Генераторы постоянного тока и способы их возбуждения

Генераторы постоянного тока находят широкое применение в современных электроустановках (зарядные агрегаты, транспортные средства, усилители мощности, прожекторные установки, возбудители синхронных машин и т. д.).

Способы возбуждения генераторов. По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы, возбуждаемые электромагнитным путем, и генераторы с постоянными магнитами (магнитоэлектрические).

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмотки возбуждения делятся на генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), последовательного возбуждения (сериесные) и смешанного возбуждения (компаундные).

На рис. 1.11, а—г изображены принципиальные схемы этих генераторов.

Уравнение равновесия ЭДС. Уравнение электрического равновесия генератора, работающего под нагрузкой, может быть записано в следующем виде:

и_г = Е_а-1_аЯ_а, (1.4)

где и_г — напряжение на зажимах генератора; Е_а — ЭДС обмотки якоря; 1_а — ток якоря; Я_а — сумма всех сопротивлений цепи якоря (сопротивлений обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов, последовательной обмотки возбуждения и переходного сопротивления щетки — коллектор).

ов

б

в

Рис. 1.11. Принципиальные схемы генераторов постоянного тока

:

+ и_т - + и_г

“ ^ув ⁷вТ Н-

о ? I ¹-1 п

иВ

я

а

Электромагнитный момент. Якорь генератора приводится во вращение первичным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент. Когда генератор работает под нагрузкой, в нем создается тормозной момент, который называется электромагнитным и определяется из выражения

ЭМ

со

(1.5)

где Р_эи — электромагнитная мощность генератора, в которую не входят электрические потери в якоре; со — угловая скорость вращения якоря.

Подставляя значения этих величин, получаем

Л1р

ЕЛ, .... .

(1-6)

М = =

ЭМ

2 л

п

пФ1

^а

2 л

п

2ш ^а

/ Ф

или

60 60

М_эм =С_м1_а Ф.

АТр

где С, =--величина, постоянная для данной машины.

2 па

Обычно для практических расчетов индекс «эм» опускают, тогда в окончательном виде формула электромагнитного момента может быть записана следующим образом:

М=С_м1_а Ф. (1.7)

Если ток выражен в амперах, а магнитный поток в веберах, то момент получают в ньютонометрах [Н • м|.

Условия самовозбуждения. Напряжение на зажимах генераторов с параллельным, последовательным и смешанным возужде-ниями создается в процессе самовозбуждения. Объясним процесс самовозбуждения на примере генератора с параллельным возбуждением (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Принципиальная схема генератора

Принцип самовозбуждения заключается в следующем. В полюсах и ярме машины обычно всегда имеется магнитный поток остаточного намагничивания Фост ( 1 —3% от номинального). Если, замкнув цепь возбуждения, приведем якорь во вращение с номинальной скоростью, то под действием этого потока в обмотке якоря наведется небольшая ЭДС и на зажимах появится напряжение примерно 1—3% от номинального и_ном. Под действием этого напряжения по цепи возбуждения потечет небольшой ток, создающий добавочный поток намагничивания Ф_ДОб-

В зависимости от направления тока в обмотке возбуждения ПОТОК Фдоб может быть направлен либо встречно с потоком Ф_осх, либо согласно с ним. Процесс самовозбуждения генератора может идти только при согласном направлении обоих потоков, т. е. в сторону, определяемую направлением потока Ф_ост. В этом случае результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению наводимой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение тока возбуждения и потока Ф машины и т. д.

Выясним предел, до которого идет процесс самовозбуждения. При этом будем считать, что генератор работает вхолостую, т. е. /_н = 0.

Так как в процессе самовозбуждения ток /„ и напряжение 1/_в непрерывно меняются, то для цепи возбуждения на основании II закона Кирхгофа можно написать уравнение электрического равновесия

Т /л, (1-8)

где и_в — напряжение на зажимах цепи возбуждения; е_? — ЭДС самоиндукции; /,Д, — падение напряжения в цепи возбуждения. Так как

где Ь_в — индуктивность цепи возбуждения, то равенство (1.8) может быть записано в виде

+ (1-9)

Обычно процесс самовозбуждения ведется при ХОЛОСТОМ ходе и R_B = const. В этом случае зависимость ы_в =/(/_в) изображается обычной кривой холостого хода — кривая / на рис. 1.13; зависимость i_BR_B =/(/_в) определяется прямой 2 на том же рис. 1.13, а ве-

7 •

личина Т_в —- — отрезками ординат между кривой 1 и прямой 2.

dt

Рис. 1.13. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

В точке пересечения^ кривой 1 и прямой 2ЭДС e_L = 0, а следова-

і •

тельно, —- = 0. В цепи возбуждения устанавливается постоянный dt

ток возбуждения /_в = /_в = const, которому соответствует вполне определенное напряжение на зажимах генератора

и в = U_H= U= const,

т. е. в точке А процесс самовозбуждения прекращается.

Наклон прямой 2, или tga = i_BR_B //_в = R_B , можно изменять, изменяя сопротивление цепи возбуждения

R_K =R_qb + R_P,

где R_oli— сопротивление обмотки возбуждения, а R_p — сопротивление регулировочного реостата.

Если R_p = 0, то точка А максимально смещается вправо. При увеличении сопротивления Rp точка А будет перемещаться по кривой 1 к ее началу. При достаточно большом сопротивлении Rp прямая i_BR_B становится касательной к кривой /, и, следовательно, машина не самовозбудится. Сопротивление R_p, при котором генератор уже не возбуждается, называется критическим, в этом случае tga_Kp = R_B кр.

Таким образом, для самовозбуждения генераторов постоянного тока необходимо соблюсти следующие три условия:

• 1) наличие потока остаточного намагничивания. Если по каким-либо причинам генератор потерял остаточный магнетизм (удары при транспортировке, короткое замыкание), то его нужно подмагнитить от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи и т. д.), пропустив по обмотке возбуждения постоянный ток;
• 2) совпадение добавочного магнитного потока Ф_доб с остаточным Фост - При несовпадении этих потоков процесс самовозбуждения идти не будет. Чтобы добавочный магнитный поток совпадал по направлению с остаточным, необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения;
• 3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического. Для уменьшения R_Kp необходимо уменьшить сопротивление регулировочного реостата в цепи возбуждения.