Генераторы с самовозбуждением

 

Самовозбуждение генераторов (см. рис. 8.1, б,в,г) произойдет при выполнении следующих условий:

1. Машина имеет остаточный магнитный поток.

2. Ток в обмотке возбуждения течет в таком направлении, что создаваемый им поток D Ф совпадает с остаточным потоком увеличивая результирующее поле в зазоре.

3. Сопротивление цепи возбуждения машины меньше критического.

Для самовозбуждения достаточно, чтобы остаточный поток составлял 2–3 % от номинального. Магнитный поток такого значения практически всегда имеется в уже работавшей машине. Вновь изготовленную машину или машину, которая по каким-либо причинам размагнитилась, необходимо намагнитить, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

При соблюдении необходимых условий процесс самовозбуждения протекает следующим образом.

Небольшая ЭДС, индуктируемая в якоре остаточным магнитным потоком, создает в обмотке возбуждения малый ток . Ток увеличивает поток полюсов, а следовательно, и ЭДС, которая обусловливает дальнейшее увеличение   и т. д. Такой лавинообразный процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока напряжение генератора не достигнет установившегося значения.

Если подключение концов обмотки возбуждения или направление вращения якоря неправильны, то потечет ток  обратного направления, вызывающий ослабление остаточного потока и уменьшение ЭДС до нуля, вследствие чего самовозбуждение невозможно.

Понятие о критическом сопротивлении можно получить из следующих рассуждений.

Для машины, находящейся в процессе самовозбуждения, справедливо уравнение

,                                     (8.16)

где  - напряжение на зажимах обмоток якоря и полюсов, меняющееся по характеристике холостого хода (кривая ОКА, рис. 8.10); падение напряжения на сопротивлении обмотки возбуждения, возрастающее по мере увеличения тока по прямой ОА (рис. 8.10), так как сопротивление обмотки ;

 - ЭДС самоиндукции обмотки полюсов, индуктируемая

в результате нарастания тока возбуждения.

Из уравнения (8.16) ЭДС самоиндукции:

 

                                                                   (8.I7)

 

и для некоторого значения тока  соответствует отрезку МК. Процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор, пока  > 0 и закончится при .

При данных значениях  и частоты вращения якоря машина будет устойчиво работать с напряжением в точке пересечения прямой с характеристикой холостого хода. Прямая наклонена к оси абсцисс под углом a, тангенс которого из треугольника ОАВ

 

,                                 (8.18)

 

где  соответственно масштабы тока и сопротивления.

С изменением сопротивления  угол наклона прямой ОА меняется и при некотором сопротивлении  прямая ОА становится касательной к начальной части характеристики холостого хода.

Это сопротивление  и называют критическим: дальнейшее увеличение сопротивления цепи возбуждения исключает наличие общих точек прямой  и кривой характеристики холостого хода, а вместе с этим и возможность самовозбуждения.

Если скорость вращения увеличить, то характеристика холостого хода поднимется выше (пунктирная кривая, рис. 8.10), самовозбуждение окажется возможным и машина будет устойчиво работать в точке N.

Характеристики генераторов параллельного возбуждения. Характеристика холостого хода  при  и  при параллельном возбуждении может быть снята только при одном направлении тока (рис. 8.11), регулируя его реостатом в цепи возбуждения (см. рис. 8.1, б). Попытка изменить направление тока возбуждения после уменьшения его до нуля приводит к размагничиванию машины (к уничтожению остаточной намагниченности) и исключению самовозбуждения. Так как ток  мал, то  и характер кривой характеристики холостого хода у генератора параллельного возбуждения будет таким же, как и у генератора с независимым возбуждением.

 Характеристика короткого замыкания  при  и  для генератора параллельного возбуждения может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника, как и для генератора независимого возбуждения, так как при самовозбуждении при  также равен нулю.

Внешнюю характеристику  генератора снимают при  и , то есть без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы.

У генераторов параллельного возбуждения в дополнение к двум факторам снижения напряжения, указанным для генераторов независимого возбуждения, действует третий - уменьшение напряжения на зажимах обмотки возбуждения. Вследствие этого кривая внешней характеристики более крутая (рис. 8.12).При некотором значении тока нагрузки  падение напряжения  в обмотке якоря становится настолько большим, что ток возбуждения  оказывается меньшим, чем это необходимо для поддержания заданного напряжения U, а вместе с ним и тока . Машина переходит работать на прямолинейный участок кривой намагничивания, и напряжение на ее зажимах снижается до значения, определяемого потоком остаточной намагниченности. ЭДС остаточной намагниченности определяет и величину тока короткого замыкания. Установившееся значение тока короткого замыкания

(8.19)

значительно меньше, чем у генераторов независимого возбуждения.

 В переходных режимах эти токи значительно выше приведенных.

Регулировочную  при и  и   нагрузочную   при  и  характеристики снимают также как и у генератора независимого возбуждения. Поскольку  и  малы, то мало и  их влияние на падение напряжения в цепи якоря. Поэтому указанные  характеристики получаются практически такими же, как и у генераторов независимого возбуждения.

Характеристики генератора параллельного возбуждения мало отличаются от характеристик генератора независимого возбуждения, кроме внешней.

 В  генераторах последовательного возбуждения  и при  имеются только две независимые переменные: U и I. Вследствие этого генератор имеет только одну характеристику - внешнюю  при .

С увеличением тока I растут магнитный поток Ф и ЭДС Е. Поэтому по (8.13) с ростом тока I напряжение U растет практически линейно, при достижении насыщения рост U замедляется. При весьма больших токах I напряжение уменьшится, вследствие большой реакции якоря и большого падения напряжения  (рис.8.13).

Значительное изменение напряжения при изменении нагрузки приводит  к непригодности  этого генератора для большинства потребителей.

Генератор смешанного возбуждения при холостом ходе аналогичен генератору параллельного возбуждения, поскольку при  ток и магнитный поток последовательной обмотки равны нулю.

  Характеристика холостого хода этого генератора повторяет такую характеристику генератора параллельного возбуждения.

  Характеристику короткого замыкания можно снять при питании параллельной обмотки от постороннего источника при встречном включении обмотки последовательного возбуждения. При согласном включении обмоток ток короткого замыкания велик уже при остаточном магнитном потоке и .

Нагрузочная характеристика представляет зависимость напряжения от тока параллельной обмотки возбуждения: . При согласном включении последовательной обмотки ее МДС усиливает магнитное поле и нагрузочная характеристика проходит выше, чем в генераторах независимого и параллельного возбуждения. Встречное включение обмоток возбуждения влечет за собой уменьшение результирующего потока в зазоре машины и уменьшает напряжение на зажимах генератора.

Характеристика проходит ниже таковой генераторов других видов возбуждения. На рис. 8.14 представлены кривые: 1 - нагрузочная характеристика генератора смешанного возбуждения при согласном соединении обмоток; 2- характеристика холостого хода; 3 - нагрузочная характеристика генератора независимого или параллельного возбуждения.

Сопоставление внешних и регулировочных характеристик генераторов различных типов представлено на рис. 8.15. При надлежащем выборе МДС последовательной обмотки и согласном ее включении напряжение на зажимах генератора мало изменяется с изменением нагрузки (кривая 1) и можно добиться практически неизменного напряжения на выходе генератора правильным выбором количества витков последовательной обмотки.

При встречном включении последовательной обмотки возбуждения ее действие эквивалентно размагничивающему действию реакции якоря. С увеличением нагрузки напряжение на зажимах якоря падает (кривая 2).

 Встречное включение последовательной и параллельной обмоток 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.