Генераторы независимого возбуждения

Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими ос-

новными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения /_в, 3) ток якоря 1_а или ток нагрузки /, 4) скорость вращения п.

Обычно генераторы работают при п = const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при п = я_и = const.

Существует пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.

Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.

Рассмотрим основные характеристики генератора независимого возбуждения.

Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = / (Q при / = 0 и п = const определяет зависимость напряжения U или э. д. с. якоря Е_а от тока возбуждения при холостом ходе (/ = О, Р₂ = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рис. 9-1, а при отключенном рубильнике.

Снятие характеристики целесообразно начать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения (U = =- (1, 15 -ь 1, 25) U_H, точка а кривой на рис. 9-3). При уменьшении г_в напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При £ _в = 0 генератор развивает некоторое напряжение U_oo = Об (рис. 9-3), обычно равное 2—3% от U_u, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить i_B в обратном направлении, начиная с i_B = 0, то при некотором 1_В < 0 напряжение упадет до нуля (точка в, рис. 9-3), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток i_B и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток i_B уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная с i_B — 0. При этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. X. х. х. имеет вид неширокой гистерезиснои петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток i_B необходимо менять только в направлении, указанном на рис. 9-3 стрелками, так как в противном

Рис. 9-3. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения

случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю, а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рис. 9-3 представляет собой расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора, и по ней можно определить коэффициент насыщения машины к, _ь (см. § 2-5 и рис. 2-11).

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет основу для исследования эксплуатационных свойств машины (см. ниже в данном параграфе).

Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) / = / (/„) при (7 = 0 и п = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U —0, то, согласно выражению (9-14), Е_а = I_aRa, и поскольку R_a мало, то в условиях опыта э. д. с. Е_а также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начинать снятие х. к. з. с минимальных значений i_B, чтобы ток якоря не получил недопустимо большого значения. Обычно снимают х. к. з. до / = (1, 25 -*- 1, 5) /_н. Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена, то зависимость / = / (Q практически прямолинейна (рис. 9-4). При i_B = 0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток / Ф 0 и в крупных машинах близок к номинальному току или даже больше его. Поэтому перед снятием х. к. з. такую машину целесообразно размагнитить, питая на холостом ходу обмотку возбуждения таким током возбуждения обратного направления, при котором будет U = 0. В размагниченной машине х. к. з. начинается с нуля (штриховая линия на рис. 9-4). Если х. к. з. снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рис. 9-4), то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат (штриховая линия на рис. 9-4).

Характеристический (реактивный) треугольник определяет величину реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря. Он строится для нахождения величины реакции якоря по экспериментальным данным и используется также для построения некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально. Характеристический треугольник можно построить по экспериментальным данным с помощью х. х. х. и любой другой

Рис. 9-4. Характеристика короткого замыкания генератора независимого возбуждения

основной характеристики машины, а также по расчетным данным. Рассмотрим здесь его построение с помощью х.х.х. и х.к.з., для чего обратимся к рис. 9-5,, где изображены х. к. з. / = / (i_B) (прямая 1) и начальная, прямолинейная, часть х. хл. U = f (Q (прямая 2), проходящие через начало координат.

Построим характеристический треугольник для номинального тока машины 1_а = / = /_в, которому на х. к. з. соответствует точка а и на оси абсцисс точка б (рис. 9-5, а). Построим на прямой аб отрезок бв, равный в масштабе прямой 2 падению напряжения в цепи якоря I_HR_a, и соединим точку в горизонтальной прямой с точкой г на х. х. х. Тогда треугольник бег и будет характеристическим треугольником. Горизонтальный катет вг этого треугольника представляет собой н. с. реакции якоря в масштабе тока возбуждения, что можно доказать следующим образом.

Отрезок Об на рис. 9-5, а равен току г_в, необходимому для получения при коротком замыкании тока / = /_н. В якоре при этом должна индуктироваться э. д.с. Е_а = I_nR_at равная отрезку гд, для чего при холостом ходе требуется ток возбуждения Од = i_ae. Таким образом, разность Об — Од = дб = i_Ba между действительным током г_в = Об при коротком замыкании и током i_Be = Од при. холостом ходе может быть обусловлена только влиянием тока в якоре и должна поэтому выражать собой величину н. с. реакции якбря в масштабе тока возбуждения i_m.

Рис. 9-5, а соответствует случаю размагничивающей реакции якоря (i_Ba > 0), а рис. 9-5, б — случаю намагничивающей реакции якоря (i_sa < 0). В последнем случае х.к.з., естественно, Должна подниматься круче. Для других значений токов якоря U ф /_н) катеты треугольника бег изменяются практически пропорционально току якоря, так как нелинейность сопротивления щеточного контакта оказывает малое влияние.

Поскольку в условиях снятия х. к. з. магнитная цепь машины не насыщена, то построенный таким образом характеристический треугольник учитывает только продольную реакцию якоря, вызванную случайным или сознательным сдвигом щеток с геометрической нейтрали и отклонением коммутации от прямолинейной. При

Рис. 9-5. Построение характеристического треугольника в случае размагничивающей (а) и намагничивающей (б) реакции якоря

установке щеток на геометрической нейтрали катет треугольника! _вл = дб равен н. с. коммутационной реакции якоря (в масштабе г_в) и характеризует качество коммутации (на рис. 9-5, а — замедленная коммутация и на рис. 9-5, 6 — ускоренная). Когда щетки стоят на нейтрали и коммутация прямолинейна, i_ba — дб — О и треугольник бег вырождается в вертикальную прямую.

Для построения характеристического треугольника с учетом влияния поперечной реакции якоря, можно воспользоваться характеристикой холостого хода и внешней, регулировочной или нагрузочной характеристикой. Обычно пользуются нагрузочной.

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U = f(I) при i_B~ const и п = const (рис. 9-6) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.

При увеличении / напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря Щ_а и уменьшения э. д. с. Е_а ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря (при щетках на геометрической нейтрали). При дальнейшем увеличении / напряжение начинает падать быстрее, так как под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины.

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (г_в = i_{B н}), когда при / = /_н также U = 0_ш (номинальный режим). При переходе к холостому ходу (/ = 0) в этом случае напряжение возрастает на вполне определенную величину Д£ /_н (рис. 9-6), которая называется номинальным изменением, напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения

Внешнюю характеристику (в левом квадранте рис. 9-7) можно построить также с помощью характеристики холостого хода (в правом квадранте рис. 9-7) и характеристического треугольника. Для этого проведем на рис. 9-7 вертикальную прямую йб, соответствующую заданному току i_B = const. Тогда аб = Ов представляет собой U при / = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.

Рис. 9-6. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

Разместим затем на рис. 9-7 характеристический треугольник где, построенный в соответствующих масштабах для / = /_н, таким образом, чтобы его вершина г лежала на х. х. х., а катет де — на прямой аб. Тогда отрезок ае = жз будет равен U при / = /_н, что можно доказать следующим образом. Если U = ае, то Е_а = U + + I^Ra = ае -\- ед — ад — иг и для создания такой э. д. с. при холостом ходе требуется ток возбуждения i_se = Ои. При нагрузке ток возбуждения нужно увеличить на величину i_Ba = гд = иа для компенсации размагничивающей реакции якоря. Необходимый

Рис 9-7. Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

полный ток возбуждения при этом t_B = i_Be -f i_Ba = Ou + ua ~ Oa как раз соответствует заданному, что и следовало доказать.

Если принять, что катеты, а следовательно, и гипотенуза характеристического треугольника изменяются пропорционально /, то для получения других точек внешней характеристики достаточно провести на рис. 9-7 между х. х. х. и прямой аб наклонные отрезки прямых (гипотенузы новых характеристических треугольников), параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние точки этих отрезков (на прямой аб) будут определять значения U при токах

Перенеся эти точки по горизонтали в левый квадрант рис. 9-7 для соответствующих значений / и соединив их плавной кривой, получим искомую внешнюю характеристику U — f (/).

В действительности горизонтальный катет характеристического треугольника при уменьшении U растет не пропорционально /. Поэтому реальная внешняя характеристика отклоняется от

построенной несколько в сторону, как показано в левом квадранте рис. 9-7 штриховой линией.

Точка внешней характеристики с U = 0 определяет величину тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Так как Р_а мало, то этот ток в 5—15 раз превышает /_н. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникает круговой огонь, а также большие механические усилия и моменты вращения. Поэтому в условиях эксплуатации генераторы и двигатели средней и большой мощности защищаются быстродействующими автоматическими выключателями в цепи якоря, которые ограничивают длительность короткого замыкания и отключают машину от сети в течение 0, 01— 0, 05 сек после начала внезапного короткого замыкания. Однако эти выключатели не защищают машину при коротком замыкании внутри машины.

Если имеются опытные х. х. х. и внешняя характеристика и если известно R_a, то, производя построение на рис. 9-7 в обратной последовательности, можно получить характеристические треугольники с учетом реальных условий насыщения для любых значений U и Е_а.

Регулировочная характеристика i_B — f (I) при U = const и п = const показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рис. 9-8). С увеличением / ток i_B необходимо несколько увеличивать, чтобы компенсировать влияние падения напряжения I_aR_a и реакции якоря.

При переходе от холостого хода с (/ = (/„ к номинальной нагрузке / = /_н увеличение тока возбуждения составляет 15—25%. Построение регулировочной характеристики (нижний квадрант рис. 9-9) по х. х. х. (верхний квадрант рис. 9-9) и характеристическому треугольнику производится следующим образом. Для заданного U = Оа = вб = const величина i_B при / = 0 определяется точкой в. Характеристический треугольник где для номинального тока расположим так, чтобы его вершины г и е находились соответственно на х. х. х. и прямой абе. Тогда отрезок Ож = ае определяет значение /_в при / = /_н, что можно доказать аналогично тому, как это делалось в случае построения внешней характеристики. Для получения других точек характеристики достаточно провести между кривой х. х. х. и прямой абе на рис, 9-9 отрезки прямых, параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние концы (точки) этих отрезков будут соответствовать величинам i_B для значений /, определяемых отношениями длин этих отрезков к гипотенузе ге, как и в пре-

Рис. 9-8. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

дыдущем случае. Снеся эти точки вертикально вниз, в нижний квадрант рис. 9-9, на уровень соответствующих значений /, получим точки регулировочной характеристики. С учетом изменяющихся условий насыщения реальная опытная регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный в нижнем квадранте рис. 9-9 штриховой линией.

Обратным построением, если даны х. х. х. и регулировочная характеристика, можно получить характеристический треугольник.

Нагрузочная характеристика U = = / (г_в) при / = const и п — const (кривая 2 на рис. 9-10) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рис. 9-10) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. X. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда 1 = 0. Обычно нагрузочную характеристику снимают при

1 = 1,.

Поясним, как с помощью характеристик 1 и 2 рис. 9-10 можно построить характеристический треугольник. Пусть Оа соответствует значению U, для которого желательно построить треугольник (например, U = U_a). Тогда проведем горизонтальную линию аб и от точки б на нагрузочной характеристике отложим вверх отрезок бе = IR_a, где / — ток, при котором снята нагрузочная характеристика. Проведя из точки в горизонтальный отрезок прямой до пересечения в точке г с х. х. х., получим горизонтальный катет гв искомого треугольника гвб. Доказательство справедливости такого построения можно развить по аналогии с доказательством построения внешней характеристики (см. рис. 9-7).

Если построенный таким или другим способом характеристический треугольник передвигать на рис. 9-10 параллельно самому

Рис. 9-9. Построение регулировочной характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

Рис. 9-10. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

себе так, чтобы его вершина г скользила по х. х. х., то его вершина б очертит нагрузочную характеристику (штриховая кривая на рис. 9-10). Эта характеристика несколько разойдется с опытной характеристикой 2, так как величина катета гв будет меняться вследствие изменения условий насыщения.

Точка д на рис 9-10 соответствует короткому замыканию генератора.

Все характеристики генераторов можно изобразить как в абсолютных величинах, так и в относительных единицах. В последнем

случае характеристики будут более наглядными. Характеристики однотипных машин, хотя бы и разной мощности, построенные в относительны х единицах, мало отличаютс я друг от друга.

Влияние сдвига щеток с геометрической нейтрали сказывается в том, что возникает продольная реакция якоря, изменяющая поток полюсов, и поток добавочных полюсов будет индуктировать э. д. с. не в коммутируемых секциях, а в рабочих секциях параллельных ветвей якоря. При повороте щеток против направления вращения якоря (рис. 9-11) это вызовет увеличение э. д. с. якоря, а при сдвиге по направлению вращения — уменьшение э. д. с. В первом случае внешняя характеристика (см. рис. 9-6) с увеличением / будет падать медленнее или даже может подниматься, во втором — будет падать более круто. При наличии добавочных полюсов в обоих случаях возникает расстройство коммутации.

Влияние сдвига щеток на другие характеристики нетрудно анализировать подобным же образом.

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: