7. Характеристики генератора постоянного тока

Генераторы независимого возбуждения

Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают

зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: 1) напряжение на зажимах U, 2) ток возбуждения i_B, 3) ток якоря I_а или ток нагрузки I, 4) скорость вращения n.

Обычно генераторы работают при п = const. Поэтому основные характеристики генераторов

определяются при n = n_н = const.

Существует пять основных характеристик генераторов: 1) холостого хода, 2) короткого

замыкания, 3) внешняя, 4) регулировочная, 5) нагрузочная.

Все характеристики могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным пу- тем.

Характеристика холостого хода (х. х. х.) U = f (i_B)при I = 0 и п = const определяет зависи- мость напряжения U или э. д. с. якоря Е_а от тока возбуждения при холостом ходе (I = 0, Р₂ = 0). При уменьшении i_B напряжение уменьшается по нисходящей ветви аб характеристики

сначала медленно ввиду насыщения магнитной цепи, а

затем быстрее. При i_B = 0 генератор развивает некоторое напряжение U₀₀ = Об

Если затем изменить полярность возбуждения и увели- чить i_B в обратном направлении, начиная с i_B = 0, то при некотором i_в<0 напряжение упадет до нуля (точка в), а затем U изменит знак и будет возрастать по абсолютной величине по ветви вг х. х. х. Когда ток i_B и напряжение U достигнут в точке г такого же абсолютного значения, как и в точке а, ток i_B уменьшаем до нуля (точка д), меняем его полярность и снова увеличиваем, начиная сi_B=0. При

этом U меняется по ветви деа х. х. х. В итоге вернемся в точку а характеристики. X. х. х.

имеет вид неширокой гистерезисной петли вследствие явления гистерезиса в магнитной це- пи индуктора.

Средняя штриховая х. х. х. на рис. представляет собой расчетную х. х. х., которая в опреде- ленном масштабе повторяет магнитную характеристику генератора.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных Характеристикакороткогозамыкания (х. к. з.) I — f (i_B) при U = О и п = const снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U = О, то, со-

гласно выражению E_a=I_aR_a, и поскольку R_a мало, то в условиях опыта э. д. с. Е_а также должна быть мала.

Так как при снятии х. к. з. электродвижущая сила мала

и поэтому поток мал и машина не насыщена, то зави- симость I = f (i_B) практически прямолинейна. В размаг- ниченной машине х. к. з. начинается с нуля (штриховая линия). Если х. к. з. снята без предварительного раз- магничивания машины (сплошная линия на рис.), то ее также целесообразно перенести параллельно самой се- бе в начало координат (штриховая линия на рис.). Характеристический (реактивный) треугольник определяет величину реакции якоря и падения напря- жения в цепи якоря. Он строится для нахождения ве-

личины, реакции якоря по экспериментальным данным и используется также для построе-

9

ния некоторых характеристик машины, если они не могут быть сняты экспериментально. Характеристический треугольник можно построить по экспериментальным данным с по- мощью х. х. х. и любой другой основной характеристики машины, а также по расчетным данным.

Поскольку в условиях снятия х. к. з. магнитная цепь машины не насыщена, то построенный

характеристический треугольник учитывает только продольную реакцию якоря, вызван-

ную случайным или сознательным сдвигом щеток с геометрической нейтрали и тклоне- нием коммутации от прямолинейной. При установке щеток на геометрической нейтра-

ли катет треугольника i_Ba = дб равен н. с. коммутационной реакции якоря (в масштабе i_в) и характеризует качество коммутации (на рис. а — замедленная коммутация и на рис,6

— ускоренная). Когда щетки стоят на ней- трали и коммутация прямолинейна, i_Ba = дб = 0 и треугольник бег вырождается в верти- кальную прямую.

Для построения характеристического треугольника с учетом влияния поперечной реакции якоря, можно воспользоваться характеристикой холостого хода и внешней, регулировочной или нагрузочной характеристикой. Обычно пользуются нагрузочной. ВнешняяхарактеристикагенераторанезависимоговозбужденияU = f(I) при i_B = const и п = const (рис. 9-6) определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естествен-

ных условиях, когда ток возбуждения не регулируется. При увеличении I напряжение U не-

сколько падает по двум причинам: вследствие падения напряжения в цепи якоря IR_a и уменьшения э. д. с

Рис. 9-6. Внешняя характеристика генератора незави- симого возбуждения

Внешнюю характеристику рекомендуется снимать при таком возбуждении (i_B = i_вн), когда при I = I_н также U = U_K (номинальный режим). При переходе к

холостому ходу (I=0) в этом случае напряжение возрастает на вполне

определенную величину U_н(рис. 9- 6), которая называется номинальным изменением напряжения генератора.

В генераторах независимого возбуж- дения

U_н% =U_н/ U_н 100 = 5 15 %. Внешнюю характеристику (в левом квадранте рис. 9-7) можно построить

также с помощью характеристики холостого хода (в правом квадранте рис. 9-7) и характеристического треугольника. Для это- го проведем на рис. 9-7 вертикальную прямую аб, соответствующую заданному току i_B = const. Тогда аб — Об представляет собой U при I = 0 и определяет начальную точку внешней характеристики.

Рис. 9-7. Построение внешней характеристики генератора независимого возбуждения с по- мощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

10

Регулировочнаяхарактеристика i_в = f (I) при U =const и п= const показывает, как нужно регулировать ток возбуждения, чтобы, при изменении нагрузки напряжение генератора не менялось (рис. 9-8). С увеличением I ток i_B необходимо несколько увеличивать, чтобы ком- пенсировать влияние падения напряжения l_aR_a и реакции якоря.

Рис. 9-8. Регулировочная характеристика генератора независимого С учетом изменяющихся

условий насыщения реальная опытная регулировочная характеристика будет иметь вид, по- казанный в нижнем квадранте рис. 9-9 штриховой линией.

Обратным построением, если даны х. х. х. и регулировочная характеристика, можно полу-

чить характеристический треугольник.

Нагрузочная характеристика U =f (i_B) при / = const и п = const (кривая 2 на рис. 9-10) по виду схожа с х. х. х. (кривая 1 на рис. 9-10) и проходит несколько ниже х. х. х. вследствие падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря. X. х. х. представляет собой предельный случай нагрузочной характеристики, когда / = 0.

Влияние сдвига щеток с геометрической нейтрали сказы- вается в том, что возникает продольная реакция якоря, изменяющая поток полюсов, и поток добавочных полю- сов будет индуктировать э. д. с. не в коммутируемых секциях, а в рабочих секциях параллельных ветвей якоря. При повороте щеток против направления вращения якоря (рис. 9-11) это вызовет увеличение э. д. с. якоря, а при сдвиге по направлению вращения - уменьшение э. д. с. В первом случае внешняя характеристика (рис. 9-6) с уве- личением / будет падать медленнее или даже может под- ниматься, во втором - будет падать более круто. При на- личии добавочных полюсов в обоих случаях возникает расстройство коммутации.

11

8. Способы пуска и регулирования частоты вращения АД.

1. Прямой пуск включ-е обмотки его статора в сеть, на номин.напр. обмотки статора I_п=(4-7)∙I_Н. Это считается норм-м пуском.

2. Реакторныйпуск. Сначала вкл-я выкл-ль В₁(б) и дв.получает питание ч/з 3фаз. реактор. При достижении нормальной скорости вращ-я вкл-я выкл-ль В₂ кот. шунтирует реактор, в рез-те на двиг. Подается нормальное напр-е сети.

3. автотрансформаторныйпуск. Сначала вкл-я выкл-ль В₁(в) и В₂ и на дв. ч/з автотр-р АТ подается пониж-е напр-е, после достиж-я дв-м опред-й скорости В₂ отк-я и Д получает пи- тание ч/з часть обмотки автотр-а, кот.в этом случае рабтает как реактор. Наконец вкл-я вык- ль В₃, в рез-те чего Д получает полное напр-е.

В₁ должен быть выбран на отключ-ю мощность при к.з., а В₂ и В₃ могут иметь меньшие от- ключ-е мощности.

4)пускперекл-м«звезда-треуг-к» прим-я когда выведены все шесть концов обмотки статора (г) и Д норм-о работает с соединением обмотки статора в треуг-к напр-р когда Д раб-т от сети 380/220 и с соед-м обмоток «зв-тр.» работает от сети 220 В. В этом случае при пуске

обмотка статора вкл-я в зв. (нижнее полож-е перекл-я П), а при достиж-и норм.скорости вращ-я переключается в тр-к (верхнее полож-е перекл-я П).

5) пкск Д с фазным ротором с пом-ю пускового реостата. 6)самозапускАД. В эл-х сетях в рез-те к.з. остановка нежелательна.

При восстан-и напр-я начин-ся одноврем-й запуск не отключ-ся от сети Д. Такой самоза- пуск Д способ-т быстрому воост-ю норм-й работы произв-х мех-в. Однако одновр-й саоза-

пуск большого числа АД загруж-т сеть большими токами что вызывает в ней большое па- дение напр-я и задержив-т процесс восст-я норм-го напр-я. Время самозапуска Д при этом увелич-я, а врде случаев знач-е пуск-го мом-а недостат-о для пуска Д.

Возм-сть самозапуска целесооб-о исп-ть для Д наиболее ответ-х произв-х мех-в. Способы регулирования частоты вращ-я

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р используется обычно для двига-

телей с короткозамкнутым ротором, так как при этом требуется изменять р только для об- мотки статора. Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов р; 2) приме-

нением обмотки специального типа, которая позволяет получить различные значения р пу- тем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными.

С помощью реостата в цепи обмотки ротора Изменением величины питающего напряжения Изменением частоты питающего напряжения

12

9. Устройство и принцип работы трансфор-ра

Трансф-р – устор-о, предназ-е для преоб-я перем-го тока одного напряж-я в перем-й ток

др.напр-я той же частоты.

Трансф-р состоит из след-их главных частей: а) сердечника, б) обмотки, в) бака с маслом, если трансформатор масляный и г) выводных изоляторов.

Сердечник трансф-ра. Сердечником трансф-ра назыв-ся система, образующая магнитную цепь его со всеми деталями, относящимися к ее конструкции. По типу сердечника разли-

чают:

1. трансф-ры стержневые, в кот. обмотки охватывают стержни сердечника, и б) трансф-ры броневые, в кот. обмотки частично охватываются сердечником.

В 3фаз. трансф-ах очень большой мощности сердечник состоит из 3 главных стержней, на

кот-х распол-ся обмотки, и 2 добавочных — по бокам — стержней 6eз обмоток.

По способу расположения обмоток высшего и низшего напряжений (ВН и НН) отно- сительно друг друга различают:а) концентрические, т. е. такие обмотки, кт. в каждом попе- речном сечении представляют собой окружности, имеющие общий центр;

б) чередующиеся, в кт. части обмоток ВН и НН попеременно следуют друг за другом по высоте стержня.

Обмотка на кот. подается напр. наз. перв, с кот. снимается или подается нагрузка- вторичн.

По числу обмоток: 2-х обм., 3-х и многообмот-й.

Бак масляного трансф-ра. Масляные трансф-ры, в кот. трансф-ор или так называемая вы- емная часть его, т. е. сердечник с расположенными на нем обмотками, помещается в бак с маслом. Нагреваясь, масло начинает циркулировать внутри бака и этим обеспечивает есте- ственное охлаждение тр-ра. Тр-ры очень малой мощности —до 30 ква — имеют гладкие баки, являющиеся простейшим типом баков, в тр-рах большей мощности —до 3000 ква —

применяют трубчатые баки, в стенки кт. вваривают трубы, трансф-ры мощностью до 10 000 ква имеют пристроенные к стенкам бака охладители-радиаторы с естест-ым охлаж- дением.

Крышка бака и выводы. Крышка бака является сущ-ым элементом конструкции бака. На крышке расположен целый ряд деталей, из которых наибольшее значение имеют: а) вывод-

ные изоляторы для обмоток ВН и НН; б) маслорасширитель — в трансформаторах от 100 ква и выше; в) выхлопная (предохран-ная) труба для трансф-ов мощностью от 1000 ква и выше.

По числу фаз: 1фаз., 3фаз.

По назнач-ю: силовые (д/преоб-я в энергет-х сетях), спец-е: выпрямит-е, свароные, измерит- е (I,U), импульсные и др.

По констр-и: стержневые, броневые.

Работа трансф-ра осн-ся на принципе электро-магнитного взаимодействия двух или, в общем случае, любого числа контуров, неподвижных относительно друг друга.

При подключ-и первичной обмотки тр-ра к сети с синусоид- м напр-м U₁ в обмотке возникает ток I₁, кот. создает сину- соидально изменяющ-я магнит-й поток Ф, замыкающ-я по

магнитопроводу. Поток Ф индуктирует эдс. как в первичной, так и вторичной обмотке. При подключ-и к вторич-й обм-е нагрузки в этой обмотке возн-т вторичный ток I₂ и на ее зажи- мах устан-я некоторое напр-е U_2. Результир-й магн-й поток магнитопров-а Ф_С создается то- ком обеих обмоток

13

10. Схема замещения 1фаз-го 2х обмот-го трансф-ра.

Аналитическое и графическое исследование работы тр-ра упрощается, если действительный трансформатор, в кт. обмотки связаны между собой электромагнитно, заместить схемой, элементы которой связаны между собой только электрически.

Первичные и вторичные I и U и др.величины имеют одинаковый порядок, если у перв-й и втор-й обмоток число витков одинаково. Реальная втор-я обм-а р-а с числом витков w₂ за- менена привед-й обм-й с числом витков w ^′= w , при этом число витков втор-й обм-и изм-я в k= w ^′/ w = w / w

2 1

2 2 1 2

k – коэфф-т трансформ-ции/приведения.

В рез-те этой замены, привед-ая э.д.с. Е ^′

2

2

и U ^′

привед-й обм-и также изм-я в k раз

^,  ^, 

^E2 ^{k E}2 ^;

U₂ k U₂

Чтобы мощности привед-й и реальной об-к при всех режимах были равны, необ-о:

^, ^,  

U₂ I₂ U₂ I₂

′

^, 

I₂ - привед-й втор-й ток,→

^I2 ^{I/ k}

Намагничив-е силы привед-й и реальной обмоток:

^{, ,} 

I₂ ω₂ I₂ ω₂

Для того чтобы элекромагн-е процессы в реальном и превед-м тран-ре протекали одинако- во, привед. и реальная втор-е обм-и должны создавать одинак-е магн-е поля, необх-о чтобы привед.втор.обм-а имела те же геометр. размеры. Поэтому суммарное счение всех витков привед-й обм-и должно быть таким же, как и в реальой, а сечение каждого витка привед-й обмотки должно уменьш-я в k раз. Так как привед.обм-а имеет в k раз больше витков, то

′ 2

активное сопрот-е привед-й обм-и в k² раз больше, чем реальной: r₂ = k ∙ r₂.

Так как одинак-ы геометр-е разм-ы и располож-я катушек их индукт-и и индукт-е сопрот-я

′

пропорц-ы квадратам чисел витков, то м/у инд-м сопрот-м привед. обм-и х₂

и реальной х₂

′ 2

есть такое же соотнош-е: х₂ = k ∙ х₂.

Потери в прив-й и ральной обм-х одинак-ы:

′2 ′

2 2 2

I₂ ∙r₂

= (I₂/ k) ∙ k ∙ r₂ = I₂ ∙ r₂/

Относит-е падение напр-я во втор-х обм-х реального и привед-го тран-в:

_r' _I'

k ²r I

r I x^' I^'

k ² x I x I

2 2

_ 2 2

_2 2 _;

2 2

_ 2 2

_2 2

^' kU k U ^'

U

U

2

2

2

2

kU₂ k U₂

14

11. Условия включения трансф-ов на параллельную работу.

Под параллельной работой неск. трансф-ров понимается такая работа, когда их вторичные обмотки подключены к общей нагрузке, а первичные обмотки получают питание от одной сети.

Необходимо для:

1. для обеспечения резервирования в электроснабжении при аварии или ремонте транс- форматора;

2. уменьш-я потерь энергии в периоды малых нагрузок подстанции путем откл-я части па- ралл-о раб-х тр-в.

Необх-о:

Общая нагрузка подстанции распред-сь м/у паралл-о работ-ми тран-ми и их номин-м мощ- ностям.

Такое распред-е достиг-ся при условиях, когда паралл-о раб-е тр-ры имеют:

1. одинаковые группы соединений обмоток;

2. равные первичные и равные вторичные номинальные напряжения (одинаковые коэффи- циенты трансформации);

3. Одинаковые напряжения короткого замыкания.

Если первые 2 из этих условий соблюдены, то вторичн-е и соотв. фаз паралл-о вкл-х тр-в на х.х., когда втор-е обм-и разомкнуты, будут равны по величине и по фазе. Поэтму при вкл-и

втр-х обм-к на общие шины в этих обмотках при отсутствии при отсутствии нагрузок не

возникает токов. В противном случае на х.х. возникают появления уравнительных токов между трансф-ми, кот. будут циркулировать по замкн-м контурам, образуемым вторичными

обм-ми паралл-о вкл-х тр-в и трансформиров-ся на первич-е обм-и.

Соблюдение 3-го уловия обеспеивает равномерное распред-е нагр-и м/у тран-ми, но необх-о проверить, что на одну и туже шину включаются также фазы отдельных тран-в и кот. сов- пад-т по фазе.

15