Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Возбуждением генератора называется создание главного магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создастся ЭДС. Важнейшим отличительным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Практически но всех современных машинах главное магнитное ноле возбуждается электромаг­нитным путем, для чего по обмотке возбуждения, размещенной на сердечниках полюсов машины, про­пускается ток. Все рабочие характеристики маши­ны постоянного тока при работе как в режиме гене­ратора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть парал­лельным, последовательным, смешанным и, наконец, цепи эти могут быть независимы друг от друга. При любом способе включения мощность, потребляемая цепью возбуждения, невелика и составляет несколько процентов от номинальной мощности машины. Генератор с независимым возбуждением. Обмот­ка возбуждения 0В такого генератора подключена к постороннему источнику тока через регулировоч­ный реостат (рис. 10.4, а).

При увеличении тока нагрузки напряжение на у зажимах этого генератора несколько уменьшается 1 из-за падения напряжения на обмотке якоря и в результате действия реакции якоря, которая умножает магнитный ноток машины. Для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора изменяют ток возбуждения с помощью регулировочного реостата. Внешняя характеристика этого ге­нератора (зависимость напряжения на зажимах от тока нагрузки) показана на рис. 10.5 (кривая 1).

Генератор с параллельным возбуждением. Это генератор с самовозбуждением: обмотку возбужде­ния 0В такого генератора подключают через регу­лировочный реостат параллельно обмотке якоря (рис. 10.4, б). При увеличении тока нагрузки на­пряжение на зажимах генератора с параллельным возбуждением уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это в свою очередь вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. I Поэтому при увеличении тока нагрузки напряже­ние на зажимах генератора с параллельным возбуж­дением уменьшается быстрое, чем у генератора с независимым возбуждением.

Дальнейшее увеличе­ние тока нагрузки приводит к такому сильному уменьшению тока побуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение генератора падает до нуля. Поэтому короткое замыкание гене­ратора с параллельным возбуждением неопасно. Внешняя характеристика этого генератора показа­на на рис. 10.5 (кривая 2).

Генератор с последовательным возбуждением.

Это также генератор с самовозбуждением, но его обмот­ка возбуждения 0В включена последовательно с якорем (рис. 10.4, в) и по обеим обмоткам протека­ет одинаковый ток. При отсутствии нагрузки (внеш­няя цепь разомкнута) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС вследствие остаточной индукции стального сердечника статора. При увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора сна­чала растет до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы машины, после чего оно начи­нает быстро уменьшаться из-за падения напряже­ния на сопротивлении якоря и вследствие размаг­ничивающего действия реакции якоря (кривая 3 на рис. 10.5). Ввиду сильной зависимости напряжения на зажимах генератора от нагрузки генераторы с последовательным возбуждением применяются очень редко.

Генератор со смешанным возбуждением. Этот ге­нератор также относится к генераторам с самовоз­буждением, но имеет две обмотки возбуждения: ОВ1 которая включается параллельно якорю, и ОВ2 ко­торая включается последовательно с якорем (рис. 10.4, г). Обмотки включают так, чтобы они создава­ли магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генера­тора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсирова­ны ЭДС; от потока параллельной обмотки. Благода­ря этому напряжение на зажимах генератора со смешанным возбуждением остается практически постоянным при изменениях нагрузки в определенных пределах (кривая 4 на рис. 10.5).

Двигатели постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока основан на взаимодействии проводника с током с постоянным магнитным полем электромагнитов Если генератор включить в сеть постоянного тока то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток и на каждый проводник обмотки якоря, находящийся в магнитном поле электромагнитов, начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь (рис. 10.6, а). Из рис. 10.6 видно, что при изменении направления тока только в якоре (рис. 10.6, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 10.6, в) направ­ление вращения якоря изменяется на противополож­ное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направление вращения якоря (рис. 10.6, г). Отсюда следует, что для изме­нения направления вращения двигателя постоянно­го тока нужно поменять местами либо концы об­мотки якоря, либо концы обмотки возбуждения. Если двигатель постоянного тока с сопротивле­нием обмотки якоря Rя включить в сеть с напря­жением U, то в момент пуска в якоре установится ток Ln=

Поскольку сопротивление якоря мало, то пуско­вой ток в нем будет очень большим, превышая но­минальный в десятки раз. От такого тока могут по­страдать обмотка якоря, а также коллектор и щет­ки. Пусковой ток можно ограничить путем включе­ния последовательно с обмоткой якоря пускового реостата. В этом случае пусковой ток

Сопротивление пускового реостата Л„ выбирают та­ким, чтобы пусковой ток не превышал номиналь­ный более чем в 1,2-1,5 раза. В результате взаимодействия якоря с магнитным полем полюсов якорь начнет вращаться. Так как его обмотка начнет вращаться в магнитном поле, то в ней будет индуцироваться ЭДС, которая будет на­правлена против приложенного к двигателю напря­жения. Величина этой ЭДС прямо пропорциональ­на числу оборотов двигателя и величине магнитно­го потока. Однако в отличие от генератора в двига­теле эта ЭДС будет меньше приложенного от сети напряжения на величину падения напряжения в якоре машины: (10.13) отсюда ток в якоре при выведенном пусковом реоcтате

(10.14) Умножив обе части уравнения (10.13) на IЯ, полу­чим: I (10.15) Левая часть уравнения (10.15) представляет со­бой электрическую мощность, потребляемую дви­гателем из сети, а второй член правой части- мощность, поглощаемую сопротивлением якоря. Очевидно, что Iя - это полезная электрическая мощность, которая может быть преобразована в дру­гие виды энергии. Следовательно, это та часть по­требляемой из сети электрической мощности, кото­рая преобразуется двигателем в механическую (включая механические потери). Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети элек­трической энергии в механическую. Подставим выражение для ЭДС генератора (10.6) (ЭДС, индуцируемая в якоре двигателя, выражает­ся той же формулой) в (10.14) и выразим оттуда скорость вращения двигателя: (10.16) n=

Сопротивление пускового реостата Л„ выбирают та­ким, чтобы пусковой ток не превышал номиналь­ный более чем в 1,2-1,5 раза. В результате взаимодействия якоря с магнитным полем полюсов якорь начнет вращаться. Так как его обмотка начнет вращаться в магнитном поле, то в ней будет индуцироваться ЭДС, которая будет на­правлена против приложенного к двигателю напря­жения. Величина этой ЭДС прямо пропорциональ­на числу оборотов двигателя и величине магнитно­го потока. Однако в отличие от генератора в двига­теле эта ЭДС будет меньше приложенного от сети напряжения на величину падения напряжения в якоре машины: (10.13) отсюда ток в якоре при выведенном пусковом реоcтате

(10.14) Умножив обе части уравнения (10.13) на IЯ, полу­чим: I (10.15) Левая часть уравнения (10.15) представляет со­бой электрическую мощность, потребляемую дви­гателем из сети, а второй член правой части- мощность, поглощаемую сопротивлением якоря. Очевидно, что Iя - это полезная электрическая мощность, которая может быть преобразована в дру­гие виды энергии. Следовательно, это та часть по­требляемой из сети электрической мощности, кото­рая преобразуется двигателем в механическую (включая механические потери). Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети элек­трической энергии в механическую. Подставим выражение для ЭДС генератора (10.6) (ЭДС, индуцируемая в якоре двигателя, выражает­ся той же формулой) в (10.14) и выразим оттуда скорость вращения двигателя: (10.16) n=

Способы возбуждения двигателей постоянного тока

Все рабочие характеристики двигателя постоян­ного тока, как и генератора, зависят от способа вклю­чения цепи возбуждения по отношению к цепи яко­ря. Соединение этих цепей может быть параллель­ным, последовательным, смешанным и, наконец, они могут быть независимы друг от друга. Двигатели с параллельным и независимым воз­буждением. Схема включения двигателя постоян­ного тока с параллельным возбуждением показана на рис. 10.7, где ПР - пусковой реостат, а РР - регулировочный реостат.

Если обмотку возбуждения такого двигателя под­ключить через регулировочный реостат РР к друго­му источнику постоянного напряжения, то получит­ся двигатель с независимым возбуждением. Скоростная характеристика таких двигателей n=f(Iя)при U = const и IВ =сопst приведена рис. 10.8.

Для объяснения ее вида обратимся к формуле (10.16). Изменение скорости вращения может про­исходить за счет изменения нагрузки и магнитного потока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за ма­лости сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения дви­гателя. Что же касается магнитного потока, то вслед­ствие реакции якоря при увеличении тока нагруз­ки он несколько уменьшается, что приводит к не­значительному увеличению скорости вращения дви­гателя. Таким образом, скорость вращения двига­тели с параллельным возбуждением изменяется очень мало.

Скорость вращения двигателя с независимым воз­буждением молено регулировать изменением либо сопротивления цепи якоря .либо магнитного пото­ка. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллейным и независимым побужденном, тик как ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. , При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что это станет опасным для целости двигателя. Двигатель с последовательным возбуждением. Схема включения двигателя постоянного тока с по­следовательным возбуждением показана на рис. 10.9.

У такого двигателя ток якоря является одновре­менно и током возбуждения, так как обмотка воз­буждения включена последовательно с якорем. По­этому магнитный поток двигателя изменяется с из­менением нагрузки. Выражение для скорости вра­щения двигателя последовательного возбуждения можно получить из формулы (10.16), заменив со­противление якоря RЯ на. (RЯ + RЯ) , где Л, - со­противление обмотки возбуждения: (10.17) Скоростная характеристика двигателя последова­тельного возбуждения приведена на рис. 10.10.

Из этой характеристики видно, что скорость дви­гателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значи­тельному уменьшению скорости вращения двигате­ля. Это характерная особенность двигателя с после­довательным возбуждением. Значительное уменьше­ние нагрузки приводит к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. Поэтому такие дви­гатели не следует пускать вхолостую или с малой нагрузкой. Регулирование скорости вращения двигателя с последовательным возбуждением может осуществ­ляться путем изменения либо магнитного потока, либо напряжения питания.

Согласно формуле (10.12), вращающий момент двигателя пропорционален току якоря и магнитному потоку. В свою очередь магнитный поток в отсутствие насыщения пропорционален току возбуждения, который для данного двигателя является и оком якоря: М = (10.18)

Мы видим, что вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря. Квадратичная зависимость вращающего момент от тока нагрузки является еще одной характерной особенностью таких двигателей, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент. Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда необходим боль­шой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки, а также исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми в качестве тяговых двигателей на электрическом транспорте (трамваи, троллейбусы, метро и электровозы), а также на подъемных кра­нах и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) на автомобилях и авиационных двигате­лей. Двигатель со смешанным возбуждением. Схема включения двигателя постоянного тока со смешан­ным возбуждением показана на рис. 10.11.

На каждом полюсе такого двигателя имеются две обмотки - параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки скла­дывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение). Формулы для скорости вра­щения и для вращающего момента двигателя со смешанным возбуждением выглядят следующим образом: (10.19) (10.20) В этих формулах знак плюс относится к соглас­ному включению обмоток возбуждения, а минус - к встречному. В зависимости от соотношения магнит­ных потоков обеих обмоток двигатель со смешан­ным возбуждением по своим свойствам прибли­жается либо к двигателю с параллельным возбуж­дением, либо к двигателю с последовательным воз­буждением. Как правило, у двигателей со смешан­ным возбуждением последовательная обмотка яв­ляется главной (рабочей), а параллельная вспомога­тельной. Благодаря наличию магнитного потока параллельной обмотки скорость вращения такого двигателя не может сильно возрастать при малых нагрузках. Двигатели с согласным включением широко при­меняются в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент и регулировка скорости при пере­менных нагрузках (включая малые нагрузки и хо­лостой ход). Двигатели со встречным включением обмоток применяются в тех случаях, когда необхо­дима постоянная скорость при изменяющейся на­грузке. Электрические измерения и приборы.

Основные понятия и общие сведения из теории измерений

Показания (сигналы) электроизмерительных приборов используют для оценки работы различных электротехнических устройств и состояния электрооборудования, в частности состояния изоляции. Электроизмерительные приборы отличаются высокой чувствительностью, точностью измерений, надёжностью и простотой исполнения. Наряду с измерением электрических величин - тока, напряжения, мощности электрической энергии, магнитного потока, ёмкости, частоты и т. д. - с их помощью можно измерять и неэлектрические величины. Показания электроизмерительных приборов можно передавать на дальние расстояния (телеизмерение), они могут использоваться для непосредственного воздействия на производственные процессы (автоматическое регулирование); с их помощью регистрируют ход контролируемых процессов, например путем записи на ленте и т. д. Применение полупроводниковой техники существенно расширило область применения электроизмерительных приборов. Измерить какую-либо физическую величину - это значит найти ее значение опытным путем с помощью специальных технических средств. Для различных измеряемых электрических величин существуют свои средства измерений, так называемые меры. Например, мерами э. д. с. служат нормальные элементы, мерами электрического сопротивления - измерительные резисторы, мерами индуктивности - измерительные катушки индуктивности, мерами электрической ёмкости - конденсаторы постоянной ёмкости и т. д. На практике для измерения различных физических величин применяют различные методы измерения. Все измерения в зависимости от способа получения результата делятся на прямые и косвенные. При прямом измерении значение величины получают непосредственно из опытных данных. При косвенном измерении искомое значение величины находят путем подсчёта с использованием известной зависимости между этой величиной и величинами, получаемыми на основании прямых измерений. Так, определить сопротивление участка цепи можно путем измерения протекающего по нему тока и приложенного напряжения с последующим подсчётом этого сопротивления из закона Ома. Наибольшее распространение в электроизмерительной технике получили методы прямого измерения, так как они обычно проще и требуют меньших затрат времени. В электроизмерительной технике используют также метод сравнения, в основе которого лежит сравнение измеряемой величины с воспроизводимой мерой. Метод сравнения может быть компенсационным и мостовым. Примером применения компенсационного метода служит измерение напряжения путем сравнения его значения со значением э. д. с. нормального элемента. Примером мостового метода является измерение сопротивления с помощью четырёхплечной мостовой схемы. Измерения компенсационным и мостовым методами очень точные, но для их проведения требуется сложная измерительная техника. При любом измерении неизбежны погрешности, т. е. отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины, которые обусловливаются, с одной стороны, непостоянством параметров элементов измерительного прибора, несовершенством измерительного механизма (например, наличием трения и т. д.), влиянием внешних факторов (наличием магнитных и электрических полей), изменением температуры окружающей среды и т. д., а с другой стороны, несовершенством органов чувств человека и другими случайными факторами. Разность между показанием прибора АП и действительным значением измеряемой величины АД, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной погрешностью измерения: (9.1) Величина, обратная по знаку абсолютной погрешности, носит название поправки: (9.2) Для получения истинного значения измеряемой величины необходимо к измеренному значению величины прибавить поправку: (9.3) Для оценки точности произведённого измерения служит относительная погрешность δ, которая представляет собой отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины, выраженное обычно в процентах: (9.4) Следует отметить, что по относительным погрешностям оценивать точность, например, стрелочных измерительных приборов весьма неудобно, так как для них абсолютная погрешность вдоль всей шкалы практически постоянна, поэтому с уменьшением значения измеряемой величины растёт относительная погрешность (9.4). Рекомендуется при работе со стрелочными приборами выбирать пределы измерения величины так, чтобы не пользоваться начальной частью шкалы прибора, т. е. отсчитывать показания по шкале ближе к её концу. Точности измерительных приборов оценивают по приведённым погрешностям, т. е. по выраженному в процентах отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению АH: (9.5) Нормирующим значением измерительного прибора называется условно принятое значение измеряемой величины, могущее быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Погрешности приборов подразделяют на основную, присущую прибору при нормальных условиях применения вследствие несовершенства его конструкции и выполнения, и дополнительную, обусловленную влиянием на показания прибора различных внешних факторов. Нормальными рабочими условиями считают температуру окружающей среды (20 5)°С при относительной влажности (65 15)%, атмосферном давлении (750 30) мм рт. ст., в отсутствие внешних магнитных полей, при нормальном рабочем положении прибора и т. д. В условиях эксплуатации, отличных от нормальных, в электроизмерительных приборах возникают дополнительные погрешности, которые представляют собой изменение действительного значения меры (или показания прибора), возникающее при отклонении одного из внешних факторов за пределы, установленные для нормальных условий. Допустимое значение основной погрешности электроизмерительного прибора служит основанием для определения его класса точности. Так, электроизмерительные приборы по степени точности подразделяются на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0, причем цифра, обозначающая класс точности, указывает на наибольшее допустимое значение основной погрешности прибора (в процентах). Класс точности указывается на шкале каждого измерительного прибора и представляет собой цифру, обведённую кружком. Шкалу прибора разбивают на деления. Цена деления (или постоянная прибора) есть разность значений величины, которая соответствует двум соседним отметкам шкалы. Определение цены деления, например, вольтметра и амперметра производят следующим образом: CU = UH/N - число вольт, приходящееся на одно деление шкалы; CI = IH/N - число ампер, приходящееся на одно деление шкалы; N - число делений шкалы соответствующего прибора. Важной характеристикой прибора является чувствительность S, которую, например, для вольтметра SU и амперметра SI, определяют следующим образом: SU = N/UH - число делений шкалы, приходящееся на 1 В; SI = N/IН - число делений шкалы, приходящееся на 1 А.

Измерение тока и напряжения.

Измерение тока. Приборы, предназначенные для измерения тока, получили название амперметров. Приборы, рассмотренные выше, могут служить как для измерения тока, так и для измерения напряжения. При этом отличаются способы включения их в электрическую цепь и значения сопротивления измерительной цепи прибора. Амперметр включают в цепь таким образом, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, т. е. последовательно. Сопротивление амперметра должно быть малым, чтобы в нем не происходило заметного падения напряжения. Для измерения постоянного тока используют преимущественно амперметры магнитоэлектрической системы и реже приборы электромагнитной системы, а для измерения переменного тока частотой 50 Гц в основном применяют амперметры электромагнитной системы. Непосредственное включение амперметра в цепь измеряемого тока не всегда возможно, так как в некоторых случаях измеряемый ток во много раз превосходит необходимый для полного отклонения подвижной системы прибора. В этих случаях при измерении постоянного тока параллельно амперметру включают шунт, через который проходит большая часть измеряемого тока (рис. 10.1). Согласно первому закону Кирхгофа, максимальное значение измеряемого амперметром тока при наличии шунта где Imax - максимальное значение тока в цепи; IAн - номинальное (предельное) значение тока амперметра в отсутствие шунта; Iш - ток, проходящий через шунт. Так как амперметр и шунт включены параллельно, то токи между шунтом и амперметром распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям: откуда находим сопротивления шунта: (10.1) где rA - внутреннее сопротивление амперметра; n = Imax/IAн - коэффициент, показывающий, во сколько раз расширяются пределы измерения. Так как то ток в цепи при заданной нагрузке (10.2) где IA - показание амперметра. Если шкалу амперметра отградуировать с учётом шунта, то можно определять значение измеряемого тока I непосредственно по показаниям прибора. При измерении переменных токов шунты не применяют. Это объясняется тем, что распределение токов между шунтом и амперметром определяется не только их активным сопротивлением, но и реактивным сопротивлением прибора, которое зависит от частоты. Поэтому для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока. Измерение напряжения. Электроизмерительные приборы, предназначенные для измерения напряжения, называются вольтметрами. Вольтметры включают параллельно участку (элементу) электрической цепи, на котором измеряют напряжение. При этом вольтметр должен иметь очень большое сопротивление по сравнению с сопротивлением элемента цепи, на котором измеряется напряжение. Это необходимо для уменьшения погрешности измерения и для того, чтобы не было изменения режима работы цепи. В самом деле, чем больше сопротивление вольтметра, тем меньший ток проходит через него и тем меньше расходуется в нём энергия, а следовательно, тем меньшее влияние оказывает включение прибора на режим работы цепи. Для расширения пределов измерений вольтметров в цепях постоянного тока с напряжением до 1000-4500в служат добавочные резисторы, включаемые последовательно с прибором (рис. 10.2). В цепях переменного тока напряжением свыше 1000 в для расширения пределов измерений используют измерительные трансформаторы напряжения. При включении последовательно с вольтметром добавочного резистора сопротивление последнего определяют из следующих соображений: допустим, вольтметром с сопротивлением rV, рассчитанным на номинальное напряжение Uном, необходимо измерить напряжение Uxmax, которое в n раз больше Uном. В этом случае необходимо соблюдать условие, при котором ток, проходящий через вольтметр, был бы одинаковым при обоих напряжениях, т. е. откуда (10.3) и фактически измеряемое напряжение (10.4) где UV - показание вольтметра. Шкалу вольтметров в большинстве случаев градуируют с учётом добавочного сопротивления rд. При этом вольтметр может быть выполнен на несколько пределов измерения, для чего он снабжается несколькими добавочными сопротивлениями и соответствующим переключателем шкалы на лицевой стороне прибора. Для измерения напряжения в цепях постоянного тока применяют магнитоэлектрические вольтметры, а в цепях переменного тока - электромагнитные и электродинамические вольтметры. При измерении малых переменных напряжений используют выпрямительные и электронные милливольтметры, причем при повышенных частотах преимущественно электронные.

178