Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 34 из 42)

di_B/dt=(e-i_BR_B)/L_B. (2.70)

Следовательно, если имеется положительная разность (е–i_вr_в), то производная di_в/dt> 0 и происходит процесс увеличения тока возбуждения i_в. Установившийся режим в цепи обмотки возбуждения будет иметь место при di_в/dt = 0, т.е. в точке С пересечения характеристики холостого хода 0А с прямой 0В. В этом режиме машина будет работать с некоторым установившимся током возбуждения I_в0 и э.д.с. Е₀= U₀.

Из уравнения (2.70) следует, что для самовозбуждения генератора необходимо выполнение определенных условий.

1. Процесс самовозбуждения в генераторе может начаться только в том случае, если в начальный момент (i_в = 0) в обмотке якоря индуктируется некоторая начальная э.д.с. е_нач. Такая э.д.с. может быть создана потоком остаточного магнетизма. Поэтому для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо, чтобы в машине имелся поток остаточного магнетизма, который при вращении якоря индуктирует в его обмотке э.д.с. Е_ост. Обычно поток остаточного магнетизма имеется в машине из-за наличия гистерезиса в ее магнитной системе. Если такой поток отсутствует, то его создают, пропуская через обмотку возбуждения ток от постороннего источника.

2. При прохождении тока i_впо обмотке возбуждения ее м. д. с. F_вдолжна быть направлена согласно с м. д. с. остаточного магнетизма F_ост. В этом случае под действием разности е–i_вR_впроисходит процесс нарастания тока i_в, магнитного потока возбуждения Ф_в и э.д.с. е. Если указанные м. д. с. направлены встречно, то м. д. с. обмотки возбуждения создает поток, направленный против потока остаточного магнетизма, машина размагничивается, и процесс самовозбуждения не сможет начаться.

3. Положительная разность е–i_вR_в, необходимая для возрастания тока возбуждения i_в от нуля до установившегося значения I_в0, может иметь место только в том случае, если в указанном диапазоне изменения тока i_в прямая ОВ располагается ниже характеристики холостого хода ОА.

Рис. 2.52 – Характер изменения э.д.с. и тока возбуждения генератора в процессе самовозбуждения

При увеличении сопротивления цепи возбуждения R_ввозрастает угол наклона у прямой ОВ к оси тока I_в и при некотором критическом значении этого угла γ_кр(соответствующем критическому значению сопротивления R_в.кр)прямая ОВ практически совпадет с прямолинейной частью характеристики холостого хода. В этом случае е ≈i_вR_ви процесс самовозбуждения становится невозможным. Следовательно, для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы сопротивление цепи возбуждения было меньше критического значения.

Если параметры цепи возбуждения подобраны так, что R_в<.R_в.кр,то в точке С обеспечивается устойчивость режима самовозбуждения. При случайном уменьшении тока i_в ниже установившегося значения I_в0 или увеличении его свыше I_в0 возникает соответственно положительная или отрицательная разность (е–i_вR_в), стремящаяся изменить ток i_в так, чтобы он снова стал равным I_в0. Однако при R_в> R_в.кр устойчивость режима самовозбуждения нарушается. Если в процессе работы генератора увеличить сопротивление цепи возбуждения R_вдо величины, большей R_в.кр, то машина размагничивается и ее э. д. с. уменьшается до Е_ост. Если же генератор начал работать при R_в > R_в.кр, то он не сможет самовозбудиться. Следовательно, условие R_в < R_в.крограничивает возможный диапазон регулирования тока возбуждения генератора, а следовательно, и его напряжения. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления R_вможно лишь до (0,6 ÷0,7) U_ном.

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость U = f(I_в) при n = const и R_в = const (рис. 2.53, кривая 1). Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе кроме двух причин, вызщающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки (падения напряжения в якоре и размагничивающего действия реакции якоря), существует еще третья причина – уменьшение тока возбуждения I_в = U/R_в, который зависит от напряжения U, т.е. от тока I_н.

Рис. 2.53. Внешняя характеристика генераторов с независимым и параллельным возбуждением

Особенно наглядно видно действие причин, уменьшающих напряжение генератора при увеличении тока нагрузки, из рассмотрения рис. 2.54, на котором показано построение внешней характеристики по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику.

Построение производится в следующем порядке. Через точку Dна оси ординат, соответствующую номинальному напряжению, проводят прямую, параллельную оси абсцисс.

На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника; катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна лежать на характеристике холостого хода 1. Через начало координат и вершину А проводят прямую 2 до пересечения с характеристикой холостого хода; эта прямая является вольт-амперной характеристикой сопротивления цепи обмотки возбуждения. Ордината точки пересечения Е характеристик 1 и 2 даст напряжение генератора U₀при холостом ходе.

Рис. 2.54 – Построение внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением с помощью характеристического треугольника

Произведенное построение справедливо, так как:

а) ток возбуждения при номинальном режиме I_в.ном = U_ном/R_в соответствует абсциссе точки А;

б) э. д. с. генератора при номинальной нагрузке Е_ном = U_ном + I_аном∑r соответствует ординате точки В;

в) э. д. с. Е_номможно определить по характеристике холостого хода, если взять ток возбуждения, который меньше I_в.ном на величину отрезка ВС, учитывающего размагничивающее действие реакции якоря.

При построении внешней характеристики 3, ее точки а и b, соответствующие холостому ходу и номинальной нагрузке, определяются величинами напряжений U₀и U_ном. Промежуточные точки получают, проводя прямые А'С', А «С» и т.д., параллельные гипотенузе АС, до пересечения с вольт-амперной характеристикой 2 в точках А', А» и т.д., а также с характеристикой холостого хода 1 в точках С', С» и т.д. Ординаты точек А', А» и т.д. будут соответствовать напряжениям при токах нагрузки I_а1, I_а2 и т.д., величины которых определяются из соотношения I_аном: I_а1: I_а2:… =АС: А'С': А «С»:…

Изменение напряжения генератора при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода составляет 10–20%, т.е. больше, чем в генераторе с независимым возбуждением.

При коротком замыкании якоря ток I_к генератора с параллельным возбуждением сравнительно мал, так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Следовательно, ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4 – 0,8) I_ном. Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока I_кр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки r_н ток I_н ≈ I_а≈ U/r_н начинает уменьшаться, так как Uпадает быстрее, чем уменьшается r_н. Работа на участке abвнешней характеристики (см. рис. 10–53) неустойчива; в этом случае машина переходит в режим работы, соответствующий точке b, т.е. в режим короткого замыкания.

Регулировочная и нагрузочная характеристики генератора с параллельным возбуждением имеют такой же характер, как для генератора с независимым возбуждением.

Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 2.55, а) ток возбуждения I_в = I_а = I_н. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.55, б, кривая 1) может быть построена по характеристике холостого хода (кривая 2) и реактивному треугольнику ABC, стороны которого увеличиваются пропорционально току I_н.

Рис. 2.55 – Схема генератора с последовательным возбуждением и его внешняя характеристика

При токах, меньших I_кр, с увеличением тока нагрузки возрастает магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, вследствие чего увеличивается и его напряжение U. Только при очень больших токах I_н > I_кр напряжение Uс ростом нагрузки уменьшается, так как в этом случае магнитная система машины насыщается и небольшое возрастание потока Ф не может скомпенсировать увеличенное падение напряжения на внутреннем сопротивлении ∑r.Поскольку в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе оно близко к нулю, такие генераторы непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.