книги / Электропитание устройств связи
..pdfот скорости вращения якоря машины и сопротивления цепи обмот ки возбуждения. Таким образом, в процессе самовозбуждения ге нератора ток в обмотке возбуждения постепенно увеличивается до
установившегося значения |
/ ва (рис. 5.13). |
Увеличение |
тока воз |
|||
буждения увеличивает ЭДС в якоре (кри |
|
|
||||
вая /). Напряжение на зажимах генера |
|
|
||||
тора можно |
определить |
произведением |
|
|
||
величин тока возбуждения и сопротивле |
|
|
||||
ния цепи возбуждения гв (сумма сопро |
|
|
||||
тивления обмотки возбуждения и регули |
|
|
||||
ровочного реостата), т. е. / BrB=it/. Следо |
|
|
||||
вательно, при неизменном гв зависимость |
|
|
||||
U от /в представляет собой прямую ли |
|
|
||||
нию (прямая 2). |
|
|
|
|
|
|
При / в < / |
в а E > U , т. е. ЭДС в обмот |
|
|
|||
ке якоря не уравновешена |
падением на |
|
|
|||
пряжения в сопротивлении цепи возбуж |
|
|
||||
дения и ток возбуждения увеличивается. |
Рис. 5.13. Зависимость Э ДС |
|||||
Ток / в не |
может |
оказаться |
больше |
и напряжения |
генератора |
|
/ вл, так как при этом ЭДС, индуцирован |
от тока возбуждения |
|||||
ная в обмотке якоря, |
окажется |
меньше |
|
|
||
падения напряжения |
(£■</„/•„), что невозможно. Таким ' образом |
|||||
точка А характеризует установившийся режим работы |
машины и |
возбуждение ее происходит до напряжения, соответствующего точке А.
При изменении скорости вращения или сопротивления цепи возбуждения будет изменяться и напряжение, до которого воз буждается машина. При увеличении скорости вращения якоря машины также увеличится ЭДС и напряжение машины.
Угол наклона а зависимости U от / в определяется сопротивле нием цепи возбуждения, так как tga= K (U /IB)= K rB, где К — ко
эффициент пропорциональности, зависящий от выбранного мас штаба для напряжения и тока возбуждения.
При увеличении гв (увеличивается гр) зависимость £/=/(/„)
пойдет под большим углом к горизонтальной оси и напряжение на зажимах генератора уменьшится. Дальнейшее увеличение сопро тивления гв также понижает напряжение. При некотором критиче ском сопротивлении гВКр зависимость U =f(IB) пересекает зависи мость Е в точке С, т. е. практически машина не возбуждается.
Однако самовозбуждение генератора не всегда возможно и бу дет происходить лишь при следующих определенных условиях:
I.Наличие поля остаточного магнетизма. Без этого поля не
будет создаваться ЭДС Е0ст> под действием которой в обмотке
возбуждения возникает ток. Рели машина размагничена и не имеет остаточного намагничивания, то по обмотке возбуждения надо пропустить постоянный ток от какого-либо постороннего источни ка электрической энергии. После отключения обмотки возбужде ния машина будет иметь вновь остаточный магнитный поток.
101
2. Обмотка возбуждения должна быть включена согласно с полем остаточного магнетизма, т. е. так, чтобы НС этой обмотки увеличивала поле остаточного магнетизма. При встречном вклю чении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной работе может полностью размагнитить машину. Если обмотка возбужде ния оказалась включенной встречно, то необходимо изменить на правление тока в ней.
3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического (гв<.гвкр), т. е. такого сопротивления, при
котором самовозбуждение генератора невозможно.
4. Сопротивление внешней нагрузки гн должно быть велико. При малом гн ток /в будет также мал и самовозбуждения не будет.
5.8. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимости между основными величинами, кото рыми являются ЭДС в обмотке якоря Е, напряжение на его за жимах U, ток в якоре /„, ток возбуждения /„ и число оборотов якоря п.
Характеристики представляют собой зависимости между дву мя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости различны для различных генераторов.
Все характеристики машины снимаются при постоянном числе оборотов якоря машины (п = const). При изменении скорости вра
щения якоря машины все характеристики генератора изменяются существенно.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой
зависимость между ЭДС в якоре и током возбуждения |
E = f(IB), |
снятую без нагрузки (/н= 0) и при постоянном числе |
оборотов |
(n=const). |
|
Для генераторов независимого возбуждения без нагрузки (хо
лостой ход) |
ток в якоре равен нулю |
(/а= 0 ). Так |
как ЭДС, соз |
|
данная |
в |
обмотке якоря, равна Е=СпФ, то при n=const ЭДС |
||
окажется |
прямо пропорциональной |
магнитному |
потоку. Поэтому |
в измененном масштабе характеристика холостого хода представ ляет магнитную характеристику машины.
При /„ = 0 магнитная цепь машины (главным образом, ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Фост, который ин дуцирует в обмотке якоря ЭДС £ ост (рис. 5.14а). Эта ЭДС со ставляет несколько процентов (2—5%) номинального напряжения машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения увеличивают ся как магнитный поток, так и ЭДС, индуцированная в обмотке якоря (кривая /). Если после снятия восходящей ветви этой за висимости до точки а начать постепенно уменьшать ток возбуж
дения / в, то ЭДС также начнет уменьшаться, но за счет намагни-
102
чивания стали нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько
выше восходящей ветви этой характеристики. Изменяя / в не толь ко по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины. Практически восходящая и нис ходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначи тельное расхождение и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).
На рис. 5.146 показаны характеристики холостого хода, снятые
при различных скоростях вращения якоря |
генератора. |
Кривая 1 |
|
соответствует вращению якоря |
машины с |
номинальной скоро |
|
стью пн, указанной в паспорте |
генератора. |
Для всех |
машин иор- |
Рис. 5.14. Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а) при перемагничивании стали; б) при изменении ско рости вращения якоря
мального типа точка номинального напряжения (точка А) нахо
дится на перегибе магнитной характеристики, что соответствует оптимальным рабочим и регулировочным свойствам генератора.
Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики (точка А') приводит к резким измене
ниям напряжения на зажимах генератора при изменениях нагруз ки, так как незначительные изменения намагничивающей силы вы зывают резкие изменения ЭДС. Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики (точка А") ограничивает воз
можность регулирования напряжения на зажимах генератора, потому что для изменения ЭДС требуются очень большие измене ния тока возбуждения.
При изменении скорости вращения якоря генератора изменит свое положение характеристика холостого хода, так как ЭДС про порциональна скорости. При п'7>п характеристика холостого хода пойдет выше (кривая 2), а при n"<Cnn — ниже (кривая 3), чем
при номинальной скорости. Следовательно, при изменении скоро
сти вращения |
якоря точка номинального напряжения окажется |
на линейном |
(точка В) или на пологом (точка С) участке магнит |
ной характеристики, что изменит все характеристики генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора
103
надо выбирать таким, чтобы его скорость была близка к номи нальной скорости генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом хо де ток в якоре равен току возбуждения (7а = / в), который состав ляет несколько процентов номинального тока генератора. Поэто му напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет при мерно равным ЭДС и характеристика холостого хода этого гене ратора практически совпадает с характеристикой генератора не зависимого 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 характеристи ка 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 включе на в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика хо лостого хода совпадает с характеристикой генератора параллель ного возбуждения.
Характеристика короткого замыкания представляет собой за
висимость тока |
в якоре от тока возбуждения |
Ia= f(IB) |
при корот |
ком замыкании |
([/ = 0) и постоянном числе |
оборотов |
(п=const). |
В генераторах независимого возбуждения при снятии этой харак теристики обмотка якоря замкнута накоротко (на амперметр), а в обмотке возбуждения протекает малый ток, при котором в яко ре ток не превышает номинального значения. Если ток возбужде ния мал и машина не насыщена, характеристика короткого замы кания представляет прямую линию (рис. 5.15). Из-за наличия остаточного магнетизма эта характеристика идет не из начала ко ординат.
Рис. |
5.15. |
Характери |
Рис. 5.16. |
Внешние характеристики |
стика |
короткого за |
генератора |
независимого возбужде |
|
мыкания |
генератора |
|
нии |
|
независимого возбуж |
|
|
дения |
104 |
|
Для генераторов с самовозбуждением всех типов эта характе ристика не может быть снята. Поэтому для генераторов с само возбуждением характеристика короткого замыкания снимается по схеме независимого возбуждения, для чего обмотка возбуждения должна быть включена в сеть постороннего источника тока. Ха рактеристики холостого хода и короткого замыкания дают возмож ность определить рабочие свойства генератора без испытания его под нагрузкой. По этим характеристикам могут быть построены все характеристики генератора.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость на пряжения на зажимах генератора от тока нагрузки U = f(Ia). Эта
характеристика соответствует естественным условиям работы ма шины, т. е. машина нерегулируема (rB=const), и снимается при неизменном числе оборотов (п= const).
Рассмотрим рис. 5.16. Кривая а представляет собой внешнюю
характеристику, снятую при понижении напряжения. Для снятия этой характеристики устанавливается такой ток в обмотке воз буждения, чтобы при холостом ходе генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному. Затем нагрузка генератора
увеличивается |
при неизменном токе |
в обмотке |
возбуждения. |
С увеличением |
нагрузки (тока в якоре |
генератора |
/„) увеличива |
ется как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что снижает напря жение. При изменении нагрузки от нуля до номинальной напря жение на зажимах генератора уменьшится на величину AUnн.
При |
снятии характеристики на повышение напряжения |
(кри |
||
вая б) |
устанавливается такой ток возбуждения, чтобы при номи |
|||
нальной |
нагрузке генератора напряжение на его |
зажимах |
было |
|
равно номинальному, затем нагрузка генератора уменьшается. |
||||
При |
уменьшении |
нагрузки (тока в якоре) |
также |
умень |
шается |
как падение |
напряжения в сопротивлении |
обмотки |
якоря, |
так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает повышение напряжения. При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на зажимах генератора увеличится на величину At/nnЗа счет насыщения стали повышение напряжения будет меньше, чем понижение (AUnv< A U ns), так как размагничиваю щее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали машины.
Нагрузочные свойства генератора оцениваются процентным по вышением напряжения A U % = [(U o — U1\)IU^]\00, где t/w — номи нальное напряжение генератора; Uo — напряжение, которое уста
навливается при отключении нагрузки (/н= 0 ).
В генераторах независимого возбуждения увеличение нагруз ки снижает напряжение за счет падения напряжения в сопротив лении машины и реакции якоря (кривая / на рис. 5.17). В гене раторах параллельного возбуждения при уменьшении напряже ния также уменьшается ток возбуждения и, следовательно, маг нитный поток и напряжение. Следовательно, при увеличении на грузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшает-
105
ся в большей мере (кривая 2), чем в генераторах независимого возбуждения.
Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает уве личение тока до некоторого значения / м, не превышающего номи нальный ток более чем в 2—2,5 раза. При дальнейшем уменьше нии внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком за мыкании будет значительно меньше номинального (7К<Л \0-
Рис. бЛ7. Внешние характеристи- |
Рис. 5Лв. Внешняя харак- |
|
ки генератора параллельного воз- |
теристика генератора по |
|
буждения |
следов ательного |
возбужде |
|
ния |
|
Уменьшение сопротивления нагрузки уменьшит ток возбуждения, т. е. напряжение генератора. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то ЭДС умень шится в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что вызы вает уменьшение тока в якоре.
При коротком замыкании генератора параллельного возбужде ния ток возбуждения равен нулю и обмотка возбуждения не соз дает магнитного потока. Поэтому в обмотке якоря будет ЭДС только от остаточного магнитного потока £ост, шмеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания /к будет так же мал. Внешняя характеристика на повышение напряжения у генератора параллельного возбуждения (кривая 3) подобна та
кой же характеристике генератора независимого возбуждения. Генераторы параллельного возбуждения применяются наибо
лее широко. Их недостатком является сравнительно большое из менение напряжения при изменении нагрузки. Поэтому, если при емник энергии требует постоянства напряжения при изменении на грузки генератора, автоматически меняется и ток в обмотке воз буждения, изменяя как магнитный поток, так и ЭДС в обмотке якоря так, чтобы обеспечить постоянство напряжения. Для изме нения тока в обмотке возбуждения включается регулируемое со противление.
106
Для генератора последовательного возбуждения внешняя ха рактеристика показана на рис. 5.18. В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря и при холостом ходе в обмотке якоря будет создана ЭДС за счет остаточного магнетизма Еогт. С увеличением нагрузки также увеличится ток в обмотке возбуж дения, что вызывает увеличение ЭДС (кривая а). Напряжение на зажимах нагруженного генератора меньше ЭДС за счет падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая б).
Таким образом, у |
генераторов |
последовательного |
возбуждения |
напряжение резко |
меняется с |
изменением нагрузки, |
в силу чего |
их применение ограничено |
|
|
В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение последовательной и параллельной обмоток. При согласном включении обмоток возбуждения результирующая НС, создающая магнитный поток, равна сумме НС последова тельной и параллельной обмоток, а при встречном включении — разности этих НС.
5.9. ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
При включении двигателя постоянного тока в сеть под дейст вием приложенного напряжения будет протекать ток как в обмот ке якоря, так и в обмотке возбуждения. Ток возбуждения создает
магнитный поток полюсов. В результате взаимодей |
|
|
|
||
ствия тока в проводниках обмотки якоря с магнит |
|
|
|
||
ным полем полюсов создается вращающий момент |
|
|
|
||
и якорь машины приходит во вращение. Таким об |
|
|
|
||
разом, электрическая энергия, полученная машиной |
|
|
|
||
из сети источника энергии, преобразовывается в ме |
|
|
|
||
ханическую, |
|
|
- |
О - |
|
Положим, что генератор параллельного возбуж |
|
||||
|
|
|
|||
дения работает на сеть |
большой мощности |
(рис. |
|
|
|
5.19). Нагрузка генератора определяется из следую |
|
|
|
||
щего выражения: |
|
|
|
|
|
Ia = ( E - U c)/ra, |
(5.7) |
|
|
|
|
где /а — ток в обмотке якоря; га — сопротивление |
Рис. 5.19. Схема |
||||
цепи этой обмотки; Е — ЭДС, индуцируемая в этой |
включения |
ге |
|||
же обмотке; Uc — напряжение сети. |
|
нератора |
па |
||
Направление ЭДС и тока в активных проводах |
раллельного |
в |
|||
якоря показано на схеме |
(5.20а). Машина развива |
возбуждения |
|||
мощную сеть |
|||||
ет электромагнитный момент М^, являющийся тор |
|
|
|
||
мозным, т. е. потребляет |
механическую энергию и |
вырабатывает |
|||
электрическую. Если регулировочным сопротивлением |
уменьшить |
ток возбуждения, то уменьшится как магнитный поток, так и ЭДС в обмотке якоря, а значит, и нагрузка генератора. Изменяя сопро тивление регулировочного реостата, можно сделать ток возбужде ния таким До, при котором ЭДС в обмотке якоря равна напряже
107
нию сети, а ток в якоре равен нулю, т. е. генератор работает вхоло стую.
Если ток возбуждения меньше тока, соответствующего режиму холостого хода генератора (7в< / во), то ЭДС обмотки якоря будет меньше напряжения сети и ток в якоре изменит направление на обратное (рис. 5.216), что видно из (5.7). При изменении направ ления тока в проводниках обмотки якоря также изменится направ-
s
Рис. 5.20. Работа:
а) генератора; б) двигателя постоянного тока
ление электромагнитного момента М$, развиваемого машиной
т.е. момент станет вращающим. Таким образом, машина, потреб ляя электрическую энергию, вырабатывает механическую энергию,
т.е. работает двигателем.
Если отключить первичный двигатель, то якорь машины будет продолжать вращаться под действием развиваемого электромаг нитного момента . При вращении якоря в проводниках его об мотки создается ЭДС, направление которой противоположно на правлению тока. Поэтому ее называют противоэдс или обратной ЭДС.
Противоэдс играет роль регулятора потребляемой мощности, т. е. изменение потребляемого тока происходит вследствие измене ния противоэдс, равной
Е = СпФ. |
(5.8) |
Вращающий момент, развиваемый двигателем |
|
М* = КФ1а. |
(5.9) |
В этих выражениях С и К — постоянные конструктивные ко
эффициенты.
Приложенное напряжение уравновешено противоэдс и падени ем напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных кон тактов. Поэтому для двигателя уравнение равновесия эдс примет вид
U = E + Iara, |
(5.10) |
108
Ток в обмотке якоря |
|
I0 = (Ue- E ) lr a. |
(5.11) |
Из ф-л (5.8) и (5.10) находим число оборотов |
якоря двига |
теля |
|
п = (Uc— 1а га)/(СФ). |
(5.12) |
Условием установившегося режима работы двигателя является равенство вращающего и тормозного моментов. Если вращающий
момент, развиваемый двигателем |
уравновешен тормозным на |
валу Мъ то скорость вращения якоря |
остается постоянной. При |
нарушении равновесия моментов появляется дополнительный мо мент, создающий положительное или отрицательное ускорение вращения якоря.
Если увеличить нагрузку (тормозной момент на валу двигате ля Мт), то равновесие моментов нарушится (М$ < М Т) и скорость
вращения якоря начнет уменьшаться. При уменьшении скорости вращения якоря уменьшается также противоэдс, т. е. увеличивают ся как ток в якоре, так и вращающий момент двигателя. Измене ние скорости вращения, противоэдс и тока в якоре происходит до восстановления равновесия моментов, т. е. до тех пор, пока вра щающий момент не окажется вновь равным тормозному моменту. Если равновесие моментов не восстанавливается и тормозной мо мент остается всегда больше вращающего момента то скорость вращения уменьшается непрерывно до остановки дви
гателя. Такие ситуации возникают при больших тормозных мо ментах на валу и значительных понижениях напряжения сети.
При уменьшении нагрузки на валу двигателя (М ф > М т) ско рость вращения якоря начнет увеличиваться, что увеличит проти воэдс в его обмотке Ток в обмотке якоря начнет уменьшаться, уменьшая вращающий момент двигателя. Скорость, противоэдс и ток в якоре будут изменяться также до восстановления равнове сия моментов (М ф =МТ)
Однако в двигателях постоянного тока сравнительно часто соз даются условия, при которых равновесие моментов не восстанав ливается при любом изменении скорости, так что вращающий момент всегда остается больше тормозного момента на валу дви гателя (М ^> М Т). В таких случаях скорость вращения якоря не
прерывно увеличивается, теоретически стремясь к бесконечности. Значительное превышение номинальной скорости может разру
шить машину. Такой аварийный режим называется «разносом» двигателя.
Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря. Таким образом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения якоря нужно изменить полярность полю сов переключением обмотки возбуждения, или изменить направ ление тока в обмотке якоря. Обмотка возбуждения обладает зна-
109
чительной и н д у к т и в н о с т ь ю и переключение tee нежелательно. |
По |
этому обычно реверсирование двигателей постоянного тока |
осу |
ществляется переключением обмотки якоря. |
|
5.10. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими \а«- рактеристиками, представляющими собой зависимости числа обо ротов п, вращающего момента , потребляемого тока /ь мощ ности Р\ и КПД г\ от полезной мощности на валу Р%
Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы двигателя, т. с. машина не регулируется и напряжение сети остаем
ся |
постоянным. |
Так как при изменении |
полезной мощности Рг |
(т. е. нагрузки |
на валу) изменяется также и ток в якоре машины, |
||
то |
рабочие характеристики часто строятся |
в зависимости от тока |
в якоре.
Схема двигателя параллельного возбуждения изображена на рис. 5.19, а его характеристики — на рис. 5.21.
Число |
оборотов двигателя п = |
= (UC— |
С увеличением на |
грузки на валу двигателя увеличивает ся также и ток в якоре, т. е. падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря. Так как ток возбуждения ос тается неизменным (машина нерегули руема), то магнитный поток также ос тается постоянным. Однако при уве личении тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Ф
несколько уменьшается. Увеличение падения напряжения в сопротивлении якоря уменьшает скорость, а уменьше ние Ф увеличивает ее. Обычно измене
ния падения напряжения влияют на скорость в несколько большей степени, чем реакция якоря, так что с увеличением тока в якоре скорость уменьшается. Изменение скорости у двигателя этого ти па незначительно и не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до номинальной, т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют жесткую скоростную характеристику.
При неизменном магнитном потоке зависимость электромагнит ного момента от тока в якоре представится прямой линией. Но за счет реакции якоря с увеличением нагрузки несколько уменьшит ся магнитный поток и зависимость электромагнитного момента пойдет несколько ниже прямой линии.
Схема двигателя последовательного возбуждения показана нс рис. 5.22а. Пусковой реостат этого двигателя имеет только два за жима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну по
ПО