Причины уменьшения напряжения генератора параллельного возбуждения при увеличении тока нагрузки
4.4. Генераторы постоянного тока
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают генераторы:
— с независимым возбуждением;
— с параллельным возбуждением;
— с последовательным возбуждением (сериесный);
— со смешанным возбуждением (компаундный); он имеет две обмотки возбуждения; одна включена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно с нею и нагрузкой.
Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.
В генераторе с независимым возбуждением (рис. 4.8а) ток возбуждения не зависит от тока якоря I а , который равен току нагрузки I н . Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1. 3 % от номинального тока якоря.
Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.
Рис. 4.8. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением (а) и его характеристика холостого хода (б)
Характеристика холостого хода U 0 =f(I в ) при I н =0 и n=const (рис. 4.8б). Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. E ост составляет 2. 4 % от U ном.
Рис. 4.9. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора с независимым возбуждением
Внешней характеристикой называется зависимость U=f(I н ) при n=const и I н =const (рис. 4.9а). Под нагрузкой напряжение генератора
∑r — сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки).
С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:
— из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении ∑r машины;
— из-за уменьшения ЭДС E в результате размагничивающего действия реакции якоря.
В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 4.10а) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.
Регулировочной характеристикой генератора (рис. 4.9б) называется зависимость тока возбуждения I в от тока якоря I а при постоянном напряжении U и скорости n. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.
Рис. 4.10. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а); характер изменения ЭДС и тока возбуждения генератора в процессе возбуждения (б)
Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи.
При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС Е ост , и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена так, что ее НС F в направлена согласно с НС остаточного магнетизма, то магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС Е, поток Ф и ток возбуждения I в . Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с I в =const, E=const, зависящими от величины сопротивления R в цепи возбуждения.
Для режима холостого хода генератора:
L — суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.
Зависимость e=f(i в ) представляет собой характеристику холостого хода генератора ОА, а прямая ОВ — ВАХ сопротивления R в (tgγ= R в ) (рис. 4.10б).
Пока имеется положительная разность (e-i в R в ) , член >0, т.е. происходит нарастание тока i в . Установившийся режим будет иметь место при =0, т.е. в точке С. При изменении величины сопротивления R в прямая ОВ изменяет свой угол γ, что приводит к изменению установившегося тока возбуждения I в0 , и соответствующего ему напряжения U 0 =E 0 . Параметры цепи подбираются так, чтобы в точке С обеспечивалась устойчивость режима самовозбуждения. При случайном изменении i в возникает соответствующая положительная или отрицательная разность (e-i в R в ) , стремящаяся изменить ток i в так, чтобы он стал снова равен I в0 .
Степень устойчивости рассматриваемого режима будет определяться производной:
β — σγξл пересечения характеристики ОА с прямой ОВ.
При увеличении R в до критического значения R в.кр. , соответствующего γ кр , угол β≈0 и режим самовозбуждения становится неустойчивым, при этом ЭДС генератора уменьшается до Е ост . Таким образом, для нормальной работы генератора с параллельным возбуждением необходимо, чтобы R в в.кр.
Внешняя характеристика генератора с самовозбуждением располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 4.11). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе напряжение уменьшается не только с ростом нагрузки и размагничивающего действия реакции якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения , который зависит от напряжения U, т. е. от тока I н .
Рис. 4.11. Внешние характеристики генераторов с независимым (верхняя кривая) и параллельным (нижняя кривая) возбуждением
Ток короткого замыкания создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4. 0,8) I ном .
Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива.
Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением.
В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 4.12а) ток возбуждения I в =I а =I н .
Рис. 4.12. Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)
Внешняя характеристика (кривая 1) и характеристика холостого хода (кривая 2) изображены на рис. 4.12б. Ввиду того, что в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, такие генераторы практически не применяются. Их используют лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.
В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔU посл компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до I ном оставалось практически неизменным.
Генераторы постоянного тока имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики они снабжаются небольшой последовательной обмоткой (1-3 витка на полюс). При необходимости такие генераторы могут включаться и по схеме с независимым возбуждением.
Генераторы с независимым возбуждением используются только при большой мощности и низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотка возбуждения рассчитывается на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.
Источник
ГЕНЕРАТОР С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
На рис.124 а дана схема соединения генератора с параллельным возбуждением. Обмотка возбуждения параллельно включена обмотке якоря. Ток, проходящий по обмотке якоря 
во время работы генератора от положительной щетки растекается по двум параллельным ветвям:
внешней цепи и обмотке возбуждения. Ток цепи I и ток возбуждения i, притекая к отрицательной щетке, в сумме своей равны току якоря.
. (10-2)
Полезная мощность генератора характеризуется величиной тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому ток возбуждения должен быть по возможности малым. Обычно ток возбуждения составляет 2-5% от номинального тока якоря. Поэтому обмотка возбуждения изготавливается из большого числа витков тонкой медной проволоки.
При нагрузке генератора с параллельным возбуждением напряжение на выходе меняется в зависимости от тока нагрузки по трем причинам:
1) вследствие падения напряжения в обмотке якоря;
2) вследствие уменьшения магнитного потока, вызванного действием реакции якоря;
3) под действием первых двух причин напряжение генератора уменьшается. Ток возбуждения при постоянном сопротивлении цепи пропорционален напряжению на щетках генератора. Поэтому с уменьшением напряжения на якоре ток возбуждения также уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока полюсов, а это в свою очередь, вызывает дополнительное уменьшение эдс и напряжения на зажимах генератора.
Этого не было у генератора с независимым возбуждением, так как обмотка возбуждения питалась от независимого источника постоянного напряжения.
Внешняя характеристика генератора 
изображена на рис.124 б. Верхняя кривая представляет внешнюю характеристику генератора с независимым возбуждением. При работе генератора с параллельным возбуждением понижение напряжения будет больше, чем в случае независимого возбуждения, т.к. напряжение снижается как из-за реакции якоря и увеличения падения напряжения в сопротивлении якоря, так и вследствие уменьшения тока возбуждения.
Влияние последнего фактора особенно резко проявляется при больших нагрузках, т.е. при малых внешних сопротивлениях.
При уменьшении внешнего сопротивления до некоторого определенного значения дальнейшее его уменьшение влечет за собой уже не увеличение тока нагрузки, а его уменьшение.
Наибольший возможный ток 
генератора с параллельным возбуждением называется критическим током.
Если при критическом токе уменьшить сопротивление внешней цепи, то в первый момент ток в якоре возрастает; это вызовет возрастание реакции якоря и падения напряжения в его сопротивлении и, следовательно, понижение напряжения на его зажимах, которое еще больше уменьшится вследствие обусловленного им уменьшения тока возбуждения.
В результате установится режим работы, при котором напряжение снижается в большей степени, чем уменьшается внешнее сопротивление, что приводит к уменьшению нагрузочного тока.
В частности, когда сопротивление внешней цепи равно нулю, т.е. при коротком замыкании, ток возбуждения равен, очевидно, также нулю и ток якоря будет равен:
(10-3)
Следовательно, ток короткого замыкания генератора обуславливается только остаточным магнетизмом машины и для нее не опасен.
- ГЕНЕРАТОР С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Схема генератора с последовательным возбуждением дана на рис.125 а. Как видно из схемы,
обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря. Внешняя характеристика генератора изображена на рис.125 б. Ток в якоре и обмотке возбуждения, включенных последовательно, один и тот же, благодаря чему с ростом нагрузки растут как эдс, так и напряжение генератора.
Однако напряжение будет увеличиваться до известного предела. При больших нагрузках как из-за насыщения магнитной системы машины, так и вследствие реакции якоря рост эдс почти прекращается, в то время как падение напряжения в якоре становится все больше и больше. Поэтому при дальнейшем увеличении нагрузочного тока напряжение снова уменьшается. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением показывает, что с изменением тока нагрузки напряжение машины резко изменяется. Поэтому генераторы этого типа на практике применяются редко.
Дата добавления: 2015-06-17 ; просмотров: 3452 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
В) Генератор с параллельным возбуждением
Схема генератора с параллельным возбуждением представлена на рис. 5-47. Здесь обмотка возбуждения питается от самого генератора. Такая работа возможна благодаря самовозбуждению машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем.
Рис. 5-47. Генератор с параллельным возбуждением.
В полюсах и ярме машины обычно всегда имеет место остаточный магнетизм, наличие которого обусловливает самовозбуждение.
Действительно, поток остаточного магнетизма при вращении якоря наводит в его обмотке небольшую э.д.с., которая создает небольшой ток в обмотке возбуждения. Этот ток при правильном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря увеличивает поток полюсов, который в свою очередь наводит в якоре большую э.д.с. Она создает в обмотке возбуждения соответственно больший ток — снова увеличивается поток и э.д.с. в якоре и т. д. до тех пор, пока не установится соответствие между током возбуждения, магнитным потоком и э.д.с.
Для уяснения процесса самовозбуждения обратимся к рис. 5-48. Здесь изображены характеристика холостого хода E0=f(Iв) и «прямая постоянного сопротивления цепи возбуждения»
E0 = rвIв,
где Е0 принята равной напряжению, приложенному к цепи возбуждения; rв — сопротивление этой цепи.
Можно считать, что падение напряжения в цепи якоря, вызванное током Iв, ничтожно, поэтому напряжение на зажимах якоря, а следовательно, и на зажимах цепи возбуждения можно принять равным э.д.с. Ев. При постоянном сопротивлении rв цепи возбуждения напряжение на ее зажимах пропорционально току Iв, т. е. изменяется при изменении Iв по закону прямой линии, которую мы назвали прямой постоянного сопротивления цепи возбуждения (встречается также название «вольт-амперная» характеристика цепи возбуждения).
Оба уравнения E0=f(Iв) и E0=rвIв одновременно будут удовлетворяться только в точке А. В этой точке мы получаем установившуюся в процессе самовозбуждения э.д.с. Е0 = 
при данном сопротивлении rв. При отклонении э.д.с. от этого значения вследствие какой-нибудь причины после устранения этой причины э.д.с. снова вернется, очевидно, в исходное положение, т. е. будет равна .
На рис. 5-48 
. При увеличении rв угол a будет увеличиваться и при совпадении прямой постоянного сопротивления цепи возбуждения с прямолинейной частью характеристики холостого хода будет равен критическому значению aкр. Соответствующее ему значение rв.кр (tgaкр=rв.кр) называется критическим сопротивлением цепи возбуждения. Оно определяет «порог самовозбуждения» — при увеличении rв сверх rв.кр самовозбуждение невозможно.
Рис. 5 48. Самовозбуждение генератора с параллельным возбуждением.
При rв = rв.кр напряжение на зажимах якоря практически будет неустойчивым. Поток остаточного магнетизма дает очень небольшое напряжение (0,02—0,04 Uн), которое может быть практически устойчивым только при холостом ходе. Этим и объясняется то, что у генератора нормального исполнения получить устойчивое напряжение при холостом ходе, которое было бы меньше 60—70% номинального, не представляется возможным.
Если все же требуется от генератора параллельного возбуждения, чтобы он давал устойчивое напряжение, начиная, например, с 20% номинального, то приходится переходить к специальному выполнению его главных полюсов. Полюсы при этом собирают из листов, показанных на рис. 5-49,а, или их выполняют, как показано на рис. 5-49,б. В обоих случаях в полюсах получаются участки (а и b или участки сплошных листов), которые насыщаются при малом значении потока, вследствие чего характеристика холостого хода искривляется в своей начальной части (рис. 5-50). Генераторы с такой характеристикой применяются в качестве возбудителей, например, для турбогенераторов, для которых требуется изменять их ток возбуждения в широких пределах.
Рис. 5-49. Полюсы для получения искривленной в начальной части характеристики холостого хода.
Рис. 5-50. Характеристика холостого хода, искривленная в начальной части.
Обмотка возбуждения должна быть присоединена к зажимам якоря таким образом, чтобы ток, проходящий по этой обмотке, увеличивал поток остаточного магнетизма, в противном случае машина не может самовозбудиться.
Убедиться в наличии остаточного магнетизма можно путем измерения напряжения при холостой работе машины с отключенной обмоткой возбуждения. Если при включении обмотки возбуждения напряжение уменьшается, то это указывает на неправильное присоединение обмотки возбуждения. Следует или поменять местами ее концы, или изменить направление вращения машины. Обычно применяют первый способ. Генераторы с параллельным возбуждением часто встречаются на практике.
Так как ток, ответвляющийся в обмотку возбуждения, составляет небольшую долю номинального тока, то характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением, снятая для напряжения на зажимах, а не для э.д.с., практически не отличается от той же характеристики генератора с независимым возбуждением; то же можно сказать и о регулировочной характеристике.
Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением U = f(I) при n = const и rв = const представлена на рис. 5-51. Верхняя кривая здесь представляет собой внешнюю характеристику при постоянном токе возбуждения.
Рис. 5-51. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением.
Понижение напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением будет больше, чем на зажимах генератора независимого возбуждения, работающего при постоянном токе возбуждения. У генератора с параллельным возбуждением напряжение понижается не только из-за реакции якоря и внутренних сопротивлений цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения.
При некотором нагрузочном токе дальнейшее уменьшение внешнего сопротивления влечет за собой не увеличение тока, а его уменьшение. Этот наибольший возможный ток Iкр генератора с параллельным возбуждением называется критическим током (рис. 5-51).
Представленный на рис. 5-51 вид внешней характеристики объясняется следующим образом. Если мы при критическом токе уменьшим сопротивление внешней цепи, то в первый момент ток в якоре возрастет. Это вызовет возрастание реакции якоря и внутреннего падения напряжения, а следовательно, понижение напряжения yа его зажимах, которое еще больше уменьшится вследствие обусловленного им уменьшения тока возбуждения. В результате установится режим работы, при котором напряжение будет снижено на относительно большую величину (например, на 30%), чем было уменьшено внешнее сопротивление (например, на 20%), что и приводит к уменьшению нагрузочного тока.
Когда сопротивление внешней цепи равно нулю. т. е. при коротком замыкании, ток якоря равен Iк (рис. 5-51). Этот ток обусловлен наличием остаточного магнетизма. Для больших машин он может быть больше номинального.
Внезапное короткое замыкание для генератора с параллельным возбуждением так же опасно, как и для генератора с независимым возбуждением. Магнитный поток здесь не может быстро уменьшиться из-за большой индуктивности обмотки возбуждения; следовательно, и э.д.с., наведенная им в обмотке якоря, будет уменьшаться постепенно, что приводит к большим значениям тока в цепи якоря в процессе перехода к установившемуся режиму короткого замыкания.
Поэтому генераторы с параллельным возбуждением также должны быть снабжены предохранителями, причем при большой их мощности часто устанавливаются быстродействующие выключатели, отключающие короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достиг опасных значений.
Источник