрения к.п.д. и удельного расхода топлива) загрузки каждого из работающих генераторов;

-обеспечение надежного и бесперебойного электроснабжения потребителей в случае аварийного или планового вывода из работы того или иного генераторного агрегата.

Для включения генераторов постоянного тока на параллельную работу

необходимо соблюдение следующих условий:

1) э.д.с. подключаемого генератора должна быть равна напряжению на шинах электростанции; 2) полярность зажимов подключаемого генератора должна соответствовать полярности шин.

Параллельная работа генераторов параллельного возбуждения. На рис. 35, а приведена схема параллельной работы таких ГПТ, из которых генератор Г1 работает, а генератор Г2 вводится в работу.

Порядок включения генератора Г2 на параллельную работу следующий.

1)Генератор приводится во вращение с номинальной скоростью.

2)Устанавливают э.д.с. генератора при помощи сопротивления RР2, равную напряжению на шинах Е2=U. Измерение напряжений производится вольтметра (ПВ – переключатель вольтметра).

3)Подключают генератор к шинам, замыкая рубильник Р2.

39

4) Нагружают генератор, распределяя нагрузку между генераторами пропорционально их мощности.

Рис. 35. Схема параллельной работы шунтовых ГПТ (а) и их внешние характеристики (б)

Нагрузочные токи каждого их генераторов, определяемые по

изменения скорости вращения (но она обычно поддерживается неизменной регуляторами скорости первичных двигателей), или изменением магнитного потока. На практике распределение нагрузочных токов производится путем регулирования возбуждения сопротивлениями RР1 и RР2 в цепях возбуждения. При этом напряжение на шинах станции должно оставаться неизменным, поэтому одновременно с уменьшением э.д.с. разгружаемого генератора увеличивают э.д.с. нагружаемого так, чтобы напряжение на шинах не изменялось.

Кроме того, для равномерного распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами необходимо, чтобы статизм их внешних характеристик был, по возможности, одинаков. Рис. 35, б иллюстрирует появление неравномерности нагрузок двух одинаковых ГПТ, работающих параллельно на общие шины при номинальном напряжении Uн на них.

Вывод генератора из работы производится путем постепенного уменьшения его нагрузки снижением тока возбуждения; при этом важно не допустить ситуации, когда э.д.с. генератора станет меньше напряжения на шинах, т.к. генератор в таком случае переходит в двигательный режим работы (аварийный режим для генераторного агрегата).

Параллельная работа генераторов параллельного возбуждения не всегда устойчива и при совпадении внешних характеристик. Если по какой-либо причине увеличится скорость вращения одного из генераторов, то его э.д.с. возрастет и он примет на себя дополнительную нагрузку, в то время как другой генератор сбросит с себя часть нагрузки.

40