15.3. Генераторы постоянного тока

При эксплуатации машины постоянного тока в генераторном режиме важно знать три основные характеристики, выражающие зависимость одних переменных величин от других. К ним относятся: характеристика холостого

нисходящую ветвь. Особое внимание следует обратить на наличие напряжения на зажимах обмотки якоря при равенстве нулю тока в обмотке возбуждения. Причиной появления напряжения является магнитный поток ос-

середине между ветвями петли гистерезиса. В режиме холостого хода напряжение генератора равно по величине его ЭДС.

Характеристика холостого хода позволяет судить о свойствах стали якоря и выбрать положение рабочей точки, соответствующей номинальному напряжению.

Внешняя характеристика - это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянстве сопротивления цепи возбуждения

ичастоты вращения якоря, т. е. UГ = ξ (I) при RB = const , n = nH = const .

Врежиме нагрузки напряжение генератора меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря

UГ = ЕГ - IЯ R Я .

Внешняя характеристика генератора нелинейна. Причина нелинейности обусловлена воздействием магнитного потока обмотки якоря на магнитный поток обмотки возбуждения. Взаимодействие магнитных потоков приводит к

200

неравномерности насыщения полюсного наконечника главного полюса машины.

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном напряжении на зажимах генератора и частоты вращения якоря т. е.

IB = ξ (I) при UГ = const, n = nH = const.

Характеристика показывает, как надо изменять ток в обмотке возбуждения для того, чтобы обеспечить постоянство напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки.

Характеристики генераторов других типов обычно рассматриваются в сравнении с характеристиками генератора с независимым способом возбуждения.

Необходимость дополнительного источника постоянного тока для генератора с независимым возбуждением привела к поиску других способов возбуждения. К ним относятся генераторы с параллельным, последовательным и смешанным способами возбуждения. Эта группа генераторов объединена общим признаком создания основного магнитного потока, называемого самовозбуждением.

Процесс самовозбуждения основан на явлении остаточного намагничивания ферромагнитных материалов, из которых выполнена магнитная цепь машины. При изготовлении генераторов главные полюса машины специально намагничивают постоянным током. Эта процедура обеспечивает наличие в машине небольшого остаточного магнитного потока, значение которого составляет 2…3 % от номинального значения основного потока. Рассмотрим суть процесса на примере генератора с параллельным способом возбуждения.

Самовозбуждение генератора осуществляется при отсутствии тока в цепи потребителя, т. е. в режиме холостого хода. В обмотке вращающегося якоря наводится остаточная ЭДС, которая и приложена к зажимам обмотки возбуждения. Под действием остаточной ЭДС в цепи обмотки возбуждения протекает ток, который создает дополнительный магнитный поток. Направление дополнительного потока должно совпадать по направлению с остаточным магнитным потоком машины, т. е. усиливать его. Увеличение суммарного магнитного потока приводит к возрастанию ЭДС в обмотке якоря, а следовательно, и напряжения на зажимах генератора. Процесс самовозбуждения заканчивается, когда падение напряжения в обмотке возбуждения становится равным ЭДС якоря.

201

По своему виду характеристика холостого хода и регулировочная характеристика у генератора с параллельным возбуждением не отличаются от аналогичных характеристик машины, работающей с независимым возбуждением.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением проходит ниже соответствующей характеристики генератора с независимым возбуждением. Это объясняется уменьшением тока возбуждения при снижении напряжения с ростом тока нагрузки. В номинальном режиме снижение напряжения составляет 10...15 % от номинального значения.

Генераторы последовательного возбуждения не нашли широкого применения по причине непостоянства выходного напряжения при изменении тока нагрузки. По этой причине их характеристики в данном курсе не рассматриваются.

Генераторы смешанного возбуждения применяют в установках небольшой мощности, где желательно избежать значительного изменения напряжения при отключениях или подключениях отдельных потребителей. Две обмотки возбуждения такого генератора соединяют так, чтобы их магнитные потоки складывались. Путем соответствующего подбора числа витков последовательной обмотки можно скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и от действия реакции якоря и обеспечить необходимое напряжение в определенных пределах изменения тока нагрузки.

15.4. Двигатели постоянного тока

Если цепи обмотки якоря и возбуждения машины постоянного тока подключены к источнику постоянного напряжения, то под действием последнего в этих цепях протекают токи, возбуждающие соответствующие магнитные потоки. В результате взаимодействия, магнитных потоков создается вращающий момент, под действием которого якорь начнет вращаться. В этом случае машина будет работать в режиме двигателя, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую.

При вращении якоря в его обмотке будет индуктироваться ЭДС. Направление ЭДС, определяемое правилом правой руки, противоположно направлению тока в обмотке якоря. Поэтому она называется противоэлектродвижущей силой, а ее роль в двигателе постоянного тока сводится к ограничению тока в цепи обмотки якоря. Численно значение силы тока в цепи якоря можно вычислить по формуле

I Я (U Д ЕЯ ) / RЯ .

202

Рассмотрим возможные способы пуска двигателя в ход.

15.5. Пуск двигателей постоянного тока

Наиболее распространенными являются следующие способы пуска двигателей постоянного тока: прямой, при котором обмотка якоря непосредственно подключается к источнику постоянного напряжения; реостатный с помощью пускового реостата, который включается в цепь якоря, а также пуск при пониженном напряжении, подводимом к якорю.

В двигателях постоянного тока падение напряжения в цепи якоря обычно не превышает 5...10 % от номинального напряжения. Поэтому при прямом пуске ток в якоре превышает номинальное значение в 10...15 раз. Подобное увеличение силы тока недопустимо ни для сети, питающей двигатель, ни для коллектора и обмотки, ни для рабочего механизма, с которым соединен вал якоря. По этой причине прямой пуск применяется для двигателей, мощность которых не превышает 1 кВт.

Наибольшее распространение получил реостатный пуск. Для ограничения пускового тока в цепь якоря двигателя включают пусковой реостат. Сопротивление пускового реостата рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток не превышал 2-2,5 номинального значения.

Следует помнить, что пусковой реостат предназначен для кратковременной работы. Поэтому по мере увеличения частоты вращения якоря сопротивление пускового реостата уменьшают. На крышке пускового реостата имеется указатель двух предельных режимов. Этим режимам соответствуют надписи "СТОП" и "ХОД".

Надпись "СТОП" соответствует размыканию цепи обмотки якоря, что делает невозможным пуск двигателя.

Надпись "ХОД" соответствует нулевому сопротивлению пускового реостата. В процессе пуска ручка пускового реостата плавно переводится из положения "СТОП" в положение "ХОД".

Пуск происходит быстро и легко, если двигатель развивает пусковой момент, превышающий момент сопротивления на валу. Поэтому пуск производят при максимальном магнитном потоке. С этой целью перед пуском двигателя сопротивление в цепи обмотки возбуждения рекомендуется полностью вывести.

203

Ограничение пускового тока достигается также в случае пуска при пониженном напряжении, подводимом к якорю двигателя от источника с регулируемым напряжением.

15.6. Механическая характеристика двигателя постоянного тока и способы регулирования его частоты вращения

Зависимость установившейся частоты вращения якоря от момента на валу двигателя при постоянном напряжении и сопротивлении цепи якоря называется механической характеристикой двигателя. Для получения уравнения механической характеристики запишем выражение второго закона Кирхгофа для цепи якоря:

UД = ЕЯ + IЯ RЯ ,

где ЕЯ = Се n Ф - ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря.

С учетом ее значения уравнение, записанное относительно частоты вращения, примет вид

n = ( UД – IЯ RЯ ) / Се Ф .

Из уравнения следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно тремя способами:

1)включением дополнительного сопротивления RДОП в цепь обмотки якоря ( реостатное регулирование ) ;

2)изменением магнитного потока Ф ( полюсное регулирование );

3)изменением питающего напряжения UД (якорное регулирование). Рассмотрим эти способы регулирования на примере двигателей постоян-

ного тока с параллельным и независимым способами возбуждения (как получивших наибольшее распространение ) при постоянном моменте нагрузки на валу.

прямой линии, наклоненной к оси абсцисс. Такая механическая характеристика называется естественной. Это очень пологая прямая. Уменьшение частоты вращения не превышает 6…7 % от номинального значения и обусловлено, главным образом, наличием внутреннего сопротивления обмотки якоря.

204

Включение дополнительного сопротивления в цепь якоря позволяет получить семейство искусственных механических характеристик. Все эти характеристики расположены ниже естественной.

Реостатный способ регулирования находит широкое применение, так как позволяет получить любую пониженную частоту вращения при заданном моменте нагрузки на валу.

К недостаткам данного способа относятся:

1)трудность поддержания частоты вращения при изменении момента нагрузки;

2)дополнительные потери мощности на регулировочном реостате, включенном в цепь обмотки якоря.

Изменение сопротивления в цепи обмотки возбуждения (полюсное регулирование) позволяет варьировать частоту вращения двигателя обратно пропорционально величине магнитного потока. Это обстоятельство следует иметь

ввиду, не допуская чрезмерного уменьшения тока в обмотке возбуждения. Одним из преимуществ полюсного регулирования является его эконо-

мичность, так как ток возбуждения в рассматриваемых двигателях не превышает 10 % от номинального значения тока якоря. Другим преимуществом этого способа является достаточно жесткие механические характеристики, т. е. изменение частоты вращения, не превышающее 5 % номинального значения во всем диапазоне работы двигателя.

Недостатком полюсного регулирования является то, что изменение магнитного потока можно производить лишь в области, расположенной ниже естественной механической характеристики, тогда как чаще требуется понижение частоты вращения.

Якорное регулирование за счет изменения величины подводимого напряжения применяется, главным образом, в двигателях с независимым возбуждением. Пусковой реостат в этом случае не требуется, так как пуск начинается при пониженном напряжении, которое можно плавно повысить.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения или полярность приложенного напряжения. Одновременное изменение двух указанных параметров не изменяет направление вращения якоря.

205