Условие самовозбуждения машин постоянного тока

В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 19.2, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбу-

ждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины

На рис. 19.2, б представлена структурная схема автоматиче­ской системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобра­зователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток пода­ется в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразо­вателем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряже­ния на выходе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты БЗ, обеспечивающий защиту обмотки возбуждения и ти-ристорного преобразователя ТП от перенапряжений и токовой пе­регрузки.

В современных синхронных двигателях для возбуждения применяют тиристорные возбудительные устройства, включае­мые в сеть переменного тока и осуществляющие автоматическое управление током возбуждения во всевозможных режимах работы двигателя, в том числе и переходных. Такой способ возбуждения является наиболее надежным и экономичным, так как КПД ти-ристорных возбудительных устройств выше, чем у генераторов постоянного тока. Промышленностью выпускаются тиристорные возбудительные устройства на различные напряжения возбужде­ния с допустимым значением постоянного тока 320 А.

Наибольшее распространение в современных сериях синхрон­ных двигателей получили возбудительные тиристорные устройст­ва типов ТЕ8-320/48 (напряжение возбуждения 48 В) и ТЕ8-320/75 (напряжение возбуждения 75 В).

Условия самовозбуждения:

1. Наличие остаточного магнитного поля на полюсах машины;

2. Определенная полярность подключения обмотки возбуждения к обмотке якоря;

3. Заданное сопротивление обмотки возбуждения:

21. Реакция якоря в машинах постоянного тока.

При работе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря прак­тически отсутствует, а поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения.Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рис. 26.4, а). График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представ­ляет собой кривую, близкую к трапеции.

Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря Р_а. До­пустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рис. 26.4, б. Из этого рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то что якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки яко­ря остается неизменным, так как направление этой МДС опреде­ляется положением щеток.

Наибольшее значение МДС якоря — на линии щеток (рис. 26.4, б, кривая 7), а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение магнитной индукции в зазоре от потока якоря сов­падает с графиком МДС лишь в пределах полюсных наконечни­ков. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко ос­лабляется (рис. 26.4, б, кривая 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном про­странстве. МДС обмотки якоря на пару полюсов пропорциональна числу проводников в обмотке N и току якоря 1_а:

Введем понятие линейной нагрузки (А/м), представляющей со­бой суммарный ток якоря, приходящийся на единицу длины его окружности по наружному диаметру якоря О_а:

Таким образом, в нагру­женной машине постоянного тока действуют две МДС: возбужде­ния Р_м и якоря Р_а.

Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины на­зывают реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле

машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.

На рис. 26.4, в показано распределение магнитных силовых линий результирующего поля машины, работающей в генератор­ном режиме при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий соответствует работе машины в режиме двигателя, но при вращении якоря против часовой стрел­ки. Если принять, что магнитная система машины не насыще­на, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий маг­нитный поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря сов­падает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом резуль­тирующий магнитный поток как бы поворачивается поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся под ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря сов­падает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом резуль­тирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль тт' (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали пп' на угол а. Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искаже­ние результирующего поля, а следовательно, тем больше угол смещения физической нейтрали. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе двигателем — против вращения якоря.

Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физиче­ской нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может послу­жить причиной усиления искрения на коллекторе Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рис. 26.4, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кривых, изображенных на рис. 26.4, а, б. Из этого графика сле­дует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется несимметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в момен­ты попадания их пазовых сторон в зоны максимальных значе­ний магнитной индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) резко повышаются. В результате возрастает на­пряжение между смежными коллекторными пластинами Ц_к. При значительных нагрузках машины напряжение и_к может превзойти допустимые пределы (см. § 25.5) и миканитовая про­кладка между смежными пластинами будет перекрыта электри­ческой дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита бу­дут способствовать развитию электрической дуги, что приведет к возникновению

мощной электрической дуги, перекрывающей весь коллектор или или значительную его часть, — явления чрез­вычайно опасного

Рис. 26.5. Разложение МДС обмотки якоря на продольную и поперечную составляющие

Таковы последствия влияния реакции якоря на машину с не­насыщенной магнитной системой. Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у большинства электриче­ских машин, то подмагничивание одного края полюсного нако­нечника и находящегося под ним зубцового слоя якоря происхо­дит в меньшей степени, чем размагничивание другого края и

находящегося под ним

зубцового слоя якоря. Это благоприятно ска­зывается на распреде­лении магнитной ин­дукции в зазоре, кото­рое становится более равномерным, так как максимальное значение индукции под подмагничиваемым краем полюсного наконеч­ника уменьшается на величину, определяе­мую высотой участка 1 на рис. 26.4, в. Однако результирующий магнитный поток машины при этом уменьшается. Таким образом, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину (так же как и у синхронной машины при активной на­грузке). В результате ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вра­щающий момент.