Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 35 из 42)
Рис. 2.56 – Схема генератора со смешанным возбуждением и его внешние характеристики
Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.56, а) имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.56, б) в первом приближении может быть представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора Uпостепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн, напряжение возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).
Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔUпосл компенсировало суммарное падение напряжения ΔUпри работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение Uпри изменении тока нагрузки от нуля до Iном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2–3%. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение Uном > U0(кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении ∑r генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы ее м. д. с. была направлена против м. д. с. параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большем числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей (кривая 5). Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.
Генераторы постоянного тока, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики их снабжают небольшой последовательной обмоткой (один-три витка на полюс).
При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением. Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.
2.9 Параллельная работа генераторов постоянного тока
Рассмотрим параллельную работу генератора, имеющего параллельное или независимое возбуждение, с сетью бесконечно большой мощности, т.е. при условии, что напряжение сети U= const.
Подключение генератора к сети (рис. 2.57, а). Чтобы включить генератор на параллельную работу с сетью, необходимо привести якорь генератора во вращение с номинальной частотой, проверить соответствие полярности щеток генератора и проводов сети и установить такой ток возбуждения, при котором напряжение генератора Uг0 = E0равно напряжению сети U. При обеспечении этих условий включение генератора не будет сопровождаться броском тока, так как IH = (Uг0– U)/∑r=0. Условие Uг0 – Uпроверяют с помощью нулевого вольтметра V.
Нагрузка генератора. Чтобы нагрузить генератор, подключенный к сети, необходимо повысить его э. д. с. Это можно сделать путем увеличения частоты вращения якоря или тока возбуждения. Удобнее однако, воздействовать на ток возбуждения.
Рис. 2.57 – Схема подключения генератора с параллельным возбуждением к сети и определение его тока нагрузки по внешним характеристикам
Величину тока нагрузки Iн да Iапри заданном токе возбуждения можно определить графически по внешним характеристикам генератора 1 и 2, построенным при различных величинах тока возбуждения (рис. 2.57, б). Например, при некотором токе возбуждения Iв1 (кривая 1) равенство напряжений генератора Uги сети Uимеет место в точке А при токе нагрузки Iн1 = 0. При токе возбуждения Iв2 внешняя характеристика генератора (кривая 2) пересекается с линией U= const в точке В, соответствующей некоторому установившемуся значению Iн2 тока нагрузки.
Работа генератора в этой точке является устойчивой: при случайном изменении тока нагрузки, а следовательно, и тока якоря на величину ΔIн ≈ ΔIа возникает переходный процесс, для которого можно написать уравнение
, (2.71)где u = U– мгновенное значение напряжения, сети; iни е–мгновенные значения тока нагрузки и э. д. с. генератора при переходном процессе; La– индуктивность цепи обмотки якоря; иг– мгновенное значение напряжения генератора.
Из (2.71) следует, что
dijdt = (ur–u)/La. (2.72)
При случайном увеличении тока нагрузки свыше Iн2 напряжение генератора uг становится меньше напряжения сети u, следовательно, производная diв/dtбудет отрицательной, т.е. ток нагрузки начнет уменьшаться, стремясь к установившемуся значению Iн2. При случайном уменьшении тока ниже Iн2 напряжение иг> и,производная diн/dt> 0 и ток нагрузки начнет возрастать до установившегося значения Iн2.
Генератор с последовательным возбуждением устойчиво работать параллельно с сетью не может, так как его напряжение Uг увеличивается при возрастании тока нагрузки Iн (рис. 2.58, а). Поэтому при случайном отклонении тока якоря от некоторого установившегося значения Iн, при котором Uг = U(точка А), машина сбрасывает нагрузку или переходит в режим работы, соответствующий очень большому току.
Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением (рис. 2.58, б) имеет две точки пересечения с прямой U = const. Точка А соответствует неустойчивому режиму работы, а точка В-устойчивому. Однако и генератор со смешанным возбуждением для параллельной работы с сетью применяют редко, так как для него характерны броски тока при переходе из неустойчивого режима в устойчивый.
Рис. 2.58 – Определение тока нагрузки при подключении к сети генераторов с последовательным и смешанным возбуждением
2.10 Электродвигатели постоянного тока
Машина постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением, подключенная к сети с постоянным напряжением U, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой.
Для контура «обмотка якоря – сеть» можно согласно II закону Кирхгофа написать уравнение
, (2.73а)Откуда
. (2.73б)Если Е > U, то ток Iасовпадает по направлению с э. д. с. Е и машина работает в генераторном режиме (рис. 2.59, а). При этом электромагнитный момент М противоположен направлению вращения n, т.е. является тормозным. Уравнение (2.73а) для генераторного режима может быть записано в виде
U = E-IaΣr(2.74а)
Если же Е <.U, то ток Iа в уравнении (2.73б) меняет свой знак и будет направлен против э. д. с. Е. В соответствии с этим изменит свой знак и электромагнитный момент М, т.е. он будет действовать по направлению вращения n. При этом машина будет работать в двигательном режиме (рис. 2.59, б) и уравнение (2.73а) примет вид
, (2.74б)если за положительное направление тока Iадля двигигильного режима принять его направление, встречное к э.д.с, Е.
Рис. 2.59 – Направление тока I0 и электромагнитного момента М при работе машины постоянного тока в генераторном идвигательном режимах
Таким образом, генераторы с независимым и параллельным возбуждением, подключенные к сети с напряжением U, автоматически переходят в двигательный режим, если их э. д. с. Е становится меньше напряжения сети U. Точно так же рассматриваемые двигатели автоматически переходят в генераторный режим, когда их э. д. с. Е становится больше U.
Рис. 2.60 – Схема двигателя с параллельным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря
При работе машины постоянного тока в двигательном режиме э. д. с. Е и вращающий момент M определяются теми же формулами, что и для генератора