Генератор смешанного возбуждения. Схема включения, характеристики
Рис. 9-1.Схемы генераторов и дзигателей независимого (о), параллельного (б), последовательного (в) исмешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки — направления токов в режиме генератора, штриховые — в режиме двигателя)
Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмоткн создают н. с. одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток возбуждения называется встречным.
Наибольшее практическое применение находят генераторы с согласным включением обмоток возбуждения. Наибольшую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка ОВШ. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагничивающей составляющей реакции якоря Fв,qd. В результате подмагничивающего действия последовательной обмотки напряжение генератора с ростом I будет возрастать, как это видно на внешней характеристике U=f(I) при ΣRв= const, изображенной на рис. 13. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки.
Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения снимаются так же, как и у генератора параллельного возбуждения, и имеют 
такой же характер.
В зависимости от соотношения между МДС последовательной (сериесной) обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fв,qd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика (кривая 2) идет выше характеристики холостого хода (кривая 1) (рис. 14).
Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря.
1. Наличие остаточного магнитного потока
2. Правильное подключение обмотки возбуждения. Магнитный поток, должен совпадать по направлению с остаточным
3. Сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше некоторого критического
4. Скорость вращения якоря должна быть больше некоторой критической
и их х.х.х. аналогичны. Х.к.з можно снять только при питании параллельной обмотки возбуждения от постороннего источника, если действие последовательной обмотки является встречным, так как при согласном действии обмоток возбуждения возникает недопустимо большой ток К.З.
Генераторы смешанного возбуждения
Генератор смешанного возбуждения самовозбуждается так же, как и генератор параллельного возбуждения и их х. х. х. аналогичны. Характеристику короткого замыкания генератора смешанного возбуждения можно снять только при питании параллельной обмотки возбуждения от постороннего источника, если действие последовательной обмотки является встречным, так как при согласном действии обмоток возбуждения возникает недопустимо большой ток короткого замыкания.
Если снять характеристики короткого замыкания при встречном включении последовательной обмотки и при отключении этой обмотки, то можно определить н. с. последовательной обмотки возбуждения в масштабе тока параллельной обмотки возбуждения. Тогда можно построить характеристический треугольник и для случая согласного включения последовательной обмотки возбуждения.
Генератор смешанного возбуждения с согласным включением последовательной обмотки возбуждения имеет самую благоприятную внешнюю характеристику. Его напряжение при надлежащем выборе н. с. последовательной обмотки мало изменяется с изменением нагрузки.
У генератора смешанного возбуждения с встречным включением последовательной обмотки возбуждения действие последней эквивалентно увеличению размагничивающего действия реакции якоря. Вследствие этого с увеличением нагрузки напряжение генератора сильно падает. Поэтому этот генератор применяется редко.
38 Коммутация в машинах постоянного тока
Под коммутацией в машинах постоянного тока понимают процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровождающийся изменением направления тока в секциях. Направления и значения тока коммутируемой (переключаемой) секции в различных ее положениях относительно неподвижной щетки показаны на рис. 9.10.
В результате изменения тока в коммутирующей секции возникает ЭДС самоиндукции eL.
Для увеличения механической прочности щеток их ширину выбирают обычно больше ширины коллекторной пластины. Вследствие этого щеткой замыкаются накоротко и одновременно коммутируются несколько секций. Последнее вызывает в каждой секции ЭДС взаимной индукции еM. Кроме того, в секции возникает ЭДС еv, вызываемая вращением секции в магнитном поле поперечной реакции якоря.
Сумма перечисленных ЭДС невелика. Однако, поскольку секция замкнута щеткой накоротко, это приводит к заметному дополнительному току в замкнутом контуре секции, в результате чего плотность тока под щеткой становится неодинаковой. Под сбегающим краем щетки плотность тока возрастает, что приводит к искрению под щеткой, особенно интенсивному в момент размыкания секции. Если не принять специальных мер для улучшения условий коммутации (уменьшения искрения под щетками), то наиболее ответственная часть машины — коллектор — через непродолжительное время выйдет из строя.
Рис. 9.10. К пояснению явл-я коммутации Рис. 9.11. Полярность гл и доп полюсов
Так как ЭДС ev возникает вследствие вращения якоря в магнитном поле реакции якоря, то для ее уничтожения с помощью МДС дополнительных полюсов должно быть создано магнитное поле, от вращения в котором возникла бы ЭДС, направленная против ev. Учитывая характер изменения результирующего магнитного поля при нагрузке генератора и двигателя с указанными направлениями их вращения (см. рис. 9.8, в), следует сказать: полярность дополнительного полюса генератора должна быть такой же, как последующего за ним по направлению вращения главного полюса (рис. 9.11); полярность дополнительного полюса двигателя должна быть такой же, как предшествующего ему по направлению вращения главного полюса. Выбирая соответствующее значение МДС обмотки дополнительных полюсов, можно скомпенсировать также ЭДС eL и еM.
39 Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока
Частота вращения двигателя постоянного тока
Из уравнения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:
1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,
2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,
3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.
Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря. Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 1, а электромеханические и механические характеристики — на рис. 2, а. 
Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)
Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3.
Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.
Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.
Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.
При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока — уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.
При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2, а и 2, б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.
Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.
Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.
Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.
Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и Uном двигателя.
Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.
Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.
40 Характеристики генератора постоянного тока
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре I, ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n.
Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 34 ; Нарушение авторских прав
Генераторы смешанного возбуждения
Снятие характеристик
Генератор смешанного возбуждения самовозбуждается так же, как и генератор параллельного возбуждения, и их характеристики холостого хода (х. х. х.) аналогичны. Характеристику короткого замыкания генератора смешанного возбуждения можно снять только при питании параллельной обмотки возбуждения от постороннего источника, если действие последовательной обмотки является встречным, так как при согласном действии обмоток возбуждения возникает недопустимо большой ток короткого замыкания.
| Рисунок 1. Построение нагрузочной характеристики генератора смешанного возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника |
Если снять характеристики короткого замыкания при встречном включении последовательной обмотки и при отключении этой обмотки, то можно определить намагничивающую силу последовательной обмотки возбуждения в масштабе тока параллельной обмотки возбуждения. Тогда можно построить характеристический треугольник и для случая согласного включения последовательной обмотки возбуждения.
Снятие внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик генератора смешанного возбуждения производится так же, как и у генератора параллельного возбуждения.
Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения U от тока параллельной обмотки возбуждения, поэтому при согласном включении последовательной обмотки нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения будет расположена выше нагрузочной характеристики генератора независимого или параллельного возбуждения. На рисунке 1 кривая 1 представляет собой нагрузочную характеристику генератора смешанного возбуждения, кривая 2 – х. х. х. и кривая 3 – нагрузочную характеристику генератора независимого или параллельного возбуждения.
На рисунке 1 отрезок 0в равен суммарной намагничивающей силе возбуждения F∑, которая требуется для создания номинального напряжения при номинальном токе якоря, отрезок 0а равен Fв – намагничивающей силе параллельной обмотки и отрезок ав равен Fс – намагничивающей силе последовательной (сериесной) обмотки возбуждения. Катет еж = бв определяет размагничивающее действие реакции якоря Fр.я. в масштабе намагничивающей силы возбуждения. Так как намагничивающие силы Fс и Fр.я. пропорциональны току якоря, можно рассматривать их совместное действие, то есть определить намагничивающую силу F = Fс – Fр.я. = ав – бв = аб = де. В этом случае говорят, что при согласном включении последовательной обмотки ее действие аналогично намагничивающей реакции якоря и характеристический треугольник генератора имеет вид треугольника дег на рисунке 1.
Построение внешней характеристики
Построение внешней характеристики генератора с помощью х. х. х. и характеристического треугольника производится в принципе так же, как и у генератора параллельного возбуждения.
Рисунок 2. Сравнение внешних (а) и регулировочных (б) характеристик генераторов независимого (1), параллельного (2), смешанного возбуждения с согласным (3) и встречным (4) включением последовательной обмотки
На рисунке 2, а и б произведено сопоставление внешних и регулировочных характеристик генераторов различных типов. Генератор смешанного возбуждения с согласным включением последовательной обмотки возбуждения имеет самую благоприятную внешнюю характеристику. Его напряжение при надлежащем выборе намагничивающей силы последовательной обмотки мало изменяется с изменением нагрузки.
У генератора смешанного возбуждения с встречным включением последовательной обмотки возбуждения действие последней эквивалентно увеличению размагничивающего действия реакции якоря. Вследствие этого с увеличением нагрузки напряжение генератора сильно падает. Поэтому этот генератор применяется редко.
Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.
Общие сведения о генераторах постоянного тока
Хотя в промышленности применяется главным образом переменный ток, генераторы постоянного тока широко используются в различных промышленных, транспортных и других установках (для питания электроприводов с широким регулированием скорости вращения, в электролизной промышленности, на судах, тепловозах и так далее). В этих случаях генераторы постоянного тока обычно приводятся во вращение электродвигателями переменного тока, паровыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.
Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
Различаются генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.
Генераторы независимого возбуждения делятся на генераторы с электромагнитным возбуждением (рисунок 1, а), в которых обмотка возбуждения ОВ питается постоянным током от постороннего источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока), и на магнитоэлектрические генераторы с полюсами в виде постоянных магнитов. Генераторы последнего типа изготавливаются только на малые мощности. В данной главе рассматриваются генераторы с электромагнитным возбуждением.
В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения питаются электрической энергией, вырабатываемой в самом генераторе.
Во всех генераторах с электромагнитным возбуждением на возбуждение расходуется 0,3 – 5% номинальной мощности машины. Первая цифра относится к самым мощным машинам, а вторая – к машинам мощностью около 1 кВт.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рисунок 1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рисунок 1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рисунок 1, г).
Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают намагничивающую силу одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть намагничивающей силы возбуждения (65 – 80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.
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)
На рисунке 1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от реостата возбуждения) подключен за последовательной обмоткой возбуждения («длинный шунт»), однако этот конец может быть присоединен и непосредственно к якорю («короткий шунт»). Существенной разницы в этих вариантах соединения нет, так как падение напряжения в последовательной обмотке составляет только 0,2 – 1,0% от Uн и ток iв мал. Обычно применяется соединение, изображенное на рисунке 1, г.
В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения составляет 1 – 5% от номинального тока якоря Iан или тока нагрузки Iн = Iан – iв. В генераторах последовательного возбуждения эти токи равны друг другу: iв = Iа = I и падение напряжения на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет 1 – 5% от Uн. Обмотки возбуждения у генераторов параллельного возбуждения имеют большое число витков малого сечения, а у генераторов последовательного возбуждения – относительно малое число витков большого сечения.
В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока возбуждения включают реостаты Rр.в (рисунок 1, а, б, и г).
Крупные машины постоянного тока работают с независимым возбуждением. Машины малой и средней мощности большей частью имеют параллельное или смешанное возбуждение. Генераторы с последовательным возбуждением менее распространены.
| Рисунок 2. Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения |
Энергетическая диаграмма
Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения представлена на рисунке 2. Получаемая от первичного двигателя механическая мощность P1 за вычетом потерь механических pмх, магнитных pмг и добавочных pд преобразуется в якоре в электромагнитную мощность Pэм. Мощность Pэм частично тратится на электрические потери pэла в цепи якоря (в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной и в переходном сопротивлении щеточного контакта), а остальная часть этой мощности представляет собой полезную мощность P2, отдаваемую потребителям. Потери на возбуждение pв в генераторе независимого возбуждения покрываются за счет постороннего источника тока.
На основании изложенного для генератора независимого возбуждения имеем уравнение мощностей
Можно написать также следующее уравнение мощностей:
Аналогичные энергетические диаграммы можно построить и для других типов генераторов.
Уравнение вращающих моментов
Если все члены уравнения (2) разделить на угловую скорость вращения якоря
то получим уравнение вращающих моментов для установившегося режима работы:
представляет собой приложенный к валу вращающий момент первичного двигателя,
– электромагнитный момент, развиваемый якорем, и
– тормозной момент, соответствующий потерям на трение (Мтр) и магнитным и добавочный потерям (Мс.д), которые покрываются за счет механической мощности.
В неустановившемся режиме, когда скорость вращения изменяется, возникает также так называемый динамический момент вращения
где J – момент инерции вращающихся частей генератора. Динамический момент соответствует изменению кинетической энергии вращающихся масс. При увеличении скорости вращения момент Mдин > 0 и, как и момент M0 + Mэм, являются тормозным. В данном случае кинетическая энергия вращающихся масс увеличивается за счет работы первичного двигателя. Если момент Mдин
Генераторы смешанного возбуждения
Генератор смешанного возбуждения имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения, поэтому он совмещает в себе свойства генераторов обоих типов (рисунок 1 г). Обмотки возбуждения могут включаться согласно или встречно. При согласном включении обмоток возбуждения МДС обоих обмоток направлены в одну сторону и при увеличении нагрузки магнитный поток увеличивается. При встречном включении МДС обмоток направлены встречно и результирующий магнитный поток при увеличении нагрузки уменьшается. Как правило, применяется согласное включение обмоток возбуждения, при этом главную роль играет параллельная обмотка возбуждения. Последовательная обмотка предназначена для компенсации МДС реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря при определенной нагрузке. Этим достигается практически постоянное по величине напряжение генератора в определенных пределах изменения тока нагрузки.
Характеристика холостого хода генератора смешанного возбуждения ничем не отличается от характеристики генератора параллельного возбуждения т.к. на холостом ходу ток в последовательной обмотке равен нулю и генератор работает как параллельный.
Нагрузочные характеристики U=f(Iв) при I=const и n=const (рис. 1 ) имеют аналогичный вид, что и у генератора независимого возбуждения. Однако при согласном включении последовательной обмотки нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения (кривая 2) пойдет выше, чем такая же характеристика генератора независимого или паралельного возбуждения (кривая 3).
Рис. 1 – Нагрузочные характеристики генератора смешанного возбуждения
При достаточно сильной последовательной обмотке возбуждения нагрузочная характеристика может располагаться выше характеристики холостого хода (кривая 1). В последнем случае действие последовательной обмотки возбуждения можно рассматривать как подмагничивающую реакцию якоря.
Внешняя характеристика U=f(I) при rв=const и n=const (рис. 2). Вид характеристики зависит от числа ампер-витков последовательной обмотки возбуждения.
Рис. 2 – Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения
При согласном включении можно рассчитать последовательную обмотку так, чтобы напряжение генератора U при токе Iв было равно номинальному напряжению Uн, т.е. в этом режиме МДС последовательной обмотки полностью компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря. Поэтому у такого генератора по мере увеличения тока нагрузки напряжение на зажимах изменяется незначительно (кривая 1).
Для поддержания постоянного напряжения на зажимах приемников электроэнергии необходимо скомпенсировать еще и падение напряжения в линии электропередачи, действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря. В этом случае усиливают последовательную обмотку и внешняя характеристика такого перекомпаундированного генератора будет иметь вид кривой 2. Если обмотки возбуждения включены встречно, то напряжение генератора при росте нагрузки будет резко падать (кривая 3). Генератор называют в этом случае противокомпаундным. Такое включение используют в сварочных генераторах. Для сравнения на рисунке 2.12 дана характеристика генератора параллельного возбуждения (кривая 4).
Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const и n=const (рис. 3). Для нормально-компаундированного генератора (кривая 1) ток возбуждения в параллельной обмотке при изменении нагрузки от I=0 до I=Iн должен изменяться незначительно, т.к. размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря компенсируется последовательной обмоткой.
Рис. 3 – Регулировочные характеристики генератора смешанного возбуждения
В перекомпаундированном генераторе (кривая 2) при росте нагрузки необходимо даже снижать ток возбуждения, т.к. в таком генераторе с ростом нагрузки поток будет увеличиваться за счет увеличения МДС последовательной обмотки.
В противокомпаундном генераторе для поддержания U=const с ростом нагрузки необходимо резко увеличивать ток возбуждения Iв в параллельной обмотке (кривая 3). Для сравнения на рис.3, показана регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения (кривая 4).
Характеристика короткого замыкания. Эта характеристика может быть снята только при питании параллельной обмотки возбуждения от постороннего источника питания и при встречном включении последовательной обмотки, т.к. при согласном включении возникает недопустимо большой ток короткого замыкания. Если затем снять характеристику короткого замыкания с отключенной последовательной обмоткой, то можно определить МДС этой обмотки и теоретически построить характеристику короткого замыкания для случая согласного включения обмоток.
