Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока преобразуют механическую энергию, подводимую к валу машины, в электрическую энергию постоянного тока.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения могут возбуждаться от постороннего источника постоянного тока или от постоянных магнитов. Генераторы с постоянными магнитами относятся к магнитоэлектрическим генераторам, а генераторы с возбуждением от источника постоянного тока называются генераторами с электромагнитным возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения делятся на генераторы параллельного (шунтового), последовательного (сериесно- го) и смешанного (компаундного) возбуждения (рис. 5.46).

Схемы возбуждения генераторов

Рис. 5.46. Схемы возбуждения генераторов:

а — независимое; б — параллельное; в — последовательное; г — смешанное

Обмотки независимого и параллельного возбуждения ОВ (рис. 5.46, а и б) выполняются из тонких проводов и имеют большое число витков, а обмотка последовательного возбуждения ОВП на рис. 5.46, в имеет несколько витков, но в ней проходит ток якоря и она выполняется из витков большого сечения. Для регулирования тока возбуждения в цени обмоток независимого и параллельного возбуждения включается регулировочный резистор R (рис. 5.46, а, б, г). Мощность возбуждения в генераторах постоянного тока составляет 5-И0% мощности машины. В генераторах параллельного возбуждения ток возбуждения равен 1^-5%.

Па рис. 5.47 дана энергетическая диаграмма генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Механическая мощность, подводимая к валу генератора, преобразуется в электрическую мощность Р2. При этом

где сумма потерь ZP:

здесь Рмсх — механические потери; Рст — потери в стали; Р, электрические потери в обмотке якоря; Рд — добавочные потери.

Потери на возбуждение Рв относятся к источнику, питающему обмотку возбуждения.

Электромагнитная мощность Рэм — мощность в воздушном зазоре:

Механические потери в машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, включают в себя потери на трение в подшипниках, потери трения якоря о воздух и вентиляционные потери. Кроме того, в машинах постоянного тока есть потери трения на коллекторе. В зависимости от нажатия пружины щеткодержателя на щетку эти потери могут составлять 25-^35% всех механических потерь.

Энергетическая диаграмма генератора

Рис. 5.47. Энергетическая диаграмма генератора

Основные магнитные потери в машинах постоянного тока — в стали якоря. При вращении магнитопровода происходит псрсмагничиванис стали и в зубцах, и ярме якоря, так же как и в машинах переменного тока, есть потери на вихревые токи и гистерезис. Потери в стали рассчитываются по тем же формулам, что и для машин переменного тока ((1.143) и (3.69)). Из-за наличия пазов и зубцов на якоре машины на поверхности полюсных наконечников имеют место пульсационные потери, которые могут составлять 5-И0% основных магнитных потерь. При наличии пазов на полюсных наконечниках, когда машина имеет компенсационную обмотку, пульсационные потери есть и на поверхности якоря.

К добавочным потерям относятся потери в бандажах, которые крепят обмотку якоря и обмоткодержатели, а также потери, связанные с коммутацией и искажением поля при нагрузке. Обычно добавочные потери принимают равными 0,5% отдаваемой мощности генератора при наличии компенсационной обмотки и 1% — в машинах без компенсационной обмотки.

Электрические потери в машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, составляют примерно 50% всех потерь в машине. К ним относятся электрические потери в обмотке якоря, компенсационной обмотке, обмотке добавочных полюсов и последовательной обмотке, а также электрические потери под щеткой:

где Д[/щ — переходное падение напряжения в щеточном контакте.

Падение напряжения AUm зависит от марки щетки и приводится в ГОСТ на пару щеток при рекомендуемой плотности тока. Для угольных и графитных щеток А[7Щ = 3 В, для металлоугольных щеток АГ/щ = 0,5 В.

Потери в меди обмоток подсчитываются по уравнению (1.140). Потери в обмотках можно определить, зная плотность токаJ и массу обмотки (без изоляции) G:

Коэффициент полезного действия генераторов постоянного тока

и зависимость r| = /(Р2) имеет такой же вид, как и у других машин (см. рис. 1.87). Максимум КПД наступает при равенстве суммы Рмех + РСТ электрическим потерям Р;). Для генераторов независимого возбуждения Рмсх + Рст можно считать постоянными потерями, а Рэ переменными. У генератора постоянного тока мощностью 10 кВт г = 83^-87%, а мощностью 1000 кВт г) = 92-^96%.

Характеристики холостого хода

Рис. 5.48. Характеристики холостого хода

Характеристики холостого хода генераторов постоянного тока всех систем возбуждения снимают при постоянной частоте вращения и независимом возбуждении, когда обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, позволяющему изменять ток от нуля до /в иом. Характеристика холостого хода машины постоянного тока представлена на рис. 5.48. Характеристику холостого хода начинают снимать от точки 1. Когда /и равен нулю, на якоре есть остаточное напряжение Eq. Затем снимают восходящую ветвь У, 2, далее — нисходящую ветвь 2,3 и снова уменьшают /в и снимают ветвь 3,4,5.

В точке 4 ток возбуждения, так же как и в точке 2, реверсируется. Ветвь, показанная на рис. 5.48 штриховой линией, называется основной характеристикой холостого хода. Особенностью характеристики холостого хода машины постоянного тока, так же как и синхронной машины, является наличие остаточной ЭДС и относительно широкой петли гистерезиса.

Перед снятием характеристики холостого хода необходимо убедиться, что щетки стоят па геометрической нейтрали. Для этого к выводам обмотки якоря, когда якорь не вращается, подключается вольтметр постоянно тока с нулем посредине шкалы, а ток в обмотке возбуждения включается и выключается. Бросок напряжения при щетках, установленных на геометрической нейтрали, равен нулю или минимален. Обычно щетки на геомстрической нейтрали устанавливаются на заводе. На щеточной траверсе и щите имеются риски, фиксирующие положение нейтрали.

Внешняя характеристика генератора U = /(/я) при п = = const и /в = const показывает зависимость напряжения на выходе генера тора от тока нагрузки. Па рис. 5.49 дана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения. При /я = 0 (холостой ход) — на выводах генератора ЭДС холостого хода Е. С ростом нагрузки напряжение падает сначала по линейному закону, в основном за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины, а затем в области нагрузок, близких к номинальной, по нелинейному закону — за счет большего размагничивающего действия поперечной реакции якоря.

Внешняя характеристика

Рис. 5.49. Внешняя характеристика

При нагрузках, равных примерно половине номинальной, реакция якоря влияет слабо па поле машины и внешняя характеристика линейна. При больших нагрузках поперечная реакция якоря ослабляет поле машины и напряжение изменяется как за счет реакции якоря, так и за счет падения на внутреннем сопротивлении. На рис. 5.49 отрезок аб характеризует падение напряжения за счет внутреннего сопротивления (линейная зависимость от /я), а отрезок бв — за счет реакции якоря (нелинейная зависимость от /я). Падепие напряжения AU определяет жесткость внешней характеристики. Чем меньше AU, выраженное в процентах от номинального напряжения, тем выше жесткость внешней характеристики.

Внешние характеристики генераторов с независимым (/) и параллельным возбуждением (2)

Рис. 5.50. Внешние характеристики генераторов с независимым (/) и параллельным возбуждением (2)

Внешние характеристики генераторов при различных схемах возбуждения

Рис. 5.51. Внешние характеристики генераторов при различных схемах возбуждения:

1 — независимое; 2 — параллельное; 3 — последовательное; 4 — смешанное при согласном включении; 5 — смешанное при встречном включении

Внешняя характеристика генератора параллельного (кривая 2 на рис. 5.50) возбуждения идет ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1), так как напряжение на обмотке возбуждения генератора с параллельным возбуждением при росте нагрузки падает и ток возбуждения уменьшается. Внешние характеристики снимаются при неизменном сопротивлении регулировочного резистора, включенного в цепь обмотки возбуждения. Вид внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением (кривая 2) при перегрузках отличается от вида внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1). При перегрузках поле генератора с параллельным возбуждением опрокидывается и установившийся ток при коротком замыкании 1К уст определяется остаточным магнитным потоком. Несмотря на то что /к уст может быть меньше /я ном, короткие замыкания генераторов параллельного возбуждения опасны из-за того, что переходный ток короткого замыкания /я тах значителен.

При токах /я тах, значительно превышающих /я ном, может возникнуть круговой огонь на коллекторе.

На рис. 5.51 представлены внешние характеристики генераторов постоянного тока при различных схемах возбуждения.

Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения (кривая У) имеет вначале линейный участок, а при токах, близких к номинальному, наступает насыщение и рост напряжения замедляется. Генераторы последовательного возбуждения применяются редко. В генераторах смешанного возбуждения обмотки последовательного и параллельного возбуждения (см. рис. 5.46) могут быть включены согласно, когда их МДС совпадают, и встречно, когда МДС последовательной обмотки вычитается из МДС обмотки параллельного возбуждения. При согласном включен и и обмоток возбуждения напряжение растет с ростом нагрузки (кривая 4). При встречном включении обмоток внешняя характеристика мягкая (кривая 5).

Вид внешних характеристик при смешанном возбуждении зависит от соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток. При согласном включении последовательная обмотка может быть рассчитана так, что ее МДС при номинальной нагрузке скомпенсирует падение напряжения за счет реакции якоря и падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины (рис. 5.52) или создаст в воздушном зазоре поток, который при нагрузке обеспечит рост напряжения (кривая 4 на рис. 5.51). Ч тобы получить внешнюю характеристику с AU = 0 при 1Я ном, необходимо несколько уменьшить МДС по сравнению с МДС, при которой определена кривая 4 на рис. 5.51. Получить жесткую внешнюю характеристику без регулятора в цепи обмотки возбуждения, чтобы AU= 0 па всем диапазоне изменения /я, не удается, так как продольная составляющая поперечной реакции якоря Fq(f изменяется по нелинейному закону, а МДС последовательной обмотки Fc = 1,л10(: по линейному закону.

Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения при Е  и

Рис. 552. Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения при Е = и,юм

Встречное включение обмоток параллельного и последовательного возбуждения применяется для получения специальных характеристик. Так называемая экскаваторная характеристика обеспечивает ограничение тока якоря и, следовательно, и момента при перегрузках (рис. 5.53). Такая внешняя характеристика необходима также в сварочных генераторах.

Регулировочные характеристики /в = /(/я) при U = const и п = const показывают, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы напряжение оставалось постоянным. На рис. 5.54 даны регулировочные характеристики для генераторов с различными системами возбуждения. Для генераторов последовательного возбуждения регулировочная характеристика не снимается.

Характеристики короткого замыкания /я = /(/„) при U = О и п = const снимают при замкнутой накоротко обмотке якоря (рис. 5.55). Характеристика короткого замыкания линейная, так как машина не насыщена. Ток короткого замыкания не должен превышать (1,2-г 1,25)/я ном. При снятии характеристики короткого замыкания должны быть предусмотрены меры, обеспечивающие разрыв цепи якоря при увеличении тока больше допустимых значений. Остаточное поле определяет ток короткого замыкания при 1„ = 0. Чтобы начальное значение тока короткого замыкания не было слишком большим, перед снятием характеристики машину

Характеристика короткого замыкания генератора

Рис. 5.55. Характеристика короткого замыкания генератора

Внешняя характеристика при встречном включении последовательной обмотки возбуждения

Рис. 5.53. Внешняя характеристика при встречном включении последовательной обмотки возбуждения

Регулировочные характеристики при различных схемах возбуждения

Рис. 5.54. Регулировочные характеристики при различных схемах возбуждения:

1 — независимое: 2 — параллельное; 3 — смешанное при согласном включении обмоток; 4 — смешанное при встречном включении

размагничивают. Для этого обмотку возбуждения на небольшое время подключают к переменному напряжению. В машинах с высоким уровнем электромагнитных нагрузок из-за значительного влияния токов в коммутируемых секциях снять эту характеристику не удается.

Нагрузочная характеристика U» = =/(/„) при /я = const и п = const (кри-

вая 2) и характеристика холостого хода (кривая 1), показанные на рис. 5.56, позволяют определить катеты прямоугольного треугольника abc, который называют реактивным треугольником. При снятии нагрузочной характеристики при изменении тока возбуждения ток в якоре поддерживается неизменным путем изменения нагрузочного сопротивления в цепи якоря.

Нагрузочная характеристика

Рис. 5.56. Нагрузочная характеристика

В реактивном треугольнике катет Ьс — падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины I„RttW а катет ab характеризует падение напряжения за счет размагничивающего действия продольной составляющей поперечной реакции якоря.

Основными характеристиками генераторов постоянного тока являются характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная. Характеристики короткого замыкания и нагрузочная — вспомогательные характеристики.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали продольная реакция якоря в зависимости от направления сдвига щеток создает поле по продольной оси машины, которое действует встречно или согласно с полем, создаваемым параллельной обмоткой возбуждения. За счет сдвига щеток с геометрической нейтрали машина возбуждается со стороны якоря, и тогда последовательная обмотка на статоре не нужна. Однако смещение щеток с геометрической нейтрали приводит к ухудшению коммутации и снижению использования меди якоря.

Как и машины переменного тока, генераторы постоянного тока могут работать параллельно друг с другом. Обычно на параллельную работу включаются два и редко несколько генераторов постоянного тока. Так как к сетям постоянного тока бесконечной мощности можно отнести лишь транспортные сети, необходимо анализировать влияние генераторов друг на друга.

Для параллельной работы используются генераторы независимого, параллельного и смешанного возбуждения. Как правило, на параллельную работу включаются генераторы,

Схема параллельной работы генераторов независимого возбуждения

Рис. 5.57. Схема параллельной работы генераторов независимого возбуждения

близкие друг другу по мощности с одной и той же системой возбуждения.

На рис. 5.57 показана схема параллельной работы генераторов независимого возбуждения. При включении генераторов на параллельную работу полярность напряжений должна быть одинаковой и U ~ U2. Чем меньше AU= U - U2, тем меньше бросок тока при включении генератора на общие шины.

При параллельной работе генераторов напряжения на генераторах и на шинах нагрузки одинаковы и равны U. Для двух генераторов, включенных на параллельную работу,

где RaH и Rm,2 соответственно внутренние сопротивления первого и второго генераторов.

Электродвижущие силы первого и второго генераторов:

Чтобы изменить нагрузку на одном из генераторов, надо изменить Е] или Е2. Как следует из формул (5.74) и (5.75), ЭДС можно изменять путем изменения потока и частоты вращения.

Частота вращения первого генератора увеличится, если увеличить момент Мь приложенный к первому генератору. При увеличении М( увеличивается /:, и ток первого генератора /[ растет. Чтобы изменить момент па валу генератора, надо регулировать активную мощность, подводимую к паровой турбине, дизелю или другому двигателю, приводящему в движение генератор.

При изменении тока возбуждения изменяется поток и ЭДС. Поэтому при увеличении тока возбуждения первого генератора растет Е{ и ток нагрузки первого генератора, при этом должен увеличиваться Мj, если /2 не уменьшается.

Распределение нагрузок в генераторах при параллельной работе

Рис. 5.58. Распределение нагрузок в генераторах при параллельной работе

При анализе параллельной работы следует нс забывать, что мощность, отдаваемая в сеть постоянного тока, равна мощности при-

водных двигателей за вычетом потерь в генераторах. Поэтому при неизменной нагрузке на шинах постоянного тока увеличение нагрузки на первом генераторе приводит к разгрузке в торого генератора, и наоборот.

На параллельную работу могут включаться генераторы с различным числом полюсов и частотой вращения, так как из выражения (5.73) следует, что при параллельной работе должны быть равными ЭДС.

При параллельной работе желательно иметь одинаковые внешние характеристики генераторов. При отличающихся друг от друга внешних характеристиках нагрузки распределяются неравномерно, так как ток нагрузки /„ равен сумме токов в первом и втором генераторах (рис. 5.58). Перегружается генератор, имеющий более жесткую внешнюю характеристику. Чтобы выровнять в этом случае нагрузки, надо увеличить ток возбуждения в первом генераторе. При

включении на параллельную работу генераторов различной мощности необходимо, чтобы внешние характерис тики, построенные в относительных единицах, по возможности приближались друг к другу.

Параллельная работа генераторов параллельного возбуждения ничем не отличается от рассмотренной выше параллельной работы генераторов независимого возбуждения.

Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения с уравнительным проводом

Рис. 5.59. Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения с уравнительным проводом

Генераторы смешанного возбуждения включаются на параллельную работу по схеме рис. 5.59. Без уравнительного провода аб параллельная работа генераторов смешанного возбуждения невозможна, так как при случайном увеличении тока в якоре первого генератора Д будет увеличиваться поток в этом генераторе из-за увеличения тока в последовательной обмотке ОБЩ. Это приведет к дальнейшему увеличению тока в этом генераторе и разгрузке, уменьшению тока второго генератора. После того, как из-за перегрузки частота вращения первого генератора начнет падать и поток и ЭДС на первом генераторе Е станут меньше потока и ЭДС второго генератора Е2, нагрузку примет на себя второй генератор и ток 12 увеличится. Возникнут качания в системе, исключающие возможность параллельной работы. Уравнительный провод, соединяющий однополярные точки, выравнивает ЭДС на генераторах, что обеспечивает устойчивую работу двух генераторов на общие шины.

Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения при перекрестном включении обмоток возбуждения

Рис. 5.60. Параллельная работа генераторов смешанного возбуждения при перекрестном включении обмоток возбуждения

При параллельной работе генераторов смешанного возбуждения иногда применяется схема с перекрестным соединением последовательных обмоток возбуждения (рис. 5.60). Такое включение обмоток последовательного возбуждения обеспечивает устойчивую параллельную работу генераторов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >