2.11.3. Уравнение равновесия моментов генератора

Как указывалось выше (см. рис. 2.2.), в генераторах электро­магнитный момент М_ЭМ направлен навстречу моменту приводного двигателя М_ДВ. Кроме тормозящего электромагнитного момен­та М_ЭМ на валу генератора существует еще момент холостого хода М₀ , соответствующий механическим потерям генератора и потерям в стали.

При постоянной скорости вращения якоря полный тормозящий момент генератора М_Т определяется как

Согласно условию равновесия моментов, вращающий и тормозя­щий моменты должны находиться во взаимном равновесии, т.е. должны быть равны по величине, но направлены в противополож­ные стороны:

(2.45.)

2.11.4. Характеристики генераторов а. Характеристика холостого хода

Одной из важнейших характеристик генератора является ха­рактеристика холостого хода (х.х.х.), представляю­щая собой зависимость при токе нагрузкиI=0 и n=const.

Так как э.д.с. генератора, согласно формуле (2.3.), равна

то х.х.х. представляет собой по существу характеристику магнитопровода машины и изображается графически в виде петли ги­стерезиса (рис.2.31.). Ширина петли определяется прежде всего свойствами материала магнитопровода, а также величиной воз­душного зазора. Отрезок ОК характеризует э.д.с., обусловленную наличием в магнитопроводе остаточного магнетизма. При практи­ческих расчетах за характеристику холостого хода принимают среднюю (штриховую) линию.

Положение на характеристике точки А₁, соответствующей но­минальной э.д.с. генератора, определяет степень насыщения маг­нитной цепи. Обычно эта точка лежит на изгибе кривой, так как работа на прямолинейной части не обеспечивает устойчивого на­пряжения, а работа на насыщенной части кривой ограничивает возможность его регулирования и требует большой мощности воз­буждения.

Характеристики холостого хода для машин с независимым воз­буждением и самовозбуждением аналогичны.

Рис.2.31. Характеристика холостого хода генератора

Б. Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора постоянного тока на примере генератора с параллельным возбуждением (рис.2.29,б) в режиме холостого хода.

Если привести якорь генератора во вращение с номинальной скоростью, то под действием остаточного магнитного потока в об­мотке якоря возникнет небольшая э.д.с., равная 1…3% номиналь­ной. Под действием этой э.д.с. по цепи возбуждения потечет не­большой ток, создающий некоторый магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора может протекать только в том случае, если возникший магнитный поток совпадает по направлению с остаточным магнитным потоком. В этом случае результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению наводи­мой в обмотке якоря э.д.с., а она в свою очередь увеличивает ток возбуждения, поток машины и т. д. Графически этот переход­ный процесс показан на рис.2.32. С одной стороны он опреде­ляется х.х.х. (кривая 1), с другой – характеристикой цепи возбуждения (прямая 2) (R_B – сопротивление цепи возбуждения).

Электродвижущая сила генератора уравновешивается падения­ми напряжения в цепи возбуждения

где L_B - индуктивность обмотки возбуждения.

Величины отрезков ординат между кривой 1 и прямой 2, равные , характеризуют интенсивность процесса самовозбуждения.

Рис.2.32. Самовозбуждение генератора.

Пересечение характеристики цепи возбуждения — луча сопротивления — с характеристикой холостого хода определяет точку установившегося режима для генератора (точка А₁ ). Положение точки А₁ на кривой х.х.х. зависит от угла наклона луча сопро­тивления

В положении 3, когда луч сопротивления становится касатель­ным к х.х.х., генератор не возбуждается. Такое значение R_B на­зывается критическим сопротивлением. Таким обра­зом, условиями самовозбуждения генератора являются:

1) наличие остаточного магнетизма;

2) правильное присоединение обмотки возбуждения к обмотке якоря (появляющийся в цепи возбуждения ток должен усиливать поле остаточного магнетизма);

3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше кри­тического.

Самолетные генераторы постоянного тока, приводом которых является авиационный двигатель, обычно работают при перемен­ной скорости вращения якоря. Поэтому при исследовании этих ге­нераторов представляет интерес рассмотреть серию характеристик холостого хода, соответствующих различным скоростям вращения (рис. 2.33.).

Рис.2.33. Скоростные характеристики генераторов

с самовозбуждением.

Из их анализа следует, что генератор может самовозбудиться лишь при определенной (более критической) скорости вращения якоря; критической скоростью называется та­кая скорость, при которой характеристика цепи возбуждения лишь касается х.х.х.

В. Рабочие характеристики генераторов с независимым и

параллельным возбуждением

К рабочим характеристикам генераторов относятся нагрузоч­ные, внешние и регулировочные характеристики.

Нагрузочные характеристики представляют собой зависимости U=f(i_В) при токе нагрузки I=const и n=const (рис.2.34.). Эти характеристики практически одинаковы для гене­раторов с независимым и параллельным возбуждением. Частным случаем нагрузочной характеристики является х.х.х.

Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше его э.д.с. вследствие падения напряжения в цепи якоря (IR_a) и раз­магничивающего действия реакции якоря, обусловливающего уменьшение Е_a.

Влияние этих факторов на рис.2.34. учитывается сторонами ВС и АВ характеристического (реактив­ного) треугольника AВС. Его сторона АВ эквивалентна размагничивающему действию реакции якоря в масштабе тока возбуждения, а сторона ВС соответствует падению напряже­ния IR_a. При I=const величина катета ВС остается практически постоянной. По мере увеличения насыщения магнитной системы влияние поперечной реакции якоря начинает сказываться все силь­нее и сторона АВ треугольника АВС увеличивается. Полагая ка­теты характеристического треугольника неизменными, можно по­строить нагрузочную характеристику путем перемещения тре­угольника AВС так, чтобы его вершина А скользила по х.х.х. Вершина С при этом опишет на­грузочную характеристику.

Рис.2.34. Нагрузочные характеристики генераторов с независимым и

параллельным возбуждением.

Внешние характери­стики представляют собой за­висимости (рис. 2.35.) U=f(I) при R_B = const и n= const. Согласно формуле (2.44.), в генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения U при уве­личении нагрузки I обусловли­вается тремя причинами:

1 - паде­нием напряжения в якоре от тока ;

2 - размагничиваю­щим действием реакции якоря;

3 - уменьшением тока возбужде­ния i_B, вследствие двух первых причин.

Соответствующая внеш­няя характеристика показана на рис.2.35. в виде кривой 1.

То обстоятельство, что ток возбуждения в генераторах с па­раллельным возбуждением снижается при увеличении нагрузки, определяет особый вид внешней характеристики этих генераторов.

Увеличение нагрузки I путем уменьшения сопротивления внешней цепи происходит лишь до известного предела (I_пред), соответст­вующего границе устойчивой части внешней характеристики. По­пытка еще увеличить нагрузку таким же образом приводит к рез­кому снижению напряжения генератора и тока нагрузки вследст­вие резкого уменьшения тока возбуждения. Эта часть характери­стики является неустойчивой.

В генераторах независимого возбуждения снижение напряже­ния при увеличении нагрузки обусловлено лишь двумя указанными выше причинами, поскольку для этих генераторов при U=const условие R_В =const соответствует условию i_B = const. По­этому в генераторах с независимым возбуждением напряжение при увеличении нагрузки снижается медленнее, чем в генераторах с параллельным возбуждением (кривая 2).

Из анализа внешних характеристик следует, что генератор с параллельным возбуждением имеет сравнительно небольшую величину установившегося тока короткого замыкания I_к.з1, обусловливаемого остаточным магнетизмом и влиянием м.д.с. коммутируемых секций. Однако опасен бросок тока переходного процесса, который может превышать номинальный ток I_н машины в не­сколько раз. В генераторах независимого возбуждения ток короткого замыкания

I_к.з1>>I_H

Рис.2.35. Внешние характеристики генераторов с независимым

и параллельным возбуждением.

Падение напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки обычно выражают в процентах номинального значения напряжения

Для генераторов с независимым возбуждением эта величина составляет 5…15%, а для генераторов с параллельным возбужде­нием – 10…20%.

Регулировочные характеристики представляют собой зависимости i_B=(I) при U=const и n=const. Они практи­чески одинаковы для генераторов с параллельным и независимым возбуждением.

При увеличении нагрузки генератора увеличивается падение напряжения в цепи якоря I_aR_a , а также усиливается размагничи­вающее действие реакции якоря. Для поддержания напряжения на зажимах генератора неизменным нужно увеличивать ток воз­буждения i_B (рис. 2.36.).

Рис.2.36. Регулировочная Рис.2.37. Регулировочная

характеристика генератора характеристика авиационного

генератора

Авиационные генераторы часто выполняются с неполным ком­плектом дополнительных полюсов. В таких машинах, как пока­зывают исследования, более сильно выражены размагничивающее действие реакции якоря и влияние м.д.с. коммутируемых секций. При переходе с расчетной на максимальную скорость вращения, поток дополнительных полюсов, вследствие уменьшения магнит­ного сопротивления ярма и полюсов, из-за уменьшения потока главных полюсов, увеличивается примерно на 20…30%. Это об­условливает возрастание подмагничивающего потока от м.д.с. коммутируемых секций, а в связи с этим - и необходимость снижения тока возбуждения для поддержания неизменным напряже­ния генератора.

В регулировочной характеристике появляется «провал» (рис. 2.37.). Он обусловливает неустойчивую параллель­ную работу генераторов, так как одному и тому же току возбуждения соответствует два тока нагрузки. У таких гене­раторов обычно увеличен и ток короткого замыкания (I’_к.з1 на рис.2.35. ). Для устранения «провала» в регулировочных характери­стиках уменьшают поток дополнительных полюсов путем установ­ки под них латунных прокладок.