• Радиаторы
• Отопление
• Газоснабжение
• Газопровод
• Водопровод

Генераторы постоянного тока и способы их возбуждения. Вольдек. Электрические машины

Принцип работы генератора основан на явлении элек­тромагнитной индукции. Если рамка с активными про­водниками аb и сd (рис. 3.1, а) вращается в поле постоян­ных магнитов NS, то согласно закону электромагнитной индукции в проводниках аb и cd возникает ЭДС:

где В - индукция магнитного поля;

1 - длина активного проводника;

V - окружная скорость движения проводника;

sin α - угол между направлением магнитных силовых линий и направлением движе­ния проводника в рассматриваемый момент времени.

Рис. 3.1. Принцип действия генератора постоянного тока

Если концы проводников подключить к кольцам и от них через щетки 1 и 2 питать цепь нагрузки лампы Rн, то при замыкании рубильника Р по цепи потечет ток I Н, так­же изменяющийся по синусоидальному закону, т.е. пере­менный ток. Для выпрямления этой переменной ЭДС под­ключим проводники аb и cd не к кольцам, а к полу­кольцам (рис. 3.1, б). Щетки 1 и 2 установлены таким обра­зом, что переходят с одного полукольца на другое в мо­мент, когда в проводниках рамки ЭДС отсутствует (рамка повернута на 90° относительно продольной оси полюсов, т.е. расположена по поперечной оси полюсов). В этом слу­чае к щеткам 1 и 2 подводится ЭДС одного направления в течение полного оборота рамки, хотя в самих проводниках аb и cd ЭДС по-прежнему является переменной.

Под действием ЭДС одного направления по цепи нагруз­ки потечет ток 1 В, одного направления, но пульсирующий. Щетка 2, от которой ток оттекает во внешнюю цепь (на­грузки), считается положительной («плюсовой»), а щетка 1, к которой притекает ток, - отрицательной («минусовой»).

Таким образом, применение полуколец вместо колец позволило получить в цепи нагрузки ток одного направ­ления, хотя в проводниках рамки возникает переменная ЭДС, т.е. полукольца являются механическим выпрями­телем. Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного тока и получить большое значение ЭДС на щетках 1 и 2 ге­нератора постоянного тока, применяется большое число пластин, располагаемых на коллекторе, и большое число активных проводников якоря.

В реальных генераторах постоянного тока магнитное по­ле создается не постоянными магнитами, а обмотками возбуждения, расположенными на сердечниках полюсов. Магнитное поле с потоком Ф (рис. 3.2) создается за счет протекания тока Iв, в обмотке возбуждения W В. В подвагонных генераторах обмотка включа­ется параллельно обмотке якоря Я - к щеткам 1 и 2.

Рис.3.2. Электрическая схема генератора постоянного тока

с параллельным возбуждением

За счет остаточной намагни­ченности сердечников полюсов в генераторе всегда имеется неболь­шое по величине магнитное поле (магнитный поток). При движении вагона якорь вращается в этом слабом магнитном поле. Под дей­ствием его в проводниках обмотки якоря возникает ЭДС, так что на щетках появляется небольшая выпрямленная коллектором ЭДС, под действием которой по обмот­ке возбуждения потечет ток возбуждения. Ток возбужде­ния вызовет появление магнитного потока, который име­ет большее значение, чем поток остаточного магнетизма, следовательно, на щетках возникает ЭДС большей вели­чины: Е=С Е nФ, где С Е - конструктивный коэффициент генератора; n - частота вращения якоря, об/мин; Ф -магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения.

Большая ЭДС вызовет увеличение тока возбуждения (по закону Ома I В = Е/r В, где r В - сопротивление обмотки воз­буждения, что приведет к дальнейшему возрастанию ЭДС и т.д. Происходит самовозбуждение генератора. При замы­кании рубильника Р под действием ЭДС через резистор Rн потечет ток нагрузки, который вызовет падение напряже­ния на сопротивлении r В обмотки якоря, равное I r Я. Зна­чит, напряжение и на щетках 1 и 2 будет меньше ЭДС на величину этого падения напряжения, т.е.

U = Е – I r Я, или U = С Е nФ - I r Я.

Из последней формулы следует, что напряжение за­висит от частоты вращения генератора, т.е. скорости движения вагона; от магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения, который в свою очередь зави­сит от тока возбуждения; от тока нагрузки генератора (чем больше ток нагрузки, тем меньше напряжение).

1. Общие сведения

Генераторы постоянного тока используют в энергетических ус­тановках в качестве источников электрической энергии. При ра­боте генератора его якорь приводится во вращение приводным двигателем, а в обмотку возбуждения подается постоянный ток для создания основного магнитного потока. В результате в обмот­ке якоря генератора индуктируется ЭДС Е=С w Ф и к его выводам может быть подключен потребитель элект­рической энергии (нагрузка).

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения раз­нимают генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуж­дением.

У генератора с независимым возбуждением обмотка возбужде­ния, расположенная на главных полюсах, питается током 1 В от по­стороннего источника постоянного тока, не имеющего электри­ческой связи с обмоткой якоря. Генераторы малой мощности могут иметь независимое возбуждение от постоянных магнитов. В генераторе с самовозбуждением питание обмотки возбужде­ния осуществляется с выводов цепи якоря генератора. В зависи­мости от схемы подключения обмотки возбуждения различают ге­нераторы с параллельным, последовательным и смешанным воз­буждением. У генераторов с параллельным возбуждением обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря и нагрузке; с последовательным возбуждением - последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой. У генераторов со смешанным возбуждением на главных полюсах размещены две обмотки возбуждения, по кото­рым протекают токи возбуждения 1 В и I в2 . Одну из них подключа­ют параллельно обмотке якоря, а другую - последовательно с ней.

На электромагнитное возбуждение генераторов расходуется 0,3...5 % их номинальной мощности. Независимое возбуждение используют в генераторах большой мощности, а также в низко­вольтных генераторах. Схему последовательного возбуждения в генераторах практически не применяют. Принципиальные элект­рические схемы генераторов постоянного тока с разными систе­мами возбуждения приведены на рисунке 4.1. Обозначения начала и конца обмоток по ГОСТу: обмотка якоря - Я1, Я2; обмотка до­бавочных полюсов -Д1, Д2; компенсационная обмотка - K 1, К2; обмотка возбуждения независимая - M 1, М2; обмотка возбужде­ния параллельная (шунтовая) - Ш1, Ш2; обмотка возбуждения последовательная (сериесная) - CI , С2.

В режиме холостого хода генератора к его валу приложен не­значительный момент первичного двигателя М 1 преодолевающий момент генератора М 0 , обусловленный тормозными моментами, возникающими при его работе от сил трения, вихревых токов в

якоре и других электромагнитных явлений. При подключении к выводам цепи якоря сопротивления нагрузки R H в обмотке якоря будет протекать ток I, от взаимодействия которого с магнитным нолем возбуждения создается тормозной электромагнитный мо­мент М=СФ I , также преодолеваемый первичным двигателем. Полный энергетический баланс в генераторе с самовозбуждением может быть представлен как

где - вентиляционные и механические потери мощности на трение; - магнитные потери (на гистерезис и вихревые токи); - добавочные потери; - потери мощности на возбуждение.

Коэффициент полезного действия генератора представляет со­бой отношение полезной мощности Р 2 , отдаваемой генератором нагрузке, к механической мощности Р 1 , подводимой к генератору,

где - сумма потерь мощности.

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают, независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (рис 6-10, а) Напряжение на зажимах такого генератора (кривая 1 на рис 6-11) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн)

Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (рис. 6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь,

вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение па зажимах генератора UH уменьшается несколько быстрее (кривая 2 на рис. 6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания.

Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (рис. 6-10, е). При отсутствии нагрузки в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3 на рис. 6- 11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря.

Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: ОВ, - включаемую параллельно якорю, (дополнительную) - последовательно (рис. 6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.

§ 111. Способы возбуждения генераторов постоянного тока

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения для современных генераторов постоянного тока применяется независимое возбуждение магнитного потока и самовозбуждение.
При независимом возбуждении (рис. 154, а) обмотка возбуждения соединяется с вспомогательным источником энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения I в в цепи обмотки включается сопротивление r p . При таком возбуждении ток I в не зависит от тока в якоре I я.

Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Несмотря на то, что этот источник обычно имеет малую мощность (несколько процентов мощности генераторов), необходимость в нем является большим неудобством и поэтому генераторы независимого возбуждения находят ограниченное применение в специальных установках (ГД) и в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.
Генераторы с самовозбуждением имеют более широкое применение. В зависимости от соединения обмотки возбуждения они могут быть параллельного (рис. 154, б), последовательного (рис. 154, в) и смешанного (рис. 154, г) возбуждения.
У генераторов параллельного возбуждения ток I в мал (несколько процентов номинального тока якоря), а обмотка возбуждения имеет большое число витков. При последовательном возбуждении током возбуждения служит ток якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.
При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещается две обмотки возбуждения - параллельная и последовательная.
Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения, получившего наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, в магнитной цепи (ярмо и сердечники полюсов) которого сохранился небольшой остаточный магнитный поток Φ ост. Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется э. д. с. Е ост, составляющая несколько процентов номинального напряжения машины.
Под действием э. д. с. Е ост в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, протекает ток I в. Намагничивающая сила обмотки возбуждения I в ω в (ω в - число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Φ m , что вызывает увеличение как э. д. с. в обмотке якоря Е , так и тока в обмотке возбуждения I в. Увеличение последнего вызывает дальнейшее увеличение Φ m , что в свою очередь увеличивает Е и I в.
Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от скорости вращения якоря машины и сопротивления цепи обмотки возбуждения. При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается. Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается э. д. с. и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Изменение скорости вращения якоря генератора вызывает изменение э. д. с., которая пропорциональна скорости, вследствие чего изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Самовозбуждение генератора происходит лишь при определенных условиях, которые сводятся к следующим.
1. Наличие потока остаточного магнетизма. При отсутствии этого потока не создается э. д. с. Е ост, под действием которой в обмотке возбуждения начинает протекать ток, так что возбуждение генератора будет невозможным. Если машина размагничена и не имеет остаточного намагничивания, то по обмотке возбуждения надо пропустить постоянный ток от какого-либо постороннего источника электрической энергии. После отключения обмотки возбуждения в машине сохранится остаточный магнитный поток.
2. Обмотка возбуждения должна быть включена так, чтобы намагничивающая сила этой обмотки увеличивала поток остаточного магнетизма.
При встречном включении обмотки возбуждения ее намагничивающая сила будет уменьшать остаточный магнитный поток и при длительной работе может полностью размагнитить машину. В этом случае в обмотке возбуждения необходимо изменить направление тока, т. е. поменять местами провода, подходящие к ее зажимам.
3. Сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть не чрезмерно большим; при очень большом сопротивлении цепи возбуждения самовозбуждение генератора невозможно.
4. Сопротивление внешней нагрузки должно быть относительно велико, так как при малом сопротивлении ток возбуждения будет также мал и самовозбуждения происходить не будет.

Глава девятая ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 9-1. 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 т. д.). 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 (рис. 9-1, 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 изготовляются 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 кет.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа включения обмоток возбуждения делятся на 1) генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые (рис. 9-1, б), 2) генераторы последовательного возбуждения, или сериесные (рис. 9-1, в), и 3) генераторы смешанного возбуждения, или компаундные (рис. 9-1, г).

Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Если эти обмотки создают н. с. одинакового направления, то их включение называется согласным; в противном случае соединение обмоток возбуждения называется встречным. Обычно применяется согласное включение обмоток возбуждения, причем основная часть н. с. возбуждения (65-80%) создается параллельной обмоткой возбуждения.

Рис. 9-1. Схемы генераторов и двигателей независимого (а), параллельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения (сплошные стрелки - направления токов в режиме генератора, штриховые стрелки - в режиме двигателя)

На рис. 9-1, г конец параллельной обмотки возбуждения (от реостата возбуждения) приключен 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 U u и ток i B мал. Обычно применяется соединение, изображенное на рис. 9-1, г-

В генераторе параллельного возбуждения ток возбуждения составляет 1-5% от номинального тока якоря / он или тока на- г Р>зки / н = l aa - i B . В генераторах последовательного возбуждения эти токи равны друг другу; t B = 1 а = I и падение напряжения

на обмотке возбуждения при номинальной нагрузке составляет 1-5% от . Тогда при неизменном токе нагрузки ток 1 аХ уменьшится. Если э. д. с. Е а1 остается постоянной, то разность Е а1 - / о1 /? а1 не будет уже равна прежнему значению напряжения на шинах и U увеличится. Поэтому для поддержания U = const одновременно с увеличением Е а2 нужно уменьшать Е а1 , Изменение Е а1 и Е аг возможно двояким путем: изменением тока возбуждения t B или скорости вращения п. В обоих случаях генератор и е го первичный двигатель изменят свою мощность. В эксплуатационных условиях обычно изменяют ток возбуждения, В этом случае первичный двигатель работает на своей естественной характеристике п = f (P). При изменении нагрузки двигателя его скорость

также изменится и его регулятор в случае использования теплового или гидравлического двигателя изменит подачу топлива, пара или воды в двигатель.

Таким образом, если желательно, например, генератор / разгрузить и передать его нагрузку на генератор 2, то поступают следующим образом: уменьшают i Bl (или nj и одновременно увеличивают t B2 (или п 2) до тех пор, пока не будет 1 Х = 0. После этого генератор / можно отключить от сети. Если бы ток / в1 был уменьшен слишком сильно, то возникло бы положение, при котором Е а1 < U. При этом 1 а1 и / х изменили бы свой знак [см. уравнение (9-16)], т. е. свое направление. При этом генератор / стал бы работать

в режиме двигателя, потребляя энергию от генератора 2. Для теплового или гидравлического первичного двигателя такой режим недопустим, так как может вызвать аварию двигателя. Необходимо иметь в виду, что

Рис. 9-21. Параллельная работа генераторов в режиме внешних характеристик

вследствие малости R al и R a2 даже малые изменения токов г в1 и i B2 способны вызвать большие изменения токов генераторов, так как, согласно уравнению (9-16), изменения Е а1 и Е аг при U = const должны компенсироваться изменениями I a iR a i и / О2 # в2 . Поэтому регулирование токов возбуждения генераторов должно производиться осторожно и достаточно плавно. В условиях эксплуатации напряжение U часто регулируется автоматическими регуляторами токов возбуждения генераторов. При этом характеристики регуляторов подбираются таким образом, чтобы обеспечить правильное распределение нагрузок между генераторами.

Если генвраторы работают параллельно без регулирования токов возбуждения, то распределение нагрузок между ними зависит от вида их внешних характеристик. Пусть, например, внешние характеристики двух генераторов одинаковой мощности 1 и 2 изображаются кривыми У и 2 на рис. 9-21. Если генераторы включены на параллельную работу при холостом ходе, то эти характеристики исходят из одной точки U o на оси ординат. Если затем подключить к генераторам некоторую нагрузку, то напряжение упадет до некоторого значения U, общего для обоих генераторов. При этом генератор 1, имеющий более «мягкую» внешнюю характеристику, будет нагружаться меньшим током (1^, чем генератор 2 (/ 2), имеющий более «жесткую» характеристику. Зависимость U от общего тока нагрузки / - Ii + I 2 изобразится на рис. 9-21 в виде кривой 3,

Если мощности генераторов 1 и 2 различны, то более правильно о распределении нагрузки между ними можно судить, если начертить характеристики / и 2 на рис. 9-21 в функции относительных токов:

При совпадении таких характеристик обоих генераторов распределение нагрузок между ними происходит пропорционально их номинальным мощностям, что является наиболее выгодным.

При трех и более параллельно работающих генераторах также имеют место описанные выше явления, и анализ их работы можно произвести аналогичным образом.

Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения. Упрощенная схема параллельной работы двух генераторов смешанного возбуждения с согласным включением последовательных обмоток изображена на рис. 9-22.

Если показанный на рис. 9-22 уравнительный провод аб отсутствует, то устойчивая параллельная работа невозможна. Действительно, пусть при отсутствии этого провода ток 1 г первого генератора по какой-либо случайной

причине (например, вследствие увеличения скорости вращения генератора) несколько увеличился. Тогда действие последовательной обмотки возбуждения этого генератора усилится, его э. д. с. Е а1 возрастет, что вызовет дальнейшее увеличение / 1(и т. д. Одновременно ток / 2 и э. д. с.Е а2 второго генератора будут беспрерывно уменьшаться. В результате возможна значительная перегрузка генератора 1, а генератор 2 разгрузится и даже может перейти в двигательный режим.

При наличии уравнительного провода аб параллельная работа будет протекать нормально, так как случайное приращение тока якоря одного генератора распределителя между последовательными обмотками возбуждения обоих генераторов и вызовет увеличение э. д. с. обоих генераторов.

Можно также перекрестить последовательные обмотки возбуждения обоих генераторов: обмотку генератора / включить последовательно в цепь якоря генератора 2 и наоборот.

Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения со встречным включением последовательных обмоток происходит бе з подобных затруднений.

Рис. 9-22. Схема параллельной работы генераторов смешанного возбуждения с согласным включением последовательных обмоток