Глава 6. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Как известно, при вращении рамки в постоянном магнитном поле, в ней возбуждается переменная ЭДС. Эта переменная ЭДС может быть преобразована в импульсную ЭДС в результате переключения концов рамки с помощью двух коллекторных пластин, представляющих собой два полукольца, в момент, когда ЭДС равна 0. (рис. 6.1)
Даже при наличии двух взаимно перпендикулярных рамок и четырех коллекторных пластин, выходная ЭДС оказывается практически постоянной (рис.6.2).
Таким образом, в машине постоянного тока, используемой как генератор, коллектор выполняет функцию выпрямителя.
Машины постоянного тока обратимы, и их устройства одинаково как для двигателя, так и для генератора.
Машина постоянного тока состоит из двух частей: неподвижной и подвижной, статора и якоря соответственно (рис.6.3).
Статор — неподвижная часть машины, представляет собой цилиндрическую станину, к внутренней поверхности которой крепятся 2, 4 или более полюсов, состоящих из сердечника, полюсных наконечников и обмотки возбуждения.
Подвижная часть, якорь, выполнена в виде цилиндрического пакета, состоящего из большого числа тонких пластин. В продольных пазах якоря размещена обмотка, состоящая из нескольких секций. На валу якоря располагается коллектор, представляющий собой цилиндр из диэлектрика, на котором расположены пластины коллектора, соединенные с секциями обмотки якоря. С внешней электрической схемой коллектор соединяется с помощью графитовых щеток, скользящих по поверхности коллекторных пластин. Щетки установлены так, что переключение секций обмотки якоря (коммутация) происходит в тот момент, когда секция обмотки находится в нейтральной зоне между полюсами.
В этом случае, когда нагрузка генератора отсутствует, ЭДС, возбуждаемая в обмотке якоря, определяется соотношением:
       (6.1)
где С — конструктивный коэффициент, Ф — магнитный поток, n-число оборотов якоря.
При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в цепи якоря равен нулю. При этом магнитное поле якоря отсутствует, и генератор работает в «холостую». Двигатель, приводящий во вращение якорь генератора, преодолевает только момент трения, совершая минимальную механическую работу.
При подключении электрической нагрузки в обмотке якоря и в нагрузке возникает ток, создающий вращающееся магнитное поле якоря, которое, взаимодействуя с неподвижным магнитным полем статора, приводит к появлению тормозного момента. Момент возрастает с ростом тока нагрузки. При этом мощность, выделяемая в нагрузке генератора, увеличивается (напряжение и ток возрастают), что приводит к увеличению механической мощности, развиваемой приводным двигателем.
Суммарное магнитное поле, возникаемое при работе генератора под нагрузкой, оказывается уже не симметричным как в режиме холостого хода, а смещается по направлению вращения генератора или против направления вращения в двигателе. Это обусловлено тем, что появляется магнитное поле якоря, созданное током нагрузки. Подобное явление называют реакцией якоря. Наличие реакции якоря приводит к ухудшению коммутации и к повышенному искрению под щётками. Для устранения этого явления, щётки перемещают из геометрической нейтрали в другое положение, либо машина снабжается дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой, включённой последовательно с основной обмоткой якоря. В этом случае компенсация реакции якоря автоматически устанавливается при любых нагрузках машины.
Основным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля, создаваемого током, протекающим через обмотку возбуждения. Все рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа включения обмотки возбуждения по отношению к цепи якоря. Это включение может быть последовательным, параллельным, комбинированным, также эти цепи могут быть независимы друг от друга.
6.1. Генераторы с независимым возбуждением.
В подобных генераторах обмотка возбуждения питается от отдельного источника, вследствие чего ток возбуждения не зависит от напряжения генератора, а следовательно, от условий нагрузки (рис.6.4).
Это дает возможность в очень широких пределах менять магнитный поток, а следовательно, и ЭДС, возникающую на обмотке якоря. Зависимость ЭДС от тока возбуждения при постоянном числе оборотов называется характеристикой холостого хода (рис. 6.5).
Наличие остаточной намагниченности системы возбуждения приводит к тому, что при отсутствии тока возбуждения, ЭДС возбуждения в якоре не равна 0, а равна остаточной ЭДС, Е0. С ростом тока возбуждения магнитное поле возрастает и приводит к магнитному насыщению системы возбуждения, вследствие чего, при значительных токах возбуждения ЭДС не возрастает.
Вид этой характеристики аналогичен подобной характеристике синхронного генератора.
Важной характеристикой генератора является внешняя зависимость напряжения U на выходе генератора от силы тока якоря (рис.6.6.А). Эта зависимость определяется соотношением:
       (6.2)
где Е — ЭДС якоря, Iн — ток нагрузки, Rя — сопротивление обмотки якоря и представляет собой прямую (рис. 6.6.Б пунктир).
Однако, при значительных токах нагрузки появляется насыщение магнитной системы и возникает размагничивающее действие реакции якоря, что приводит к уменьшению суммарного магнитного потока, а следовательно ЭДС и выходного напряжения быстрее, чем по прямой линии.
6.2. Генераторы с параллельным возбуждением.
У таких генераторов цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно цепи якоря и часть тока потребляемого двигателем (примерно 1%) используется для питания обмотки возбуждения (рис.6.7).
Обмотка возбуждения выполнена тонким проводом и содержит значительное количество витков. Самовозбуждение подобных генераторов возможно только лишь в том случае, если статор машины сохраняет остаточную намагниченность. Характеристика холостого хода у таких генераторов аналогична характеристике генераторов с независимым возбуждением (рис.6.5), а внешняя характеристика (рис.6.6.Б) проходит ниже, так как при увеличении тока нагрузки увеличивается падение напряжения на обмотке якоря, что приводит к уменьшению выходного напряжения, а следовательно, и тока возбуждения. Генераторы с параллельным возбуждением не боятся коротких замыканий и поэтому наиболее широко распространены.
6.3. Генераторы с последовательным возбуждением.
Якорь у таких генераторах соединен последовательно с обмоткой возбуждения, поэтому ток нагрузки является током возбуждения и током якоря (рис.6.8).Сопротивление обмотки возбуждения должно быть соизмеримо с сопротивлением обмотки якоря, то есть мало (малое число витков толстого провода).
Так как обмотка якоря соединена последовательно с обмоткой возбуждения, характеристика холостого хода у такого генератора отсутствует. Для внешней характеристики генератора характерно наличие максимума, связанное с тем, что при достижении значительных токов нагрузки магнитная система насыщается и магнитный поток уже не растет, а выходное напряжение начинает уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на обмотке якоря. Такие генераторы используются очень редко.
6.4. Генераторы смешанного возбуждения.
Такие генераторы имеют две обмотки возбуждения: одну, включенную параллельно обмотке якоря и имеющую значительное сопротивление, и вторую, включенную последовательно, со значительно меньшим сопротивлением (аналогично генераторам последовательного и смешанного соединения) (рис.6.9).
Эти обмотки могут быть включены либо согласно, либо встречно.
В генераторах с согласным включением обмоток выходное напряжение почти не меняется с изменением нагрузки (рис.6.10.А).
Это происходит потому, что магнитный поток последовательной обмотки создается током нагрузки и при увеличении нагрузки возрастает, компенсируя влияние реакции якоря и увеличение падения напряжения внутри генератора.
Генераторы со встречным включением обмоток имеют крутопадающую внешнюю характеристику (рис.6.10.Б). При увеличении тока нагрузки встречный магнитный поток последовательной обмотки размагничивает генератор, и выходное напряжение резко снижается. Наиболее часто подобные генераторы используются в качестве сварочных, т.к. для поддержания горения дуги требуются именно крутопадающие внешние характеристики.
6.5. Двигатели постоянного тока.
Если машину постоянного тока включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и в обмотках возбуждения возникают токи. При этом система возбуждения создает постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с полем якоря, и на каждый проводник обмотки якоря начинает действовать сила, которая стремится повернуть якорь. Появляется крутящий момент М, приводящий якорь во вращение.
Помимо вращающего момента М, возникающего в результате взаимодействия магнитного поля якоря с магнитным полем обмотки возбуждения, на якорь двигателя действует ряд других моментов:
момент холостого хода Мо, связанный с механическими потерями;
тормозной момент М1 , создаваемый механизмом, приводимым во вращение двигателем;
динамический момент Мдин сил инерции, возникающий при изменении скорости вращения якоря.
Динамический момент Мдин пропорционален моменту инерции вращающихся частей J и угловому ускорению:
       (6.3)
Чем быстрее меняется скорость двигателя, тем больше динамический момент. В установившемся режиме, когда скорость вращения постоянна, динамический момент равен нулю.
Моменты двигателя связаны уравнением, которое носит название уравнения моментов:
В установившемся режиме
вращающий и тормозной моменты взаимно уравновешены, и якорь двигателя вращается с постоянной скоростью.
В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигателя, различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
6.6. Двигатели с независимым и параллельным подключением.
Схема включения двигателя приведена на рис.6.11. При подключении обмотки возбуждения подобного двигателя к отдельному источнику создается независимое возбуждение.
При включении двигателя постоянного тока в сеть, в момент пуска ток якоря определяется соотношением:
где U — напряжение сети, Rя — сопротивление обмотки якоря, Iя -ток якоря.
Затем якорь под действием крутящего момента приходит во вращение, и в обмотке якоря возбуждается ЭДС самоиндукции
       (6.6)
где с — конструктивный коэффициент, n — число оборотов, Ф — магнитный поток системы возбуждения. Полярность ЭДС самоиндукции противоположна полярности напряжения сети (противо- ЭДС), вследствие чего с ростом частоты вращения якоря значительно уменьшается ток, протекающий в цепи якоря.
Следовательно, пусковой ток оказывается значительно больше номинального (в 10. 30 раз), и очень часто в цепь якоря включается реостат, величина которого позволяет уменьшить пусковой ток до значений .1. 1.5 Iном. Преобразуя соотношение (6.7) к виду:
получаем, что приложенное напряжение U уравновешивается суммой противо- ЭДС Е и падением напряжения на обмотке якоря RяIя.
Крутящий момент двигателя независимого и параллельного возбуждения определяется соотношением:
С увеличением тормозного момента, создаваемого механической нагрузкой двигателя, механическая мощность возрастает. Число оборотов якоря уменьшается, что приводит к уменьшению противо-ЭДС и росту тока, потребляемого двигателем, а, следовательно, к увеличению крутящего момента и возрастанию электрической мощности, потребляемой двигателем от сети. Зависимость установившейся скорости вращения от тормозного момента двигателя при постоянном напряжении питания цепей якоря и возбуждения называется механической характеристикой двигателя.
Механическая характеристика рассматриваемых двигателей изображена на рис.6.12.
Как видно из графика, скорость вращения двигателей при изменении тормозного момента в широких пределах (от 0 до номинального) изменяется незначительно. Это означает, что двигатели независимого и параллельного возбуждения имеют жёсткую механическую характеристику.
Зависимость скорости вращения n, тока якоря Iя, вращающего момента М и коэффициента полезного действия h от полезной мощности Р2 на валу двигателя при постоянном напряжении цепей якоря и возбуждения (IB=const) называется рабочими характеристиками двигателя.
Рабочие характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения представлены на рис.6.13.
Так как с увеличением полезной мощности вращающий момент возрастает, скорость вращения двигателя уменьшается.
С увеличением вращающего момента увеличивается пропорциональный ему ток якоря. Моменты М и М1 oтличаются на величину момента холостого хода, М0. Наибольший к.п.д. достигается при нагрузках, несколько меньших номинальной.
Механическая и рабочая характеристики двигателя независимого возбуждения идентичны аналогичным характеристикам двигателя параллельного возбуждения.
Так как противо- ЭДС зависит от скорости вращения якоря и равна
то приложенное напряжение U определится соотношением
       (6.11)
Отсюда находим выражение скорости вращения двигателя:
       (6.12)
Полученная формула позволяет решить задачу регулирования скорости вращения двигателя. Необходимо отметить, что для уменьшения потерь мощности сопротивление обмотки якоря Rя стремятся сделать по возможности малым (в реальных машинах оно составляет сотые или тысячные доли ома), В соответствии с этим и падение напряжения на активном сопротивлении якоря IяRя невелико по сравнению с напряжением сети. Поэтому в формуле (6.12) членом IяRя можно пренебречь. Тогда
       (6.13)
Отсюда видно, что существует два способа плавного изменения скорости вращения двигателя в широких пределах:
1. изменение напряжения U, подведенного к якорю двигателя;
2. изменение магнитного потока возбуждения Ф (тока возбуждения IB).
На рис.6.14 показано возможное включение регулировочных реостатов в схему двигателя.
При увеличении сопротивления R2 , при постоянном напряжении сети U, уменьшается напряжение, подведенное к якорю, и следовательно, скорость вращения двигателя. С увеличением сопротивления R1 уменьшается ток возбуждения и магнитный поток возбуждения, а, следовательно, увеличивается скорость вращения двигателя.
Второй способ регулирования скорости вращения двигателя предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями мощности: ток возбуждения в десятки раз меньше тока якоря, а потери пропорциональны квадрату тока. Однако при необходимости изменять скорость вращения двигателя в очень широких пределах одновременно используют оба способа.
Возможность плавного и экономичного регулирования скорости вращения в широких пределах является важнейшим достоинством двигателей постоянного тока.
Соотношение (6.13) определяющее скорость вращения двигателя показывает, что по мере уменьшения магнитного потока скорость неограниченно возрастает. С этой точки зрения опасен обрыв цепи возбуждения двигателя, при котором магнитный поток резко уменьшается до величины потока остаточного намагничивания, а двигатель идет «вразнос». Особенно вероятен режим «разноса» у ненагруженного двигателя. Режим «разноса» является аварийным: центробежные силы деформируют обмотку якоря, якорь заклинивается, а в некоторых случаях и разрушается.
У нагруженного двигателя увеличение скорости вращения происходит не столь резко, так как уменьшение магнитного потока при постоянном моменте вращения приводит к такому увеличению тока якоря, при котором произведением IяRя уже нельзя пренебрегать. Но и в этом случае обрыв цепи возбуждения может быть опасным.
6.7. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением.
Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6.15.
Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток, потребляемый двигателем, достаточно велик, обмотка возбуждения имеет небольшое число витков.
Из- за последовательного включения обмоток якоря и возбуждения (рис.6.15), магнитный поток Ф пропорционален току I (если пренебречь насыщением магнитопровода), и в формуле следует положить , где k — постоянный коэффициент. Тогда
вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока, потребляемого двигателем.
Выразим магнитный поток через вращающий момент:
и подставим в приближенное выражение скорости вращения двигателя:
       (6.16)
Отсюда видно, что для двигателей последовательного возбуждения опасен режим холостого хода, т.к. при уменьшении момента на валу до нуля, скорость вращения неограниченно увеличивается (рис.6.16), двигатель идет «вразнос». Это обстоятельство требует такого сочленения двигателя последовательного возбуждения с рабочей машиной, при котором режим холостого хода исключён. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения приведены на рис.6.16.
Скорость вращения двигателя последовательного возбуждения можно регулировать либо изменением подводимого напряжения, либо изменением магнитного потока возбуждения за счет шунтирования обмотки возбуждения (рис.6.17). Второй способ более экономичен.
Двигатель последовательного возбуждения имеет существенные преимущества, благодаря квадратичной зависимости вращающего момента от тока. Так, например, он развивает больший пусковой момент, что очень важно для электропривода на транспорте (благодаря этому, двигатель способен быстро набирать скорость после остановки). Однако резко выраженная зависимость скорости вращения от нагрузки и опасность «разноса» ограничивают область применения этих двигателей.
Указанных недостатков лишены двигатели смешанного возбуждения (рис.6.18).
Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.
При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим «разноса» двигателя при снятии нагрузки.
Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11
©, Центр телекоммуникационных технологий, авторы, 2002
webmasters: Р.Романов Г.Сидоров e-mail: physics@tspu.tula.ru
ЭДС И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.
ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле
Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции.
Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:
где d — диаметр сердечника якоря, l— образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при = 90° равна
где l- длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v — линейная (окружная) скорость движения проводника.
Подставим в формулу (3) значение средней индукции Вср и линейной скорости
и после преобразования получим:
где n — скорость вращения якоря.
Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каждой параллельной ветви будет активных проводников. Так как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно записать:
где — ЭДС генератора.
Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения получим:
В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:
Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения.
Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р = ) , причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без потерь). Тогда эту формулу можно записать так:
где F — сила, действующая на якорь.
При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила
а на N проводников обмотки
Учитывая соотношение (2), последнее уравнение можно записать следующим образом:
Подставив уравнение (10) в уравнение (8), получим выражение для мощности:
то окончательно имеем:
Для общего момента машины М можно записать:
постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции.
Таким образом, электромагнитный момент машины выражается формулой
В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток — поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т. е. имеет место явление, называемое реакцией якоря
Если отдельно изобразить картины полей полюсов (рис. 6-7, а) и якоря (рис. 6-7, б) и сравнить их, то можно видеть, что поле якоря является поперечным по отношению к полю полюсов. Очевидно, что в результате их взаимодействия (наложения), как и в синхронном генераторе с активной нагрузкой, под набегающими краями полюсов при ненасыщенной магнитной системе машины индукция будет уменьшаться, а под сбегающими увеличиваться, при этом общий поток не изменится. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной цепи. Тогда в результате реакции якоря не только исказится картина поля (рис. 6-7, в), но уменьшится общий магнитный поток и связанная с ним ЭДС, при этом как бы возрастет магнитное сопротивление полюсного наконечника и зубцов якоря, расположенных под этим полюсом. В результате поток возбуждения, проходящий через них, уменьшится. Реакция якоря приведет к тому, что в секциях, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно, при закорачивании секций щетками могут появиться токи, порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток. От этого нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток по коллектору в направлении его вращения на некоторый угол (с геометрической нейтрали nn’ на физическую нейтраль mm’), где ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании нагрузки угол Р возрастает), то полностью ликвидировать искрение таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать щетки одновременно с изменениями нагрузки). На практике щетки устанавливают по наименьшему искрению при номинальной нагрузке. В случае работы машины в режиме двигателя физическая нейтраль смещается против направления вращения.
Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для ослабления влияния реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока.
Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.
Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления называют процессом коммутации, а продолжительность этого процесса — периодом коммутации.
Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере обмотки с двумя параллельными ветвями.
Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только с коллекторной пластиной 1 (рис. 6-8, а), ток нагрузки I, протекает от пластины 1 до точки а, где разветвляется в обе параллельные ветви. Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной линией) находится в правой параллельной ветви. Как только правый край щетки коснется пластины 2, начнется процесс коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не сойдет с пластины 1, при этом в течение всего периода коммутации выделенная нами секция будет замкнута накоротко щеткой (рис. 6-8, б) Так как за все время коммутации значение и направление токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере перехода щетки коллекторной пластины 1 на пластину 2 ток под набегающим краем будет увеличиваться, а под сбегающим — уменьшаться, распределяясь обратно пропорционально площади соприкосновения, плотность тока при этом будет везде постоянной. Но так было бы при очень медленном движении коллектора относительно щетки. На самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли секунды, за это время ток в выделенной секции (провода 1—4) изменяется от + до нуля и от нуля до -. Так как секция
имеет большую индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции в ней появится дополнительный ток, направление которого (по закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции. Этот дополнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим краем щетки, и в момент схождения щетки с пластины I между этой пластиной и щеткой произойдет искрение.
Теперь, когда щетка стала касаться только пластины 2 (рис. 6-8, в), выделенная нами секция 1—4 оказалась в левой параллельной ветви, ток в ней изменил свое направление на противоположное. После этого начнется коммутация следующей секции, т. е. под щеткой снова будет наблюдаться искрение.
Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. Точно в таких же условиях находится и щетка другой полярности, где направление токов во всех проводниках будет противоположным. Для уменьшения добавочного тока, возникающего в коммутируемых секциях, в машинах высокого напряжения применяют твердые угольные щетки, образующие большие контактные сопротивления в замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока главным образом осуществляется с помощью дополнительных полюсов. Этот метод основан на следующем.
ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь дополнительным полем в коммутируемой секции создать равную и противоположную ЭДС, то дополнительный ток при этом может исчезнуть. Именно так и поступают на практике. Дополнительные полюсы размещают на геометрической нейтрали и снабжают обмотками, включенными последовательно в цепь нагрузки (рис. 6-9). Дополнительные полюсы своим полем индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки, и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом поле дополнительных
Рис. 6-9полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции якоря. У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения ставят дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателя — такой же полярности. Это условие автоматически выполняется при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, так как направление тока изменяется на противоположное.
У большинства машин постоянного тока делают по два дополнительных полюса на каждую пару главных полюсов. У маломощных машин (до 5 кВт) на каждую пару главных полюсов делают один дополнительный полюс.
СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают: независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (рис. 6-10, а). Напряжение на зажимах такого генератора (кривая I на рис. 6-11) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).
Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением: обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (рис. 6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I, напряжение на зажимах генератора U„ уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора UB уменьшается несколько быстрее (кривая 2 на рис. 6-11), чем у генератора независимого возбуждения.
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания.
Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (рис. 6-10, в). При отсутствии нагрузки (=0) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на рис. 6-11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.
Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.
Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: 0ВУ — включаемую параллельно якорю, ОВ2 (дополнительную) — последовательно (рис. 6-10, 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.
ОБРАТИМОСТЬ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ДВИГАТЕЛИ
Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим образом.
Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (рис. 6-12, и). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение.
Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре (рис. 6-12, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 6-12, б) направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря (рис. 6-12, г.)
Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов постоянного тока, т. е. они имеют точно такое же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).
Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток , значение которого может быть определено по закону Ома:
Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей составляет лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение — порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного двигателя в 10—30 раз. Такой ток не только не желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и будет равен
Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,1 —1,5 раза.
В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном поле и в ней индуцируется ЭДС самоиндукции , полярность которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т. е. по мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.
Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре при выведенном пусковом реостате можно выразить уравнением
Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании электрической энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (19) представим в следующем виде:
Получили уравнение электрического равновесия, согласно которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети U уравновешивается суммой ЭДС самоиндукции и падением напряжения на сопротивлении якоря
Умножив обе части уравнения (20) наIя, получим:
В этом новом уравнении (21) левая частьIяU представляет собой не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части — мощность, поглощаемую сопротивлением якоря (электрические потери в якоре). Очевидно, что член представляет собой электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно, и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности,, которая преобразуется в механическую (включая механические потери).
Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую. При неподвижном якоре = 0 преобразование (полезное) отсутствует ( = 0), хотя потребляемая из сети мощность максимальна. Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя (0) потребляемая из сети мощность () уменьшается, а преобразованная мощность становится отличной от нуля (0).
Для получения формулы скорости двигателя подставим в уравнение (19) значение ЭДС из соотношения (7). После преобразования получим:
Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна подводимому напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает скорость его вращения (и наоборот).
Действительно, если при установившемся токе в якоре и скорости вращения уменьшить магнитный поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и электрическое равновесие (20) нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться, быстрее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя может быть выражено той же формулой, что и для генератора (13).
Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного моментов.
В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
ДВИГАТЕЛЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Схема включения двигателя постоянного, тока параллельного возбуждения через пусковой реостат ПР изображена на рисунке 6-13. Если обмотку возбуждения такого двигателя включить через регулировочный реостат РВ на напряжение другого источника, то получится двигатель независимого возбуждения.
Скоростная характеристика n=f(Iя) таких двигателей при U =const и Iв = const приведена на рисунке 6-14, для объяснения которой обратимся к формуле скорости двигателя (22):
Изменение скорости вращения может происходить за счет изменения нагрузки и магнитного потока. Но изменение тока нагрузки лишь незначительно изменяет внутреннее падение напряжения благодаря малости сопротивления цепи якоря, которое тем меньше, чем мощнее двигатель. Ток нагрузки в конечном счете лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что касается магнитного потока Ф, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости вращения. Таким образом, скорость вращения двигателя параллельного возбуждения очень мало изменяется.
Скорость вращения двигателя независимого возбуждения можно регулировать изменением сопротивления цепи якоря либо изменением магнитного потока. Чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи являются очень опасными для двигателей параллельного и независимого возбуждения, так как ток в якоре возрастает до недопустимо большого значения. В случае незначительной нагрузки (или на холостом ходу) скорость настолько возрастает, что становится опасной для целости двигателя (наступает аварийный режим — «разнос» двигателя).
Двигатели независимого возбуждения нашли широкое применение в качестве исполнительных двигателей в схемах автоматики, а иногда в качестве так называемого электромагнитного тормоза. Когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подьемнотранс-портных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.
Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших — параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.
ДВИГАТЕЛИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.
Скоростную характеристику можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:
где — сопротивление обмотки возбуждения.
Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжение на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения.
Значительное уменьшение нагрузки приведёт к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться, либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.
Регулирование скорости вращения двигателя последовательного возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока или изменением питающего напряжения.
Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую характеристику) двигателя последовательного возбуждения можно получить, если в формуле вращающего момента магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а последний для данного двигателя является током нагрузки, т.е.
На графике эта характеристика имеет форму параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока нагрузки является второй характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент.
Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.
Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно принять в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подьемнотранспортных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.
Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших — параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.
От чего зависит максимальная ЭДС генератора переменного тока?
От чего зависит максимальная ЭДС генератора переменного тока? Ответ обоснуйте.
Лучший ответ
количества витков в обмотках генератора, обоснование не могу сформулировать, просто знаю.
Остальные ответы
Если просто ЭДС, то по Фарадею — от скорости изменения магнитного поля.
Если максимальная — то от соотношения неизбежного тока утечки к прочности изоляции. Потому как разомкнутый генератор гипотетически может развить сколь угодно большую ЭДС. Например, если ток в обмотке намагничивания включать «идеальным» ключом. Это хорошо еще, что на практике таких ключей нет.
Но, развить может много.
В чисто теоретическом (учебном) рассмотрении, магнитный поток через рабочую обмотку генератора меняется синусоидально. Например, при вращении внутри обмотки постоянного магнита.
В этом случае ЭДС (чисто теоретически) будет определяться как производная от синуса. Или — от косинуса. ..А потом от синуса снова. И это только в том случае, если рабочая обмотка нагружена хотя бы током холостого хода. Потому как кроме буковок «sinf» там впереди еще должно стоять А.
Но, это только в данном (учебном) варианте. В условии задачи данный вариант никак не засвечен.
Типичным понятным примером генератора можно назвать велосипедную «динамку». Прислоняется к колесу. Их и сейчас можно купить свободно. Если нагрузкой является лампочка на 6,3В, то видно, что горит. Но не ярко. А без лампочки можно взять два проводка в руки и попросить товарища, чтобы крутнул колесико. Не сильно и не резко. Товарища надо выбрать проверенного. С понятием. И дать сначала ему попробовать проводки подержать. Иначе кто-то окажется в обиде.
.
Черт!
Не могу назвать свой ответ достаточно обоснованным.
Приму любые уточнения после экспериментальной проверки.
Знания доходят через практику! Все мои университеты такие.
Похожие вопросы
От чего зависит эдс генератора
Работа машины постоянного тока в режиме генератора .
Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, развивающим вращающий момент М 1 . При перемещении проводников обмотки якоря в магнитном поле полюсов в них индуктируется эдс, направление которой определяется правилом правой руки (изо). Если якорь вращается с частотой в минуту n , то в его обмотке индуктируется эдс Е = СnФ .
Если обмотку якоря через щетки замкнуть на какой-либо приемник энергии Rн (сопротивление нагрузки), то через этот приемник и обмотку якоря будет проходить ток I , направление которого в обмотке якоря совпадает с направлением эдс.
В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем полюсов создается электромагнитный момент Мэ , направление которого определяется правилом левой руки.
Таким образом, развиваемый машиной электромагнитный момент является тормозным, направленным встречно направлению вращения якоря машины, так что для вращения последнего первичный двигатель должен развивать вращающий момент М 1 достаточный для преодоления электромагнитного тормозного момента, следовательно, машина потребляет механическую энергию.
В случае равновесия моментов, т. е. М 1 = Мэ , якорь машины вращается с неизменной частотой.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря начнет изменяться. Если почему-либо момент первичного двигателя уменьшится, т. е. станет меньше электромагнитного момента генератора ( М 1 Мэ ), вращение якоря машины начнет замедляться. При этом будет уменьшаться как эдс, так и ток в обмотке якоря, что понизит тормозной электромагнитный момент генератора.
В случае увеличения момента первичного двигателя ( М 1 > Мэ ) частота вращения якоря, а также эдс и ток в его обмотке будут возрастать, что увеличит тормозной электромагнитный момент.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря, эдс и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.
Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя, т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.
Так же при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания постоянства частоты вращения якоря генератора.
Схема работы генератора постоянного тока
Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем пути сопротивление внешней нагрузки Rн , сопротивление обмотки якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и коллектором Rщ .
Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов( Ro6 + Rщ ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя+Rн) .
Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов: величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.
Так как IRn = U , где U — напряжение на зажимах генератора при нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия эдс для генератора: U = E — IRя .
Из уравнения равновесия эдс легко получить уравнение мощностей,
т. е. UI = EI — IRя или Р 2 = Рэ — IRя , где Р 2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии; Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора, преобразованная им в электрическую;
IRя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.
При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна нулю ( Рэ = 0 ), но для вращения якоря машины первичный двигатель должен затратить некоторую мощность Р 0 , расходуемую на покрытие потерь холостого хода.
Мощность Р 0 складывается из механических потерь на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Р Mex и из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст .
В генераторах с самовозбуждением мощность Р 0 включает также мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P 1 = Pэ + P 0 .
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/ , где = 2n/60 рад/с — угловая скорость якоря.
Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60a)nФ , то электромагнитный момент машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2 a)IФ .
Величины а , р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2 a = К представляет собой некоторый постоянный для данной машины коэффициент, и электромагнитный момент равен: М Э = КIФ , т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на магнитный поток полюсов.
Способы возбуждения генераторов постоянного тока
Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока в генераторах с магнитным возбуждением используют постоянные магниты, а в генераторах с электромагнитным возбуждением — электромагниты.
Постоянные магниты применяют лишь в машинах очень малых мощностей.
Таким образом, электромагнитное возбуждение является наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока.
При этом способе возбуждения магнитный поток создается током, проходящим по обмотке возбуждения.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть с независимым возбуждением и с самовозбуждением.
При независимом возбуждении (изо, а ) обмотка возбуждения включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp . При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре I .
Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Поэтому генераторы независимого возбуждения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения обмотки возбуждения могут быть параллельного (изо, б ), последовательного (изо, в ) и смешанного (изо, г ) возбуждения.
Схемы возбуждения генераторов постоянного тока:
а — независимого, б — параллельного, в — последовательного, г — смешанного
У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет большое число витков.
При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.
При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещаются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная.
Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф 0 . Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется эдс Е 0 , составляющая несколько процентов номинального напряжения машины.
Под действием эдс Е 0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, проходит ток Iв .
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения I B ( — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф , что вызывает повышение как эдс в обмотке якоря Е , так и тока в обмотке возбуждения Iв . Увеличение последнего приводит к дальнейшему возрастанию Ф , что, в свою очередь, увеличивает Е и Iв .
Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от частоты вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения.
При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается.
Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается эдс и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Напряжение так же, как и эдс, прямо пропорционально частоте, вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Характеристики генераторов постоянного тока
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е , напряжение на его зажимах U , ток в якоре I , ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n .
Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничнвании стали, б — при изменении частоты вращения якоря
Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.
Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между эдс в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как эдс, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ , то при постоянной частоте вращения эдс окажется прямо пропорциональной магнитному потоку.
Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.
При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф 0 , который индуктирует в обмотке якоря эдс Е (изо, а ).
Эта эдс составляет несколько процентов ( 2 — 5% ) номинального напряжения машины.
С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и эдс, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв возрастает и эдс (кривая 1 ).
Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения Iв , то эдс также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2 ) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.
Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3 ).
На изо, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различной частоте вращения якоря генератора.
Вращению якоря машины с номинальной частотой n н , указанной в паспорте генератора, соответствует кривая 1 . Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А ) находится на перегибе магнитной характеристики.
Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение эдс.
Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения эдс требуются очень большие изменения тока возбуждения.
При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так как эдс пропорциональна частоте. При n’ > n н характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2 ), а при n’ < n н — ниже (кривая 3 ), чем при номинальной частоте вращения.
Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В ), либо на пологом (точка С ) участке магнитной характеристики, что вызывает изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения ( I = Iв ). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет примерно равным эдс и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.
Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения R B постоянно) и снимается при неизменной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при постоянном R B неизменен также и ток возбуждения Iв . Внешние характеристики такого генератора показаны на изо, а .
| Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения |
Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику на понижение напряжения, соответствующую току обмотки возбуждения, при котором напряжение генератора равно номинальному при холостом ходе.
С возрастанием нагрузки (тока I в якоре генератора) увеличивается как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает понижение напряжения.
При изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение на зажимах генератора уменьшается на величину Uпн .
Характеристике на повышение напряжения (кривая 2 ) соответствует такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после чего нагрузка генератора уменьшается.
С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также снижается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает повышение напряжения.
При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на зажимах генератора увеличивается на величину Uп в .
За счет насыщения стали повышение напряжения меньше, чем понижение, так как размагничивающее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.
В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения R B ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора, которое при изменении нагрузки меняется.
| Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения |
В генераторах независимого возбуждения увеличение нагрузки вызывает понижение напряжения под воздействием падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 1 на изо, б ).
В генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также уменьшается ток возбуждения, что вызывает уменьшение магнитного потока и понижение напряжения.
Следовательно, при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшается в большей мере (кривая 2 ), чем в генераторах независимого возбуждения.
Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения I макс , не превышающего номинальный ток более чем
в 2 — 2,5 раза.
При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального.
Понижение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то эдс понижается в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.
При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного потока.
Поэтому в обмотке якоря будет эдс только от остаточного магнитного потока Е 0 , имеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания Iк будет также мал.
Внешняя характеристика на повышение напряжения у генератора параллельного возбуждения (кривая 3 ) имеет такой же вид, как у генератора независимого возбуждения.
| Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения |
Для генератора последовательного возбуждения внешняя характеристика показана на изо, в . В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря ( Iв = I ), и при холостом ходе ( I = 0 ) в обмотке якоря будет создана эдс Е 0 за счет остаточного магнетизма.
С увеличением нагрузки также возрастет ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение эдс (кривая 1 ).
Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше эдс вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 2 ).
Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не нашли применения.
В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая магнитодвижущая сила, создающая магнитный поток, равна сумме магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток, а при встречном включении — разности этих магнитодвижущих сил.
| Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения |
На изо, г показаны внешние характеристики генератора смешанного возбуждения.
С увеличением нагрузки такого генератора уменьшается напряжение на его зажимах в результате падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря.
Однако с увеличением нагрузки возрастает также ток в последовательной обмотке возбуждения.
Поэтому при согласном включении обмоток увеличение нагрузки вызывает увеличение магнитного потока и эдс обмотки якоря.
Если эдс с повышением нагрузки возрастает на величину, равную понижению напряжения генератора, так как падает напряжение в его сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (кривая 1 ).
Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует регулировки тока возбуждения при изменениях нагрузки.
При уменьшении числа витков последовательной обмотки эдс с возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени и не будет компенсировать понижения напряжения, так что напряжение на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2 ), т. е. генератор недовозбужден.
Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше, чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то генератор окажется перевозбужденным, и напряжение на его зажимах будет возрастать с увеличением нагрузки (кривая 3 ).
При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика подобна внешней характеристике генератора параллельного возбуждения (кривая 4 ), однако токи максимальный I макс и короткого замыкания Iк у генератора смешанного возбуждения будут меньше соответствующих токов генератора параллельного возбуждения в результате размагничивающего действия магнитодвижущих сил последовательной обмотки.
Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужденные, а также перевозбужденные, позволяющие компенсировать падение напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным при изменении тока.
Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не обеспечивают постоянства напряжения и поэтому широкого применения не нашли. Их используют лишь в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).
Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при постоянном напряжении на зажимах генератора.
Регулировочная характеристика генератора показывает, в какой мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.
В генераторах независимого и параллельного возбуждения с увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины и размагничивающее действие потока реакции якоря.
В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбужденных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает изменений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен при изменениях тока нагрузки.