Режимы работы машины постоянного тока

Ранее было показано, что если машина работает в режиме генератора, то ЭДС Е и ток I в генераторе совпадают по направлению, в режиме двигателя — направлены навстречу друг другу. Используя эквивалентные схемы, представленные на рисунках 7.1.2 и 7.1.4, эти условия можно раскрыть в иной форме.

Для генераторного режима можно написать:

где R₀ — сопротивление якоря.

Это выражение можно переписать следующим образом:

т.е. Е > U — условие генераторного режима.

Для двигательного режима получим аналогично:

т.е. U> Е — условие двигательного режима.

Если же U = E, то тока в якоре не будет, и это условие соответствует режиму холостого хода машины.

ГЕНЕРАТОР С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Этот генератор (рис. 7.11.1) получил наибольшее распространение.

Рис. 7.11.1.

Обмотка возбуждения и реостат R, для изменения тока возбуждения присоединяются к зажимам якоря.

Самовозбуждение генератора возможно при наличии остаточной магнитной индукции в магнитной цепи машины (статоре). Эта остаточная магнитная индукция длительное время сохраняется в машине после заводских испытаний.

Когда первичный двигатель вращает якорь генератора, его проводники пересекают силовые линии остаточного магнитного поля Ф₀. В проводниках индуцируется небольшая ЭДС Е₀, которая создает небольшой ток в обмотке возбуждения. Этот ток, в свою очередь, создает магнитный поток Ф, который при согласованном включении обмотки усиливает поле возбуждения, что ведет к увеличению ЭДС якоря и дальнейшему усилению поля. Однако вследствие влияния насыщения стали магнитопровода при увеличении тока рост поля возбуждения замедляется. Замедляется, а затем и полностью прекращается увеличение ЭДС генератора.

Рассмотрим этот процесс более подробно. В процессе возбуждения генератора ток возбуждения непрерывно возрастает, что ведет к образованию ЭДС самоиндукции:

где L, — коэффициент индуктивности цепи возбуждения.

Следовательно, ЭДС е генератора будет уравновешивать не только падение напряжения в цепи возбуждения, но и ЭДС самоиндукции (e_L=-u_L), T.e.

где u"=i_BR_B-, u_t—e_L=L^- R_B — общее сопротивление об;

dt

моток возбуждения, якоря, регулировочного реостата и переходного контакта на коллекторе.

Процесс возбуждения закончится, когда ток в цепи возбуждения достигнет постоянной величины, т. е. исчезнет ЭДС самоиндукции. В этом случае ЭДС генератора уравновешивает только падение напряжения в цепи возбуждения генератора:

Окончание процесса возбуждения на рисунке 7.11.2 отмечено точкой А.

Рис. 7.11.2.

Положение точки А определяется пересечением кривой ЭДС холостого хода генератора с прямой 1, определяющей падение напряжения в цепи возбуждения генератора (вольт-амперная характеристика). Угол наклона этой характеристики пропорционален сопротивлению цепи возбуждения:

Изменяя сопротивление цепи регулировочным реостатом, можно изменять положение точки А. С увеличением сопротивления реостата угол наклона характеристики возрастает и точка А смещается влево — напряжение на зажимах машины уменьшается. Когда, наконец, вольт-амперная характеристика совпадет с прямолинейной частью характеристики ЭДС холостого хода генератора (прямая 2), тогда сопротивление цепи возбуждения достигнет критического значения a,_f. При критическом значении сопротивления напряжение на зажимах машины неустойчиво и практически не превышает ЭДС от потока остаточного намагничивания.

Таким образом, можно сформулировать три условия самовозбуждения генератора:

• 1) наличие остаточной магнитной индукции;
• 2) согласованное включение обмотки возбуждения;
• 3) сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического.

Самовозбуждение генератора осуществляют до включения нагрузки на генератор. При номинальном напряжении ток возбуждения у генераторов большой и средней мощностей обычно составляет 2…3% от номинального. У генераторов малой мощности ток возбуждения имеет большее значение. Зависимость ЭДС Е от тока возбуждения при отсутствии тока /" нагрузки и постоянной скорости вращения п называется характеристикой холостого хода (рис. 7.11.3):

Рис. 7.11.3.

Так как ЭДС пропорциональна магнитному потоку, то в другом масштабе характеристика холостого хода совпадает по форме с основной кривой намагничивания. Характеристика холостого хода снимается при плавном увеличении тока возбуждения от нуля до некоторого значения, при котором напряжение генератора достигнет 1,2 U"(U_M — номинальное значение напряжения).

При отсутствии тока возбуждения наводимая в якоре полем остаточного намагничивания машины небольшая ЭДС получила название остаточной ЭДС Е₀. Она составляет 2…3% от номинального напряжения машины.

При нагрузке генератора изменяется напряжение U на его зажимах. Зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки называется внешней характеристикой генератора. Ее снимают при постоянном числе оборотов генератора (л = const) и постоянном сопротивлении цепи возбуждения (Я, = const).

Характеристику снимают при постоянном увеличении тока нагрузки /_и от 0 до 1,2 /_иом. Построенная по результатам измерений внешняя характеристика (рис. 7.11.4) показывает, что напряжение на зажимах генератора постепенно понижается с ростом тока нагрузки.

Рис. 7.11.4.

Снижение напряжения при номинальной нагрузке у генераторов без компенсационной обмотки составляет 5… 15% от ?_и. Это объясняется тем, что с увеличением тока нагрузки увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины.

Внутреннее сопротивление генератора включает в себя, кроме сопротивления обмотки якоря, сопротивление скользящих контактов и сопротивление обмотки дополнительных полюсов (если она имеется):

Исходя из написанного уравнения эта характеристика должна быть линейной, однако с ростом тока нагрузки /_н ЭДС Е генератора вследствие реакции якоря уменьшается. Уменьшается ЭДС и с уменьшением тока возбуждения вследствие уменьшения напряжения, что ведет к еще большему уменьшению напряжения на зажимах генератора. Поэтому внешняя характеристика имеет вид падающей кривой.

При дальнейшем увеличении нагрузки (уменьшении сопротивления нагрузки) наступает такой момент, когда ток нагрузки, достигнув максимального значения /_м, начинает уменьшаться (см. рис. 7.11.4). Это объясняется тем, что уменьшение напряжения происходит более интенсивно, чем уменьшение сопротивления нагрузки.

Когда сопротивление нагрузки R достигнет нулевого значения (R = 0), что соответствует короткому замыканию генератора, то напряжение на его зажимах будет равно нулю (U= 0). Ток возбуждения тоже будет равен нулю, однако ток в цепи нагрузки сохранится. Этот ток называется током короткого замыкания генератора 1_п. Вызывается этот ток действием ЭДС, создаваемой остаточным магнит;

Е

ным потоком (7^ =——). Обычно ток /_п меньше номинального.

^Rя тока генератора.

На участке характеристики, где уменьшение сопротивления нагрузки сопровождается уменьшением тока, работа генератора неустойчива.

Внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуждением можно снять не только при R, = const, но и при 7, = const:

В этом случае необходимо изменять сопротивление цепи обмотки возбуждения таким образом, чтобы ток оставался неизменным.

Зависимость ЭДС генератора от тока нагрузки называется внутренней характеристикой генератора. Внутренняя характеристика идет выше внешней на величину внутреннего падения напряжения в генераторе. Экспериментально сначала снимают внешнюю характеристику при /, = const, а потом строят внутреннюю путем сложения внешнего и внутреннего падений напряжения. С этой целью необходимо измерить внутреннее сопротивление генератора R, и построить характеристику падения напряжения в якоре (/, Л,), а затем произвести сложение соответствующих ординат (рис. 7.11.5).

Рис. 7.11.5.

Рис. 7.11.6.

Если внутреннюю и внешнюю характеристики (при /, = const) для генератора с параллельным возбуждением представить на одном графике, то они будут начинаться не из одной точки (см. — рис. 7.11.5), так как при токе нагрузки, равном нулю (/= 0), на якоре существует падение напряжения, вызванное током возбуждения (/, = / + /.= /,). Поэтому напряжение на зажимах такого генератора при отсутствии нагрузки не равно его ЭДС.

Напряжение на зажимах генератора можно поддерживать постоянным, если с ростом тока нагрузки увеличивать ток возбуждения, т. е. увеличивать ЭДС генератора. Зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при U= const и п = const называется регулировочной характеристикой:

Регулировочная характеристика (рис. 7.11.6) показывает, как надо изменять ток возбуждения, чтобы с ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора сохранялось неизменным.