Генераторы постоянного тока

Г Л А В А ДЕВЯТАЯ ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА 9.1. Общие сведения о генераторах постоянного тока Классификация ГПТ. Различают ГПТ независимого возбуждения и ГПТ с самовозбуждением. Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением (рис.9.1а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника питания и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. 1) 2) 3) В генераторах с самовозбуждением ОВ питается электрической энергией, выработанной в самом генераторе. Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения ОВ делятся на: Генераторы параллельного возбуждения (шунтовые, рис.9.1б) Генераторы последовательного возбуждения (сериесные, рис.9.1в) Генераторы смешанного возбуждения (компаундные, рис.9.1г). Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают намагничивающие силы одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток возбуждения называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная намагничивающей силы возбуждения (65-80)% создается параллельной обмоткой возбуждения. 9.2. Генераторы независимого возбуждения Свойства генераторов анализируется с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Существуют 5 основных характеристик ГПТ: 1)характеристика холостого хода 2) характеристика короткого замыкания 3) внешняя характеристика 4)регулировочная характеристика 5) Нагрузочная характеристика Все характеристики могут быть определены как экспериментально, так и расчетным путем. Характеристика холостого хода (х.х.х.) U=f(iв) при I = 0 и n = const определяет зависимость напряжения или ЭДС якоря от тока возбуждения при холостом ходе (рис.9.2). Х.х.х. позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментальным и составляет основу для исследования эксплуатационных свойств ЭМ. Характристика короткого замыкания (х.к.з.) I = f(iв) при U = 0 и n = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U = 0 , то, согласно E = Ir и поскольку сопротивление мало, то в условиях опыта ЭДС также должна быть мала. Х.к.з. приведена на рис.9.3. Т.к. при снятии х.к.з. ЭДС мала и поэтому поток мал и машина не насыщена, то характеристика прямолинейна. Внешняя характеристика генератора U = f(I) при iв=const и n=const (рис.9.4) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется. При увеличении тока напряжение несколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря и уменьшения ЭДС ввиду уменьшения потока под воздействием поперечной реакции якоря. При дальнейшим увеличением тока напряжение начинает падать быстрее, т.к. под воздействием реакции якоря поток уменьшается и рабочая точка смещается на более круто падающий участок кривой намагничивания машины. Регулировочная характеристика iв = f(I) при U = const и n = const показывает как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рис.9.5). С увеличением тока якоря ток возбуждения необходимо несколько увеличить, чтобы скомпенсировать влияние падения напряжения и реакции якоря. Нагрузочная характеристика U = f(iв) при I = const и n = const (кривая 2 на рис. 9.6) по виду схожа с х.х.х. (кривая 1 на рис.9.6) и проходит несколько ниже х.х.х. Вследствие падения напряжения в якорной цепи и влияния реакции якоря. 9.3. Генераторы параллельного возбуждения 1) 2) Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения происходит при следующих условиях: наличие остаточного магнитного потока; правильного подключения концов обмотки возбуждения или правильного направления вращения. Кроме того, сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть ниже некоторого критического значения или частота вращения при данном сопротивлении ОВ должна быть выше некоторого критического значения. значения Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2-3% от номинального. Остаточный поток такого значения практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную ЭМ или ЭМ, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через ОВ ток от постороннего источника питания. При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Небольшая ЭДС, индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, вызывает в ОВ малый ток возбуждения. Этот ток вызывает увеличение потока полюсов, а , следовательно, увеличение ЭДС, которая обуславливает дальнейшее увеличение тока возбуждения и т.д. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения. Если подключение концов ОВ или направление вращения неправильны, то возникнет ток возбуждения обратного направления, вызывающий ослабление остаточного потока и уменьшение ЭДС, вследствие чего самовозбуждение невозможно. Тогда необходимо переключить концы ОВ или изменить направление вращения. Процесс самовозбуждения показан на рис.9.7. На рис.9.7 кривая 1 представляет собой х.х.х., а прямая 2 – т.н. характеристику цепи возбуждения или зависимость Uв = Rвiв. В процессе самовозбуждения напряжение на концах цепи возбуждения d L в i в  U в R в i в  dt где Lв- индуктивность цепи возбуждения Напряжение якоря на х.х. (I = 0) U = E + i вR Изображается на рис.9.7а кривой 1. Т.к. ток возбуждения мал, то практически U=E. Но в генераторе параллельного возбуждения U = Uв. Поэтому разность ординат кривой 1 и прямой 2 на рис.9.7а составляет d L в i в  dt и характеризует скорость и направление изменения тока возбуждения. Сопротивление ОВ, соответствующее прямой 4 (рис.9.7а) называется критическим. критическим При сопротивлении ОВ большим критического самовозбуждение невозможно и напряжение машины определяется остаточным потоком. Для каждого данного сопротивления ОВ существует такое значение частоты вращения (кривая 2 на рис.9.7б) ниже которой самовозбуждение невозможно. Такое значение частоты вращения называется критической частотой вращения. Характеристика холостого хода U=f(iв) при I = 0 и n=const при параллельном возбуждении может быть снята только в одном квадранте (рис.9.8). Характеристика короткого замыкания I = f(iв) при U = 0 и n = const для генератора параллельного возбуждения может быть снята только при питании ОВ от постороннего источника питания, как и для генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика U = f(I) генератора параллельного возбуждения снимается при Rв=const и n=const, т.е. без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы. Вследствие этого к двум причинам падения напряжения, указанным для генератора независимого возбуждения, прибавляется третья – уменьшение тока возбуждения при уменьшении напряжения. В результате внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис.9.9 кривая 1) падает круче, чем у генератора независимого возбуждения (кривая 2). Характерной особенностью внешней характеристики генератора параллельного возбуждения является то, что при некотором максимальном значении тока I = Iмакс (точка а на рис.9.9) она делает петлю и приходит в точку б на оси абсцисс, которая соответствует установившемуся току к.з. Работа ЭМ на участке аб характеристики несколько неустойчива и имеется склонность самопроизвольного изменения тока якоря. Регулировочная характеристика iв=f(I) при U = const и n=const и нагрузочная характеристика U=f(iв) при I = const и n=const снимаются также, как и у генератора независимого возбуждения. Указанные характеристики получаются практически такими же, как и у генератора независимого возбуждения. 9.5. Генераторы последовательного возбуждения В генераторах последовательного возбуждения iв =I и поэтому при n=const имеют только две независимые переменные: напряжение и ток якоря. Вследствие этого такой генератор имеет только одну характеристику: внешнюю U = f(I) (рис.9.10, кривая 1). Х.х.х, х.к.з и другие могут быть сняты только при отсоединении ОВ от якоря и питании ее от постороннего источника, как у генератора независимого возбуждения. 9.6. Генераторы смешанного возбуждения Генератор смешанного возбуждения, самовозбуждается так же как и генератор параллельного возбуждения, и их х.х.х. аналогичны. Х.к.з. можно снять только при питании параллельной ОВ от постороннего источника питания. Снятие внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик генератора смешанного возбуждения производится также, как и у генератора параллельного возбуждения. Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока параллельной обмотки возбуждения, поэтому при согласном включении последовательной ОВ нагрузочная характеристика будет расположена выше нагрузочной характеристики генератора независимого и параллельного возбуждения. На рис.9.11 кривая 1 представляет собой нагрузочную характеристику генератора смешанного возбуждения, кривая 2 – х.х.х. и кривая 3 – нагрузочная характеристика генератора независимого или параллельного возбуждения. 9.7. Параллельная работа ГПТ Для совместной работы используются генераторы независимого, параллельного или смешанного возбуждения. При этом они подключаются к сети параллельно. При параллельной работе генераторов необходимо соблюсти следующие условия: 1) при включении генератора на параллельную работу с другими не должно возникать значительных толчков тока, способных вызвать нарушения в работе генераторов и потребителей; 2) генераторы должны нагружаться по возможности равномерно, пропорционально их номинальной мощности. При нарушении последнего условия полное использование мощности всех генераторов невозможно: когда один генератор нагружается полностью, другие недогружены, а дальнейшее увеличение общей нагрузки невозможно, т.к. отдельные генераторы будут перегружаться. Кроме того, при неравномерной нагрузке генераторов суммарные потери всех генераторов могут быть больше, а общий КПД – меньше, чем при равномерной нагрузке. Схема параллельной работы двух генераторов параллельного возбуждения показана на рис.9.12. Пусть генератор 1 уже работает на общие шины и необходимо подключить к шинам генератор 2. Тогда надо соблюсти следующие условия: 1) полярность генератора 2 должна быть такой же, как и генератора 1 или шин; 2) ЭДС генератора 2 должна равняться напряжению на шинах. При соблюдении этих условий при подключении генератора 2 к шинам не возникает никакого толчка тока.