Характеристики генератора постоянного тока

Основными величинами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются: вырабатываемая мощность Р, напряжение на выводахU, ток возбужденияI_в,ток якоряI_яили ток нагрузкиI, частота вращенияn.

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов, являются:

характеристика холостого хода — зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения:E =f(I_в) приI= 0 иn=n_ном=const;

внешняя характеристика — зависимость напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения:

U=f(I) приR_в=constиn=const;

регулировочная характеристика— зависимость тока возбужденияI_вот тока нагрузкиI:I_в =f(I) при условии поддержания постоянного напряжения на выводах генератора (U=const) иn=n_ном=const.

Свойства и характеристики генератора постоянного тока зависят главным образом от схемы включения обмотки главных полюсов. По этому признаку генераторы делятся на генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (рис. 3, а,б,в,гсоответственно). Последние три типа генераторов относятся к генераторам с самовозбуждением.

Рассмотрим процесс самовозбуждения при отключенной нагрузке генератора.

Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф_ост (примерно 2-3 % от номинального). При вращении якоря в поле остаточного магнитного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый токI_вв обмотке возбуждения, а следовательно, возникает некоторая магнитодвижущая сила возбуждения. По отношению к магнитному потокуФ_остона может быть направлена согласно или встречно. При согласном направлении происходит увеличение остаточного магнитного потока, вследствие чего ЭДС в якоре возрастает, и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи. Если магнитодвижущая сила и магнитный поток будут направлены встречно, то самовозбуждения не будет происходить. Тогда для изменения направления тока

I_ввобмотке возбуждения следует переключить концы, подсоединяющие ее к якорю.

Однако процесс самовозбуждения генератора может развиваться, что происходит при определенных условиях. Этими условиями являются:

1) наличие остаточного магнитного потока;

2) совпадение направления остаточного магнитного поля и поля, создаваемого обмоткой возбуждения;

3) значение сопротивления цепи возбуждения меньше критического, т.е. когда ток возбуждения способен достигнуть значения, обеспечивающего на характеристике холостого хода заданное значение ЭДС.

а) б)

в)г)

Рис. 3

Изучение характеристик одного и того же генератора при различных схемах включения его обмоток возбуждения показало, что у генераторов независимого возбуждения можно в широких пределах регулировать напряжение. Поэтому они нашли более широкое практическое применение.

Генераторами независимого возбуждения называют генераторы постоянного тока, обмотка возбуждения которых питается током от постороннего источника электрической энергии.

Далее более подробно рассмотрим основные характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Характеристика холостого хода (рис. 4) снимается при плавном увеличении тока возбуждения, а затем при плавном его уменьшении при n=n_ном=сonst. Вторая ветвь характеристики идет несколько выше первой, и при токе

I_в = 0 в машине есть некоторая ЭДСЕ₀, называемая остаточной.

Вид характеристики холостого хода объясняется тем, что приn=const,Е=с₁nФпропорциональна магнитному потокуФ, а последний — индукцииВ, а ток пропорционален напряженности магнитного поля Н, т.е. ее форма такая же, как у кривой гистерезиса. За расчетную принимают характеристику, проходящую между ветвями экспериментальной кривой (штриховая кривая на рис. 4). Остаточная ЭДСЕ₀ создается за счет индукции, остающейся в магнитной цепи статора после отключения тока возбуждения. Машина рассчитывается таким образом, чтобы в номинальном режиме рабочая точка (

I_в,ном,Е_ном) находилась на «колене» характеристики холостого хода (рис. 4), этим обеспечивается получение достаточной ЭДС при относительно небольшом токе возбуждения.

Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением

U=f(I) приI_в=constиn=n_ном%=const(рис. 5,а) характеризует влияние тока нагрузки генератора на напряжение на его выводах. НапряжениеU=E‑IR_япри увеличении нагрузки от нуля до номинальной плавно уменьшается на 5-15 % по двум причинам: из-за падения напряжения на сопротивлении якоря

IR_яи уменьшении ЭДСЕиз-за размагничивающего влияния реакции якоря. При перегрузке машины ток в якоре становится недопустимо большим и напряжение сильно падает. При коротком замыкании ток в якореI_япримерно в 10 раз больше номинального и, если генератор быстро не отключить, то его коллектор и обмотка выйдут из строя.

Регулировочная характеристика I_в=f(I) приU =constиn =n_ном=constизображена на рис. 5,б. Начинают снимать ее с холостого хода, когда

I = 0 и I_в=I_в,0.

Эта характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянным напряжение между выводами генератора. Для поддержания постоянства напряжения на выводах якоря в цепь возбуждения включен регулировочный реостат.

а)б)

Рис. 5

4.13. Характеристики генераторов постоянного тока

Для определения свойств генераторов обычно рассматривают следующие характеристики.

Нагрузочные характеристики – зависимости напряжения на выводах генератора от тока возбуждения при постоянном токе нагрузкии частоте вращения. Нагрузочная характеристика называется характеристика при нулевой нагрузке называется

характеристикой холостого хода;

Внешние характеристики – зависимости напряжения на выводах генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращенияи сопротивлении цепи возбуждения. Основное значение имеют две внешние характеристики: 1) номинальное напряжение при номинальном токе нагрузки

; 2) номинальное напряжениепри холостом ходе;

Регулировочные характеристики – зависимости при заданном характере изменения напряжения на зажимах U и . Обычно

. При – характеристика короткого замыкания.

Характеристики генератора с независимым возбуждением.

Характеристика холостого хода, рисунок 4.20, – при и .Снятие характеристики начинают со значения , при котором напряжение .После этого уменьшают ток возбуждения до , а затем изменяют его направление на обратное и снова увеличивают его до начального значения. Это дает нисходящую ветвь характеристики холостого хода. Чтобы получить восходящую ветвь характеристики, достаточно повернуть нисходящую ветвь на 180° вокруг начала координат. На практике пользуются кривой, проведенной посредине между восходящей и нисходящей ветвями и проходящей через начало координат (пунктирная линия на рисунке 4.20).

Рис. 4.20. Характеристика холостого хода (слева) и короткого замыкания (справа) генератора независимого возбуждения.

При холостом ходе и постоянной частоте вращения генератора:

, поэтому характеристика холостого хода соответствует в другом масштабе кривой намагничивания машины:

.

По характеристике холостого хода можно судить о свойствах магнитной цепи машины. По ней можно судить о величине потока остаточного магнетизма , который объясняется явлением гистерезиса и свидетельствует о свойствах стали полюсов и ярма.

Характеристика короткого замыкания, рисунок, – , при и . Зажимы якоря замыкают накоротко через амперметр и при токе возбуждения вращают якорь с номинальной частотой вращения. В якоре индуцируется небольшая ЭДС от потока остаточного намагничивания, а в короткозамкнутой цепи якоря появляется ток. Увеличивая ток возбуждения, можно довести значение токадо(или).

Обычно характеристика короткого замыкания прямолинейна, так как при коротком замыкании машина не насыщена, следовательно, .Пренебрегая переменным сопротивлением контакта щеток, можно считать, что , тогда .

При заданных значениях частоты вращения и тока возбуждениярежим короткого замыкания генератора определяется двумя факторами:

1) падением напряжения в цепи якоря ;

2) реакцией якоря.

Треугольник короткого замыкания, см. рисунок 4.21, учитывает в графической форме оба эти фактора.

Рис. 4.21. Треугольник короткого замыкания.

При коротком замыкании , поэтому , где– ЭДС, индуцируемая в генераторе при коротком замыкании и номинальном токе. Для создания ЭДСтребуется ток возбуждения, который определяется по характеристике холостого хода при.На рисунке катет треугольника, равный , учитываетпадение напряжения в машине.

Чтобы определить реакцию якоря, нужно воспользоваться характеристикой короткого замыкания, построенной в той же координатной системе. Для тока якоря определяют ток возбуждения . Если бы в машине не было реакции якоря, то ток возбуждения был равен . Следовательно представляет собой вторую сторону треугольника короткого замыкания, учитывающую реакцию якоря в масштабе тока возбуждения. Соединив точки на характеристиках которкого замыкания и холостого хода, получим треугольник короткого замыкания.

Рабочие характеристики генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика – при и . Для снятия внешней характеристики следует привести генератор во вращение с номинальной частотой вращения и установить такой ток возбуждения , чтобы прииметь номинальное напряжение на зажимах генератора , см. кривую1 на рисунке. Затем постепенно разгружают генератор до холостого хода. Напряжение на зажимах генератора растет и при достигает значения . Внешнюю характеристику также снимают, начиная с точки номинального напряженияв режиме холостого хода, см. кривую2 на рисунке 4.22.

Рис. 4.22. Внешняя (слева) и регулировочная (справа) характеристики генератора независимого возбуждения.

Регулировочная характеристика, рисунок, – прии. Показывает как следует изменять ток в цепи возбуждения, чтобы при изменении нагрузки генератора его напряжение оставалось постоянным при постоянной частоте вращения.

Нагрузочные характеристики, рисунок, – прии. Напряжение на зажимах генератора всегда меньше ЭДС вследствие падения напряжения в якоре и реакции якоря. Придействие этих двух факторов почти постоянно, поэтому нагрузочная характеристика расположена почти параллельно характеристике холостого хода. Нагрузочные можно построить по характеристике холостого и треугольнику короткого замыкания путем перемещения треугольника короткого замыкания по характеристике холостого хода. Это возможно благодаря постоянному току нагрузки.

Рис. 4.23. Нагрузочные характеристики генератора постоянного тока.

Характеристики генератора параллельного возбуждения. Генератор параллельного возбуждения работает с самовозбуждением. Для самовозбуждения необходимо, чтобы в генераторе оставался небольшой (2 – 5 % номинального) поток остаточного намагничивания , образованный при его предыдущем возбуждении. Если, замкнув цепь возбуждения, привести генератор во вращение с некоторой (номинальной) частотой вращения, то на его зажимах появится небольшое напряжение и в цепи возбуждения возникнет ток, который вновь образует добавочный поток намагничивания. Генератор может самовозбудиться только при согласном направлении обоих потокови. В этом случае результирующий поток возбуждения увеличивается. Это приводит к увеличению индуцируемой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение тока и потока возбуждения.

Процесс самовозбуждения (при холостом ходе ) происходит до определенного предела, определяемого сопротивлением цепи возбуждения.

Уравнение ЭДС цепи возбуждения:

или, где– переменное напряжение на зажимах генератора и цепи возбуждения;– сопротивление цепи возбуждения;– индуктивность цепи возбуждения.

При падение напряженияпредставляет собой прямую под угломк оси абсцисс:

.

Процесс самовозбуждения завершится, когда ЭДС генератора уравновесит падение напряжения на обмотке возбуждения и якоря:

. На рисунке 4.24 этому положению соответствует точкаА пересечения характеристик холостого хода 1 и прямая падения напряжения на сопротивлении обмотки возбуждения 2. Точке А соответствует некоторое напряжение на зажимах ненератора и ток возбуждения. При увеличении сопротивления в цепи возбуждения равенство ЭДС и падения напряжения будет возникать при меньшем токе возбуждения, чему соответствует точка А’ пересечения характеристики холостого хода 1 и прямой 2′. Существует некоторое критическое значение сопротивления цепи возбуждения, соответствующая касательной к начальному участку характеристики холостого хода (пунктирная прямая), при котором самовозбуждение не возникает, т.к. точка пересечения характеристик близка к началу кооринат. Критичекое сопротивление:

.

Рис. 4.24. Графическое обоснование самовозбуждения генератора: 1 – характеристика холостого хода; 2 и 2′ – прямые падения напряжения в цепи возбуждения.

При изменении частоты вращения генератора характеристика холостого хода изменяется пропорционально, см. рисунок справа. Точка пересечения характеристик, соответствющая установившемуся режиму после завершения самовозбуждения при этом также изменяется. Например, при уменьшении частоты вращения точка пересечения характеристик В переходит в B‘.

Характеристика холостого хода – при и . Характеристика холостого хода, снятая при самовозбуждении, практически совпадает с соответствующей характеристикой при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика, рисунок 4.25, – при и .

Рис. 4.25. Внешние характеристики генератора независимого и параллельного возбуждения.

При работе с самовозбуждением падение напряжения с увеличением нагрузки происходит быстрее, поскольку при увеличении нагрузки генератора параллельного возбуждения, кроме реакции якоря и падения напряжения в якоре, еще имеет место уменьшение тока возбуждения , которое влечет за собой уменьшение потока и соответствующее уменьшение ЭДС и напряжения на зажимах генератора.

Генератор последовательного возбуждения. Поскольку в генераторе последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем, то . Поэтому характеристику холостого хода генератора и его нагрузочные характеристики можно снять только по схеме с независимым возбуждением. При независимом возбуждении снимается также характеристика короткого замыкания. По ней можно построить треугольник короткого. Имея характеристику холостого хода и треугольник короткого замыкания, можно построить внешнюю характеристику (при ).

Генератор смешанного возбуждения. Генератор смешанного возбуждения имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения и совмещает в себе свойства генераторов обоих типов. Обычно обе обмотки включаются согласно: параллельная обмотка создает номинальное напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения при его холостом ходе, а последовательная компенсирует МДС реакции якоря и падение напряжения в якоре при определенной нагрузке. Этим достигается автоматическое регулирование напряжения генератора в определенных пределах нагрузки.

Рис. 4.26. Внешние (слева) и регулировочные (справа) характеристики генератора смешанного возбуждения.

При холостом ходе ток нагрузки, а следовательно, и ток последовательной обмотки равны нулю. Поэтому характеристика холостого хода генератора смешанного возбуждения не отличается от соответствующей характеристики генератора параллельного возбуждения.

Нагрузочные характеристики, рисунок 4.26, генератора смешанного возбуждения имеют тот же вид, что и соответствующие характеристики генератора параллельного возбуждения или генератора независимого возбуждения, но они могут расположиться выше характеристики холостого хода, поскольку в генераторе смешанного возбуждения напряжение U при нагрузке может быть больше (при перекомпенсации), чем при холостом ходе.

Внешнаяя характеристика, рисунок 4.26, представляет собой зависимость напряжения от тока нагрузки при . В нормально компенсированном генераторе последовательная обмотка компенсирует реакцию якоря и падение напряжения в якоре при номинальном токе . Если последовательная обмотка компенсирует реакцию якоря, обеспечивая постоянство напряжения у потребителя, генератор называетсяперекомпенсированным. Генераторы смешанного возбуждения применяют в случаях для поддержания постояного напряжения U при резко переменной нагрузке.

Характеристики генераторов

Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными являются характеристика холостого хода; нагрузочная, внешняя и регулировочная характеристики.

Все указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря. Они могут быть получены как экспериментальным, так и расчетным путем.

Характеристики генераторов независимого возбуждения

На рис. 1,а представлена схема для экспериментального исследования генератора независимого возбуждения. Для возможности изменения в широких пределах тока I_вобмотка возбуждения к независимому источнику подключается через переменный резистор R_в. Ток в цепи якоря I_а регулируется переменным резистором R_нг.

Пределы измерения амперметра и вольтметра в цепи якоря следует выбирать, исходя из номинальных значений тока I_ном и напряжения U_ном, которые указываются на табличке машины, прикрепленной к ее станине. Амперметр в цепи обмотки возбуждения выбирается на ток, равный 1-5 % I_ном.

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС на выводах генератора Е от тока возбуждения I_в при разомкнутой цепи якоря (рубильник QS отключен, ток I_а=0). В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении, а затем в другом эта зависимость, построенная в четырех квадрантах, имеет вид петли, показанной на рис. 3. Несовпадение кривых, полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения, объясняется наличием гистерезиса в стали, из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рис. 3 показана штриховой линией). При I_в=0 в обмотке якоря наводится ЭДС E_ост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Значение E_ост примерно равно 1-3% номинального напряжения машины.

Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли, которую получают, уменьшая токI_в от максимального значения до нуля (рис.4).

 Продолжая полученную кривую 1 до пересечения с осью абсцисс в точке А, а затем передвигая ее параллельно самой себе вправо на расстояние ОА, получаем расчетную характеристику холостого хода 2. При снятии характеристики холостого хода следует обращать внимание на то, чтобы ток возбуждения изменялся в одном направлении (или только увеличивался, или только уменьшался), так как в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того, эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.

Нагрузочная характеристика. Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения на выводах машины U от тока возбуждения I_в при условии, что ток в цепи-якоря I_а поддерживается неизменным. Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том, что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость этой реакции от насыщения магнитной цепи машины и тока якоря.

Можно снять ряд нагрузочных характеристик для различных значений токаI_а. Если снимается одна нагрузочная характеристика, то чаще всего принимают, что I_а = I_ном. Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения, начиная от максимального его значения.

Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику удобно построить на одном графике с нисходящей характеристикой холостого хода (рис. 5). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I_а = 0 (кривая 1 на рис. 5).

Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей магнитный поток и ЭДС машины (кривая 2 на рис. 5).

Составляющую реакции якоря, оказывающую воздействие на магнитный поток и ЭДС машины, можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря I_aR_a, получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке, от тока возбуждения (штриховая кривая на рис. 5; ток I_а равен току, при котором снималась нагрузочная характеристика). Эта зависимость обычно располагается ниже характеристики холостого хода.

Для получения одной и той же ЭДС Е’ при холостом ходе требуется ток возбуждения I_в1, а при нагрузке — ток I_в2. Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего «действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению магнитного потока и ЭДС, наводимой в обмотке якоря.

В общем случае разность I_в2 — I_в1  пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря F_в,qd и продольной МДС якоря F_d.Если щетки стоят на геометрической нейтрали, то можно считать

I_в2 — I_в1 ≈ F_в,qd /ω_в= I_в,qd.,

где ω_в — число витков катушки обмотки возбуждения.

Соединяя между собой точки а, b и с, получаем треугольник, носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен I_в,qd, а вертикальный ab равен I_aR_a. Характеристический треугольник используется для построения других характеристик машины. При этом приближенно принимается, что оба его катета изменяются пропорционально току I_a.. Более точную зависимость I_в,qd от тока I_a можно получить, если снять серию нагрузочных характеристик при различных токах I_a, а затем для каждой из них при I_в = const определить I_в,qd.

Если построить характеристические треугольники при различных токах I_в, то можно выявить влияние насыщения магнитной цепи на значение / I_в,qd. При уменьшении насыщения (уменьшении тока I_a) размагничивающее действие поперечной реакции якоря (катет bc) уменьшается.

Внешняя характеристика. Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает, как изменяется напряжение на выводах машины U при возрастании тока Нагрузки I=I_а, если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешняя характеристика U=f(I) снимается при I_в ==const.

Исходной точкой для снятия внешней характеристики является точка, когда при номинальном токе нагрузки I=I_ном на выходах генератора установлено номинальное напряжение U_ном (рис. 6). Напряжение меняют, регулируя ток возбуждения I_в, а ток I меняют, регулируя сопротивление резистора R_нг (рис. 1,а).

Ток возбуждения, соответствующий U=U_ном при I=I_ном, называется номинальным током возбуждения I_в,ном. В процессе снятия внешней характеристики этот ток поддерживается постоянным. Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшается до нуля. Напряжение генератора при этом увеличивается, так как при уменьшении тока I_а уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При холостом ходе U=U₀ (рис. 6).

По внешней характеристике определяют изменение напряжения ΔU Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:

ΔU %=( (U₀.- U_ном )/U_ном)*100,

Изменение напряжения ΔU для генераторов независимого возбуждения составляет 10-15 %• На рис. 7. Показана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения при изменении нагрузки от режима холостого хода до режима короткого замыкания. Ток короткого замыкания I_k у таких генераторов составляет 5-10I_ном.

Регулировочная характеристика. Как следует из рассмотрения внешних характеристик генератора независимого возбуждения, при I_в=const напряжение на выводах  генератора с изменением нагрузки не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным, необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения с целью сохранения постоянства напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика, представляющая собой зависимость I_в = f(I) при U=U_ном=const. Регулировочная характеристика показана на рис. 8. Начинают снимать ее в режиме холостого хода, когда I = 0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения I_в необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря.

Генератор постоянного тока независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения по­казана на рис. 28.2, а. Реостат r_рг, включенный в цепь возбужде­ния, дает возможность регулировать ток I_в в обмотке возбуждения, а следовательно, и основной магнитный поток машины. Обмотка возбуждения питается от источника энергии постоянного тока: аккумулятора, выпрямителя или же другого генератора постоян­ного тока, называемого в этом случае возбудителем.

Рис. 28.2 Принципиальная схема (а) и характеристики х.х. (б) генера­тора независимого возбуждения

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения

При снятии характеристики  U₀= F(I_В) генератор работает в режиме х.х. (I_a = 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной, постепенно увеличивают ток в обмотке возбуждения I_в от нулевого значения до +I_в = Oa, при котором напряжение х.х. U₀ = 1.15U_ном . Получают данные для построения кривой 1 (рис. 28.2, б). Начальная ордината кривой 1 не равна нулю, что объясняется действием небольшого магнитного потока остаточного магнетизма, сохранившегося от предыдущего намагничивания машины. Уменьшив ток возбуждения до нуля, и изменив его направление, постепенно увеличивают ток в цепи возбуждения до -I_в = Oб. По­лученная таким образом кривая 2 называется нисходящей ветвью характеристики. В первом квадранте кривая 2 располагается вы­ше кривой 1. Объясняется это тем, что в процессе снятия кривой 1 произошло увеличение магнитного потока остаточного намагни­чивания. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. уменьшают ток возбуждения от -I_в = Oб до I_в = 0, а затем увеличи­вают его до значения +I_в = Oa. В результате получают кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви характеристики х.х. образуют петлю намагни­чивания. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, полу­чим расчетную характеристику х.х.

Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует нена­сыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличе­нии тока сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер. Зависимость U₀= F(I_В)  дает возможность судить о магнитных свойствах машины.

Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

Эта характери­стика выражает зависимость напряжения U на выходе генератора от тока возбуждения I_в при неизменных токе нагрузки, например номинальном, и частоте вращения. При указанных условиях на­пряжение на выводах генератора меньше ЭДС , поэто­му нагрузочная характеристика 1 располагается ниже характери­стики холостого хода 2 (рис. 28.3). Если из точки а, соответствующей номинальному напряжению U_ном, отложить вверх отрезок аb, равный I_aΣr, и провести горизонтально отре­зок bс до пересечения с характеристикой х.х., а затем соединить точки а и с, то получим аbс — треугольник реактивный (характе­ристический).

Так, при работе генератора в режиме х.х. при токе возбужде­ния  I_В1 = I_В.ном напряжение на выводах U₀ = de ; с подключением нагрузки (при неизменном токе возбуждения) напряжение генера­тора снизится до значения U_ном = ae . Таким образом, отрезок dа выражает значение напряжения ΔU = U₀ — U_ном  при I_В1 = I_В.ном. На­пряжение на выводах генератора в этом случае уменьшилось в результате действия двух причин: падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего влияния реакции якоря . Измерив значение сопротивления цепи якоря и подсчитав падение напряжения I_aΣr, можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки: Ea = U + I_aΣr. На рис. 28.3 эта ЭДС представлена отрезком bе. Электродвижущая сила генератора при нагрузке меньше, чем в режиме х.х. (bе < dе), что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. Для количественной оценки этого влияния из точки с опускаем перпендикуляр на ось абсцисс. Полученный отрезок cf представляет собой ЭДС генератора при нагрузке; в режиме х.х. для создания этой ЭДС необходим ток возбуждения I_В2 < I_В1. Следовательно, отрезок fе, равный разности токов возбуждения I_В1 — I_В2, представляет собой ток возбуждения, компенсирующий размагничивающее влияние реакции якоря.

Рис. 28.3. Нагрузочная характери­стика генератора независимого возбуждения

Катеты реактивного треугольника количественно определяют причины, вызывающие уменьшение напряжения генератора при его нагрузке: падение на­пряжения в цепи якоря определяет катет

ab = I_aΣr                                                             (28.7)

ток возбуждения I_В1 — I_В2, ком­пенсирующий размагничиваю­щее действие реакции якоря, оп­ределяет катет

,                                    (28.8)

где  F_qd и F_ad — величины, опре­деляющие размагничивающее действие реакции якоря по попе­речной и продольной осям ; —число витков в по­люсной катушке обмотки возбуждения.

Реактивный треугольник а’b‘с’ построен для другого значения тока возбуждения I_В3. Сторона а’b‘ треугольника осталась неиз­менной (а’b‘ = ab), что объясняется неизменностью тока нагруз­ки, но сторона b‘с’ уменьшилась (b‘с’ < bс), так как при меньшем токе возбуждения уменьшилась степень насыщения магнит­ной цепи генератора, а следовательно, и размагничивающее дей­ствие реакции якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

Эта характеристика представляет собой зависимость напряжения U на выводах генера­тора от тока нагрузки I. При снятии данных для построения внеш­ней характеристики генератор приводят во вращение с номиналь­ной скоростью и нагружают его до номинального тока при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку вплоть до х.х. (I= 0), снимают показания приборов. Сопротивле­ние цепи возбуждения r_B и частоту вращения в течение опыта под­держивают неизменными.

На рис. 28.4, а представлена внешняя характеристика генера­тора независимого возбуждения, из которой видно, что при увеличении тока нагрузки I напряжение на выводах генератора понижа­ется; это объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки:

.                         (28.9)

Обычно для генератора независимого возбуждения ΔU_ном  = 5 – 10% .

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения

Характери­стика  I_В= F(I) показывает, как следует менять ток в цепи возбуж­дения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным, равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной (n – const).

При работе генератора без нагрузки в цепи возбуждения уста­навливают ток I_во, при котором напряжение на выводах генератора становится равным номинальному. Затем постепенно увеличивают нагрузку генератора, одновременно повышают ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне нагрузок оставалось равным номинальному. Так получают восхо­дящую ветвь характеристики (кривая 1 на рис. 28.4, б). Постепен­но уменьшая нагрузку генератора до х.х. и регулируя соответст­вующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики (кривая 2 на рис. 28.4, б). Нисходящая ветвь регу­лировочной характеристики расположена ниже восходящей, что объясняется влиянием возросшего остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую 3, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характери­стикой генератора.

Основной недостаток генераторов независимого возбужде­ния — это необходимость в постороннем источнике энергии по­стоянного тока — возбудителе. Однако возможность регулирова­ния напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика этого генератора являются его достоинствами.

Рис. 28.4. Внешняя (а) и регулировочная (б) характери­стики генератора независимого возбуждения.

1.2.3. Характеристики генераторов переменного тока (три)

1. Внешняя характеристика, т. е. зависимость напряжения генера­тора от тока U_г(/_г) при n = const, может определяться при самовоз­буждении и независимом возбуждении. Аналитическое выражение зависимости напряжения от тока для фазных величин имеет сле­дующий вид:

U = 4,44fwФk_об —Z₀*I, где Z₀ — полное сопротивление генератора.(1.1)

Снижение напряжения при увеличении нагрузки (рис. 1.5) проис­ходит из-за падения напряжения в активном и индуктивном сопро­тивлениях обмоток статора, размагничивающего действия реакции якоря, уменьшающей манитный поток в воздушном зазоре, из-за падения напряжения в цепи выпрямителя, а в случае самовозбужде­ния прибавляется падение напряжения на обмотке возбуждения. Из семейства внешних характеристик определяется максимальный ток, который обеспечивается при заданном или регулируемом зна­чении напряжения.

Рис. 1.5.Внешняяхарктеристика генератора переменного тока: а – с самовозбуждением;

б – с независимым возбуждением. —U_г = f(/_г) приn = const.

Рис. 1.6. Характеристики генератора переменного тока:

а — скоростная регулировочная, I_в = f(n), /_г = const, U_г = const;

б – токоскоростная, I_г = f(n), U_г = const.

2 (a). Скоростная регулировочная характеристика I_в(n) (рис. 1.6, а) обычно определяется при нескольких значениях тока нагрузки. Ми­нимальное значение тока возбуждения определяется при токе на­грузки генератора, равном нулю, и максимальной частоте враще­ния. Скоростные регулировочные характеристики позволяют опре­делить диапазон изменения тока возбуждения с изменением на­грузки при постоянном напряжении.

3 (б). Токоскоростная характеристика I_г(n) (рис. 1.6, б) имеет важное значение при разработке и выборе генератора.

Все современные автомобильные генераторы обладают свойст­вом самоограничения максимального тока (рис. 1.5). Это связано с тем, что с увеличением частоты вращения ротора генератора, а следова­тельно, с увеличением частоты индуцированного в обмотке статора переменного тока увеличивается индуктивное сопротивление об­мотки статора генератора, пропорциональное квадрату числа вит­ков в фазе. Вследствие этого с увеличением частоты вращения ток генератора увеличивается медленнее, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению. При замыкании внешней цепи на сопротивление нагрузки индуцированная в обмотке статора электродвижущая сила вызывает ток.

1.2.4. Бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением

К бесконтактным генераторам с электромагнитным возбуждением относятся: 1) индукторные генераторы; 2) и генераторы с укороченными клювами. Упрощенная схема устройства индукторного генератора представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Индукторный генератор

Работает генератор следующим образом. Обмотка возбуждения 1, по которой протекает по­стоянный ток, создает в магнитной системе поток (показан пунктиром), ко­торый при вращении ро­тора изменяется по вели­чине без изменения зна­ка. Этот поток замыкает­ся, проходя через воз­душный зазор между втулкой 2 и валом 3, ро­тор 5, зубцы которого выполнены в виде звездочки, воздушный зазор между ротором и стато­ром, магнитопровод статора 6 и крышку 4.

Изменение магнитного потока в якоре при вращении ротора происходит за счет изменения магнитного сопротивления воздуш­ного зазора между зубцами статора и ротора. Магнитный поток Ф у индукторных генераторов пульсирующий (рис. 1.8). Магнитный по­ток в воздушном зазоре периодически изменяется от Ф_mах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, до Ф_min, когда оси зубцов ротора и статора смещены на угол 180 электрических градусов. Таким образом, магнитный поток имеет среднюю постоянную Ф_ср = 0,5(Ф_mах + Ф_min) и переменную составляющую с амплитудой Ф_пер = 0,5(Ф_mах — Ф_min).

Рис. 1.8. Изменение магнитного по­тока в индукторном генераторе

Если принять изменение переменной составляющей магнитного потока в зубце по синусоидальному закону

где — ω = 2πf угловая частота, то ЭДС холостого хода, наводимая в обмотке якоря, определится выражением

е₀ = ωw_кz_s 0,5(Ф_mах – Ф_min)соs ωt,

где w_к — число витков в катушке; z_s — число последовательно вклю­ченных катушек фазы якоря.

Действующее значение ЭДС холостого хода Е₀ = 2,22fw_кz_s 0,5(Ф_mах – Ф_min)соs ωt =4,44fw_кz_sФ_пер.

Зубец и впадина ротора (индуктора) генератора образуют пару полюсов, поэтому частота тока якоря в индукторе генератора f = Zn/60, где Z — число зубцов ротора.

Рис. 1.9. Генератор с укороченными полюсами –

(полюсы 2 кпювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части рото­ра)

В генераторах с укороченными полюсами бесконтактность дости­гается за счет неподвижного крепления обмотки возбуждения 4 (рис. 1.9) с помощью немагнитной обоймы 1. Полюсы 2 кпювообразной формы имеют длину меньше половины длины активной части рото­ра. В процессе вращения ротора магнитный поток возбуждения пе­ресекает витки обмотки статора 3, индуцируя в них ЭДС. Эти генера­торы просты по конструкции, технологичны. Роторы имеют малое рассеяние. К недостаткам можно отнести несколько большую, чем у контактных генераторов, массу при той же мощности. Также следует отметить трудность крепления обмотки возбуждения и обеспечения жесткости и механической прочности ее крепления.

Характеристики автомобильных генераторов

Способность генераторной установки обеспечивать потребителей электроэнергией на различных режимах работы двигателя определяется его токоскоростной характеристикой (ТСХ) — зависимостью наибольшей силы тока, отдаваемого генератором, от частоты вращения ротора при постоянной величине напряжения на силовых выводах. На рис. 5.4 представлена токоскоростная характеристика генератора.

Рисунок 5.11 Токоскоростная характеристика генераторных установок.

На графике имеются следующие характерные точки:

• n₀— начальная частота вращения ротора без нагрузки, при которой генератор начинает отдавать ток;

• I_хд— ток отдачи генератора при частоте вращения, соответствующей минимальным устойчивым оборотам холостого хода двигателя. На современных генератоpax ток, отдаваемый в этом режиме, составляет 40-50% от номинального;

• частота вращения n_pни сила тока I_dнв расчетном режиме. (Точка расчетного режима определяется в месте касания ТСХ касательной, проведенной из начала координат. Приблизительно расчетное значение силы тока может быть определено как 0,67 I_dmРасчетному режиму соответствуют максимальный механический момент генератора и в области этого режима наблюдается наибольший нагрев узлов, так как с ростом частоты вращения растет ток генератора и, следовательно, нагрев его узлов, но одновременно возрастает и интенсивность охлаждения генератора вентилятором, расположенным на его валу;

• I_dm— максимальный (номинальный) ток отдачи при частоте вращения ротора 5000 мин^-1(6000 мин^-1для современных генераторов).

В технической документации на генераторы часто указывается не вся ТСХ, а лишь ее отдельные характерные точки (см. рис. 5.4).

На новые модели отечественных двигателей устанавливаются генераторы компактной конструкции (94.3701 и др.). Безщеточные (индукторные) генераторы (955.3701 для ВАЗов, Г700А для УАЗов) отличаются от традиционной конструкции тем, что у них на роторе расположены постоянные магниты, а обмотки возбуждения — на статоре (смешанное возбуждение). Это позволило обойтись без щеточного узла (уязвимая часть генератора) и контактных колец. Однако эти генераторы имеют несколько большую массу и более высокий уровень шума.

Другой характеристикой, по которой можно представить энергетические способности генератора, является величина его коэффициента полезного действия (КПД), определяемого в режимах соответствующих точкам токоскоростной характеристики (рис. 5.5). Величина КПД по рис. 5.5 приведена для ориентировки, т.к. она зависит от конструкции генератора — толщины пластин, из которых набран статор, диаметра контактных колец, подшипников, сопротивления обмоток и т. п., но, главным образом, от мощности генератора. Чем генератор мощнее, тем его КПД выше.

Рисунок 5.12 Выходные характеристики автомобильных генераторов: 1 — токоскоростная характеристика, 2 — КПД по точкам токоскоростной характеристики.

Наконец, генераторную установку характеризует диапазон ее выходного напряжения, при изменении в определенных пределах частоты вращения, силы тока нагрузки и температуры. Обычно в проспектах фирм указывается напряжение между силовым выводом «+» и «массой» генераторной установки в контрольной точке или напряжение настройки регулятора при холодном состоянии генераторной установки частоте вращения 6000 мин-1, нагрузке силой тока 5 А и работе в комплекте с аккумуляторной батареей, а также термокомпенсация— изменение регулируемого напряжения в зависимости от температуры окружающей среды. Термокомпенсация указывается в виде коэффициента, характеризующего изменение напряжения при изменении температуры окружающей среды на ~1°С. Как было показано выше, с ростом температуры напряжение генераторной установки уменьшается.

Генераторы независимого возбуждения

Дата публикации: 29 января 2013.
Категория: Машины постоянного тока.

Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения i_в, 3) ток якоря I_а или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.

Обычно генераторы работают при n = const. Поэтому основные характеристики генераторов определяются при n = n_н = const.

Существуют 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

Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (i_в) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или электродвижущей силы (э. д. с.) якоря E_а от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, P₂ = 0). Характеристика снимается экспериментально по схеме рисунка 1, а при отключенном рубильнике.

Рисунок 1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в), смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки – направления токов в режиме генератора, штриховые – в режиме двигателя)

Рисунок 2. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения

Снятие характеристики целесообразно начинать с максимального значения тока возбуждения и максимального напряжения U = (1,15 – 1,25) U_н (точка а кривой на рисунке 2). При уменьшении i_в напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а затем быстрее. При i_в = 0 генератор развивает некоторое напряжение U₀₀ = Об (рисунок 2), обычно равное 2 – 3% от U_н, вследствие остаточной намагниченности полюсов и ярма индуктора. Если затем изменить полярность возбуждения и увеличить i_в в обратном направлении, начиная с i_в = 0, то при некотором i_в < 0 напряжение упадет до нуля (точка в, рисунок 2), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток i_в и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток i_в уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная с i_в = 0. При этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. Х. х. х. имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной цепи индуктора.

При снятии х. х. х. ток i_в необходимо менять только в направлении, указанном на рисунке 2 стрелками, так как в противном случае точки не будут ложиться на данную гистерезисную петлю, а будут рассеиваться.

Средняя штриховая х. х. х. на рисунке 2 представляет собой расчетную х. х. х., которая в определенном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора, и по ней можно определить коэффициент насыщения машины k_μ.

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.

Характеристика короткого замыкания

Рисунок 3. Характеристика короткого замыкания генератора независимого возбуждения

Характеристика короткого замыкания (х. к. з.) I = f (i_в) при U = 0 и n = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U = 0, то, согласно выражению

(уравнение напряжения U на зажимах генератора), E_а = I_а × R_а и поскольку R_а мало, то в условиях опыта э. д. с.  E_а также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начать снятие х. к. з. с минимальных значений i_в, чтобы ток якоря не получил недопустимо большого значения. Обычно снимают х. к. з. до I = (1,25 – 1,5) I_н. Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена, то зависимость I = f (i_в) практически прямолинейна (рисунок 3). При i_в = 0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток I не равен 0 и в крупных машинах близок к номинальному и 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 рисунке 3) Если х. к. з. снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рисунке 3), то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат (штриховая линия на рисунке 3).

Характеристический (реактивный) треугольник

Характеристический (реактивный) треугольник определяет реакцию якоря и падение напряжение в цепи якоря. Он строится для нахождения 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 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 рисунку 4, где изображены х. к. з. I = f (i_в) (прямая 1) и начальная, прямолинейная часть х. х. х. U = f (i_в) (прямая 2), проходящие через начало координат.

Построим характеристический треугольник для номинального тока машины I_а = I = I_н, которому на х. к. з. соответствует точка а и на оси абсцисс точка б (рисунок 4, а). Построим на прямой аб отрезок бв, равный в масштабе прямой 2 падению напряжения в цепи якоря I_н × R_а, и соединим точку в горизонтальной прямой с точкой г на х. х. х. Тогда треугольник бвг и будет характеристическим треугольником. Горизонтальный катет вг этого треугольника представляет собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения, что можно доказать следующим образом.

Рисунок 4. Построение характеристического треугольника в случае размагничивающей (а) и намагничивающей (б) реакции якоря

Отрезок 0б на рисунке 4, а равен току i_в, необходимому для получения при коротком замыкании тока I = I_н. В якоре при этом должна индуктироваться э. д. с. E_а = I_н × R_а, равная отрезку гд, для чего при холостом ходе требуется ток возбуждения 0д = i_ве. Таким образом, разность 0б – 0д = дб = i_ва между действительным током i_в = 0б при коротком замыкании и током i_ве = 0д при холостом ходе может быть обусловлена только влиянием тока в якоре и должна поэтому выражать собой намагничивающую силу реакции якоря в масштабе тока возбуждения i_в.

Рисунок 4, а соответствует случаю размагничивающей реакции якоря (i_ва больше 0), а рисунок 4, б – случаю намагничивающей реакции якоря (i_ва меньше 0). В последнем случае х. к. з., естественно, должна подниматься круче. Для других значений токов якоря (I ≠ I_н) катеты треугольника бвг 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 установке щеток на геометрической нейтрали катет треугольника i_ва = дб равен намагничивающей силе коммутационной реакции якоря (в масштабе i_в) и характеризует качество коммутации (на рисунке 4, а – замедленная коммутация и на рисунке 4, б – ускоренная). Когда щетки стоят на нейтрали и коммутация прямолинейна, i_ва = дб = 0 и треугольник бвг вырождается в вертикальную прямую.

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

Внешняя характеристика генератора

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения U = f (I) при i_в = const и n = const (рисунок 5) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.
При увеличении I напряжение U несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря I × R_а и уменьшения э. д. с. E_а ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря (при щетках на геометрической нейтрали). При дальнейшем увеличении I напряжение начнет падать быстрее, так как под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины.

Рисунок 5. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (i_в = i_вн), когда при I = I_н также U = U_н (номинальный режим). При переходе к холостому ходу (I = 0) в этом случае напряжение возрастает на вполне определенную величину ΔU_н (рисунок 5), которая называется номинальным изменением напряжения генератора. В генераторах независимого возбуждения

Внешнюю характеристику (в левом квадранте рисунка 6) можно построить также с помощью х. х. х. (в правом квадранте рисунка 6) и характеристического треугольника. Для этого проведем на рисунке 6 вертикальную прямую аб, соответствующую заданному току i_в = const. Тогда аб =0в представляет собой U при I = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.

Разместим затем на рисунке 6 характеристический треугольник где, построенный в соответствующих масштабах для I = I_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 I = I_н, что можно доказать следующим образом. Если U = ае, то E_а = U + I_н × R_а = ае + ед = ад = иг и для создания такой э. д. с. при холостом ходе требуется ток возбуждения i_ве = 0и. При нагрузке ток возбуждения нужно увеличить на величину i_ва = гд = иа для компенсации размагничивающей реакции якоря. Необходимый полный ток возбуждения при этом i_в = i_ве + i_ва = 0и + иа = 0а как раз соответствует заданному, что и требовалось доказать.

Если принять, что катеты, а следовательно, и гипотенуза характеристического треугольника изменяются пропорционально I, то для получения других точек внешней характеристики достаточно провести на рисунке 6 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 значение U при токах

и так далее.

Перенеся эти точки по горизонтали в левый квадрант рисунка 6 для соответствующих значений I и соединив их плавной кривой, получим искомую внешнюю характеристику U = f (I).

Рисунок 6. Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

В действительности горизонтальный катет характеристического треугольника при уменьшении U растет не пропорционально I. Поэтому реальная внешняя характеристика отклоняется от построенной несколько в сторону, как показано в левом квадранте рисунка 6 штриховой линией.

Точка внешней характеристики с U = 0 определяет значение тока короткого замыкания машины при полном возбуждении. Так как R_а мало, то этот ток в 5 – 15 раз превышает I_н. Такое короткое замыкание весьма опасно, так как возникают 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 с 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_а, то произведя построение на рисунке 6 в обратной последовательности, можно получить характеристические треугольники с учетом реальных условий насыщения для любых значений U и E_а.

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика i_в = f (I) при U = const и n = const показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рисунок 7). С увеличением I ток i_в необходимо несколько увеличивать, чтобы скомпенсировать влияние падения напряжения I_а × R_а и реакции якоря.

Рисунок 7. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

При переходе от холостого хода с U = U_н к номинальной нагрузке I = I_н увеличение тока возбуждения составляет 15 – 25%.

Построение регулировочной характеристики (нижний квадрант рисунка 8) по х. х. х. (верхний квадрант рисунка 8) и характеристическому треугольнику производится следующим образом. Для заданного U = 0а = вб = const значение i_в при I = 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 0ж = ае определяет значение i_в при I = I_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 рисунке 8 отрезки прямых, параллельные гипотенузе ге. Тогда нижние концы (точки) этих отрезков будут соответствовать значениям i_в для значений I, определяемых отношениями длин этих отрезков к гипотенузе ге, как и в предыдущем случае. Снеся эти точки вертикально вниз, в нижний квадрант рисунка 8, на уровень соответствующих значений I, получим точки регулировочной характеристики. С учетом изменяющихся условий насыщения реальная опытная регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный в нижнем квадранте рисунка 8 штриховой линией.

Рисунок 8. Построение регулировочной характеристики генератора независимого возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

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

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика U = f (i_в) при I = const и n = const (кривая 2 на рисунке 9) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рисунке 9) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. Х. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда I = 0. Обычно нагрузочную характеристику снимают при I = I_н.

Поясним, как с помощью характеристик 1 и 2 рисунка 9 можно построить характеристический треугольник. Пусть 0а соответствует значению U, для которого желательно построить треугольник (например, U = U_н). Тогда проведем горизонтальную линию аб и от точки б на нагрузочной характеристике отложим вверх отрезок бв = I × R_а, где I – 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 развивать по аналогии с доказательством построения внешней характеристики (смотрите рисунок 6).

Рисунок 9. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения

Если построенный таким или другим способом характеристический треугольник передвигать на рисунке 9 параллельно самому себе так, чтобы его вершина г скользила по х. х. х., то его вершина б очертит нагрузочную характеристику (штриховая кривая на рисунке 9). Эта характеристика несколько разойдется с опытной характеристикой 2, так как размер катета гв будет меняться вследствие изменений условий насыщения.

Точка д на рисунке 9 соответствует короткому замыканию генератора.

Все характеристики генераторов можно изобразить как в абсолютных величинах, так и в относительных единицах. В последнем случае характеристики однотипных машин, хотя бы и разной мощности, построенные в относительных единицах, мало отличаются друг от друга.

Рисунок 10. Сдвиг щеток с нейтрали при наличии добавочных полюсов

Влияние сдвига щеток

Cдвиг щеток с геометрической нейтрали сказывается в том, что возникает продольная реакция якоря, изменяющая поток полюсов. 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 (рисунок 10) это вызовет увеличение э. д. с. якоря, а при сдвиге по направлению вращения – уменьшение э. д. с. В первом случае внешняя характеристика (смотрите рисунок 5) с увеличением I 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.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.