Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Ток I_в для ГПТ в обмотке возбуждения формируется посторонним источником и не зависит от I_я. Этот тип возбуждения применяют, когда нужно менять в широких пределах I_в и напряжение U. Для снижения потерь в ОВ ток I_в устанавливают небольшим (1–3% от I_я), а нужная величина МДС F_в = I_вw_в достигается за счет большого количества витков w_в. ОВ выполняют из тонкого провода, ее сопротивление R_в достаточно велико (сотни Ом). Ток возбуждения I_в = U_в/(R_в + R_р),где R_p – сопротивление регулировочного реостата.

О свойствах генератора судят по нескольким характеристикам. Характеристикой холостого хода называют зависимость E = f(I_в) при I_я = 0 и n = const. Поскольку E = C_enФ, то при n = const эта характеристика подобна характеристике Ф = f(I_в). При I_в = 0 в якоре наводится E_ост за счет потока остаточного намагничивания полюсов Ф_ост (рис. 3.66): E_ост ≈ 0,03E_ном. При I_в > I_в.ном начинается магнитное насыщение.

Зависи­мость ЭДС якоря от I_в для ГПТ с неза­висимым возбуж­дением

Внешней характеристикой называют U = f(I_я) при n, I_в = const. Под нагрузкой напряжение генератора U = E – I_яR_яS, где в R_яS входят сопротивление якорной обмотки R_я, сопротивление добавочных полюсов и сопротивление скользящего контакта между щетками и коллектором. С увеличением нагрузки генератора (т. е. уменьшением R_н) ток якоря растет, а напряжение U падает, что вызывается ростом потерь на R_яS и снижением E, обусловленным реакцией якоря. DU = = (U₀ – U_ном)/U_ном составляет 5÷15%.

Внешние характеристики ГПТ

Изменение I_в = const дает семейство внешних характеристик. При R_н = 0 (режим короткого замыкания) ток якоря недопустимо велик: I_я = (10÷20)I_я.ном. От таких перегрузок цепь якоря защищают с помощью реле и контакторов.

На практике напряжение U поддерживают компенсирующим изменением тока возбуждения за счет использования автоматических регуляторов. Достоинством генераторов с независимым возбуждением является возможность регулировать напряжение в широких пределах от нуля до U_ном и поддерживать его почти постоянным. Недостаток – необходимость в источнике питания ОВ.

Генераторы малой мощности выполняют иногда с постоянными магнитами возбуждения. Их характеристики близки к рассмотренным.

Генераторы постоянного тока с самовозбуждением

Схемы ГПТ с параллель­ным (а), последовательным (б) и со смешанным (в) возбуждением

Генераторы с самовозбуждением делят на три типа: а) с параллельным возбуждением; б) с последовательным возбуждением; в) со смешанным возбуждением.

Генератор с параллельным возбуждением имеет такую же конструкцию обмотки возбуждения, как и генератор с независимым возбуждением. Поскольку I_я = I_н + I_в, то ток возбуждения является частью тока якоря и составляет 1¸5% I_я.ном. Характеристика хо­лостого хода E = f(I_в) в относительных единицах практически одинакова у всех типов генераторов.

Рассмотрим процесс самовозбуждения машины при наличии остаточной намагниченности Ф_ост основных полюсов в режиме холостого хода. При вращении якоря с частотой n_ном в слабом остаточном магнитном поле Ф_ост в якоре наводится небольшая ЭДС Е_ост. Так как обмотка возбуждения и якорь образуют замкнутый контур, то под действием Е_ост в ОВ появится небольшой ток I_в, который создаст небольшой поток возбуждения Ф_в.

При правильной полярности включения ОВ произойдет суммирование потоков Ф_ост + Ф_в = Ф. Усиленный поток Ф увеличивает ЭДС Е, которая увеличивает I_в и т. д. Процесс самовозбуждения нарастает. Ограничение роста Ф, Е, I_в происходит из-за насыщения магнитной цепи.

Процесс самовозбуждения можно проиллюстрировать, добавив к характеристике холостого хода прямую 2, построенную по уравнению E = (R_я + R_р + R_в)I_в » (R_р + R_в)I_в. Ее угол наклона можно регулировать изменением сопротивления R_р регулировочного реостата. При пуске R_р выведено, т. е. R_р = 0. Тогда прямая 2 имеет минимальный угол наклона, определяемый сопротивлением R_в обмотки возбуждения. Процесс самовозбуждения показан стрелками: вначале из точки Е_ост – горизонтальный ход до прямой 2, далее вертикальный ход до характеристики 1, затем опять горизонтальный ход до прямой 2 и т. д. Процесс оканчивается в точке пересечения кривой 1 и прямой 2 при Е = Е_mах. Это устойчивое возбуждение. Для снижения Е_mах до Е_ном вводят реостат R_р. При этом угол a увеличивается и прямая 2 занимает положение 3. Увеличение R_р, при котором прямая 3 занимает положение 4, сделает работу генератора неустойчивой и Е может упасть до Е_ост. Сопротивление цепи возбуждения R_р.кр + R_в, определяющее угол a_кр, называют критическим. Самовозбуждение при таком и большем сопротивлении невозможно.

Итак, для самовозбуждения генератора требуются три условия: наличие остаточного потока намагничивания Ф_ост; согласованность потоков Ф_в и Ф_ост; сопротивление цепи возбуждения меньше критического, а п = п_ном.

.

Обычно в магнитной системе машины имеется остаточная намагниченность из-за явления гистерезиса. Однако возможны случаи полного размагничивания полюсов. Тогда начальное намагничивание создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от внешнего источника. Внешняя характеристика генератора имеет вид кривой 1.

Внешние ха­рактеристики ГПТ с па­раллельным (1), незави­ симым (2) возбуждением

У нее падение напряжения с ростом тока I_н » I_я больше, чем у характеристики ГПТ с независимым возбуждением (кривая 2). Это объясняется тем, что кроме падения напряжения в якоре и реакции якоря имеется третий фактор: по мере падения U падает ток возбуждения I_в. Генератор допускает увеличение тока нагрузки при уменьшении R_н до критического I_н.кр » (2,5¸3)I_н.ном. Дальнейшее сни­жение R_н вызывает переход генератора в неустойчивый режим (пунктирная линия), ток I_н падает, и процесс заканчивается снижением напряжения до нуля (режим короткого замыкания).

Для генератора с последовательным возбуждением I_я = I_в = I_н. Внешняя характеристика ГПТ показана на рисунке. Сильная зависимость напряжения от нагрузки делает эти генераторы малопригодными для большинства потребителей.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную ОВ₁ и последовательную ОВ₂. Через ОВ₂ течет большой ток, поэтому она имеет небольшое число витков из провода большого сечения. Обмотки ОВ₁ и ОВ₂ можно включить согласно

(потоки Ф₁ и Ф₂ сонаправлены и Ф_в = Ф₁ + Ф₂) или встречно (Ф₁ и Ф₂ встречны и Ф_в = Ф₁ – Ф₂). Характеристика холостого хода генератора совпадает с характеристикой на рис. 3.66 (обмотка ОВ₂ не задействована). При согласном включении обмоток число витков ОВ₂ можно подобрать так, что даваемое ОВ₂ подмагничивание будет компенсировать падение напряжения. В этом случае внешняя характеристика идет почти горизонтально (1 на рис.). При увеличении витков ОВ₂ получим характеристику 2. Это позволяет компенсировать потерю напряжения не только внутри генератора, но и в передающей линии. При встречном включении обмотка ОВ₂ размагничивает генератор тем сильнее, чем больше ток нагрузки. Поэтому внешняя характеристика имеет крутопадающий участок (кривая 3 на рис.). Такие генераторы используют в сварочных установках, для питания печей, прожекторов. Среди ГПТ генераторы смешанного возбуждения получили наибольшее распространение.