Синхронные машины. Машины постоянного тока

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 D на 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 U0 при 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 Iв.ном = Uном/ Rв соответствует абсциссе точки А;

б) э. д. с. генератора при номинальной нагрузке Еном = Uном + Iаном∑r соответствует ординате точки В;

в) э. д. с. Еном можно определить по характеристике холостого хода, если взять ток возбуждения, который меньше Iв.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 U0 и Uном. 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 Iа1, Iа2 и т.д., величины которых определяются из соотношения Iаном: Iа1: Iа2:… = 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 Iк 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) Iном. Генератор может быть нагружен только до некоторого максимального тока Iкр. При дальнейшем снижении сопротивления нагрузки rн ток Iн ≈ Iа≈ U/rн начинает уменьшаться, так как U падает быстрее, чем уменьшается rн. Работа на участке ab внешней 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 Iв = Iа = Iн. 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 Iн.

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

При токах, меньших Iкр, 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 Iн > Iкр напряжение U с 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.

Рис. 2.56 – Схема генератора со смешанным возбуждением и его внешние характеристики

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 2.56, а) имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 2.56, б) в первом приближении может быть представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн, напряжение возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).

Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔUпосл 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 Iном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2–3%. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение Uном > U0 (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении ∑r генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы ее м. д. с. была направлена против м. д. с. параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большем числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей (кривая 5). Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Генераторы постоянного тока, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики их снабжают небольшой последовательной обмоткой (один-три витка на полюс).

При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым возбуждением. Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.

2.9 Параллельная работа генераторов постоянного тока

Рассмотрим параллельную работу генератора, имеющего параллельное или независимое возбуждение, с сетью бесконечно большой мощности, т.е. при условии, что напряжение сети U = const.

Подключение генератора к сети (рис. 2.57, а). Чтобы включить генератор на параллельную работу с сетью, необходимо привести якорь генератора во вращение с номинальной частотой, проверить соответствие полярности щеток генератора и проводов сети и установить такой ток возбуждения, при котором напряжение генератора Uг0 = E0 равно напряжению сети U. При обеспечении этих условий включение генератора не будет сопровождаться броском тока, так как IH = (Uг0 – U)/∑r = 0. Условие Uг0 – U проверяют с помощью нулевого вольтметра V.

Нагрузка генератора. Чтобы нагрузить генератор, подключенный к сети, необходимо повысить его э. д. с. Это можно сделать путем увеличения частоты вращения якоря или тока возбуждения. Удобнее однако, воздействовать на ток возбуждения.

Рис. 2.57 – Схема подключения генератора с параллельным возбуждением к сети и определение его тока нагрузки по внешним характеристикам

Величину тока нагрузки Iн да Iа при заданном токе возбуждения можно определить графически по внешним характеристикам генератора 1 и 2, построенным при различных величинах тока возбуждения (рис. 2.57, б). Например, при некотором токе возбуждения Iв1 (кривая 1) равенство напряжений генератора Uг и сети U имеет место в точке А при токе нагрузки Iн1 = 0. При токе возбуждения Iв2 внешняя характеристика генератора (кривая 2) пересекается с линией U = const в точке В, соответствующей некоторому установившемуся значению Iн2 тока нагрузки.

Работа генератора в этой точке является устойчивой: при случайном изменении тока нагрузки, а следовательно, и тока якоря на величину ΔIн ≈ ΔIа возникает переходный процесс, для которого можно написать уравнение

,                     (2.71)

где u = U – мгновенное значение напряжения, сети; iн и е–мгновенные значения тока нагрузки и э. д. с. генератора при переходном процессе; La – индуктивность цепи обмотки якоря; иг – мгновенное значение напряжения генератора.

Из (2.71) следует, что

dijdt = (ur–u)/La.                                                   (2.72)

При случайном увеличении тока нагрузки свыше Iн2 напряжение генератора uг становится меньше напряжения сети u, следовательно, производная diв/dt будет отрицательной, т.е. ток нагрузки начнет уменьшаться, стремясь к установившемуся значению Iн2. При случайном уменьшении тока ниже Iн2 напряжение иг > и, производная diн/dt > 0 и ток нагрузки начнет возрастать до установившегося значения Iн2.

Генератор с последовательным возбуждением устойчиво работать параллельно с сетью не может, так как его напряжение Uг увеличивается при возрастании тока нагрузки Iн (рис. 2.58, а). Поэтому при случайном отклонении тока якоря от некоторого установившегося значения Iн, при котором Uг = U (точка А), машина сбрасывает нагрузку или переходит в режим работы, соответствующий очень большому току.

Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением (рис. 2.58, б) имеет две точки пересечения с прямой U = const. Точка А соответствует неустойчивому режиму работы, а точка В-устойчивому. Однако и генератор со смешанным возбуждением для параллельной работы с сетью применяют редко, так как для него характерны броски тока при переходе из неустойчивого режима в устойчивый.

Рис. 2.58 – Определение тока нагрузки при подключении к сети генераторов с последовательным и смешанным возбуждением

2.10 Электродвигатели постоянного тока

Машина постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением, подключенная к сети с постоянным напряжением U, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой.

Для контура «обмотка якоря – сеть» можно согласно II закону Кирхгофа написать уравнение

,                                                        (2.73а)

Откуда

.                                                      (2.73б)

Если Е > U, то ток Iа совпадает по направлению с э. д. с. Е и машина работает в генераторном режиме (рис. 2.59, а). При этом электромагнитный момент М противоположен направлению вращения n, т.е. является тормозным. Уравнение (2.73а) для генераторного режима может быть записано в виде

U = E-IaΣr                                                             (2.74а)

Если же Е <.U, то ток Iа в уравнении (2.73б) меняет свой знак и будет направлен против э. д. с. Е. В соответствии с этим изменит свой знак и электромагнитный момент М, т.е. он будет действовать по направлению вращения n. При этом машина будет работать в двигательном режиме (рис. 2.59, б) и уравнение (2.73а) примет вид

,                                                        (2.74б)

если за положительное направление тока Iа для двигигильного режима принять его направление, встречное к э.д.с, Е.

Рис. 2.59 – Направление тока I0 и электромагнитного момента М при работе машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах

Таким образом, генераторы с независимым и параллельным возбуждением, подключенные к сети с напряжением U, автоматически переходят в двигательный режим, если их э. д. с. Е становится меньше напряжения сети U. Точно так же рассматриваемые двигатели автоматически переходят в генераторный режим, когда их э. д. с. Е становится больше U.

Рис. 2.60 – Схема двигателя с параллельным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря

При работе машины постоянного тока в двигательном режиме э. д. с. Е и вращающий момент M определяются теми же формулами, что и для генератора

;                                                               (2.75)

,                                                            (2.76)

но момент имеет противоположное направление. Из (2.74б) и (2.75) можно получить формулу для определения частоты вращения

.                               (2.77)

Свойства двигателей постоянного тока, как и генераторов, в основном определяются способом питания обмотки возбуждения. В связи с этим различают двигатели с параллельным, независимым последовательным и смешанным возбуждением. Схемы включения двигателей отличаются от схем включения соответствующих генераторов только наличием пускового реостата, который вводится для ограничения тока при пуске.

Двигатель с параллельным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.60, а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат rр.в, а в цепь якоря–пусковой реостат rп. Характерной особенностью двигателя является то, что ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Ia (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. При этом условии согласно (2.76) и (2.77) получим, чтс зависимости M = f(Ia) и n=f(Ia) (моментная и скоростная характеристики) будут линейными (рис. 2.60, б). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя n = f(M) (см. рис. 2.61, а). Если в цепь якоря включен добавочный резистор или реостат с сопротивлением rп, то

,                                   (2.77а)

где n0 = U/(сеФ) – частота вращения при холостом ходе; Δn = (∑r + rп) Iа/(сеФ) – уменьшение частоты, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Величина Δn, т.е. сумма сопротивлений ∑r + rп, определяет наклон скоростной n = f(Ia) и механической М = f(Iа) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления rп указанные характеристики будут «жесткими» (естественные характеристики 1 на рис. 2.60, б и 2.61, а), так как падение напряжения Iа∑r в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3–5% от Uном. При включении добавочного сопротивления rп угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего образуется семейство реостатных характеристик 2, 3, 4, соответствующих различным значениям rп2, rп3 и rп4. Чем больше сопротивление rп, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т.е. тем она «мягче». Следует отметить, что реакция якоря, уменьшая несколько поток машины Ф при нагрузке, стремится придать естественной механической характеристике отрицательный угол наклона, при котором частота вращения n возрастает с увеличением момента М. Однако двигатель с такой характеристикой в большинстве электроприводов устойчиво работать не может. Поэтому современные мощные двигатели с параллельным возбуждением часто снабжают небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая придает механической характеристике необходимый наклон. М. д. с. этой обмотки при токе Iном составляет 10% от м. д. с. параллельной обмотки.

Рис. 2.61 – Механические и рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением

Регулировочный реостат rp.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. Как следует из (2.77а), при этом будет изменяться и частота вращения n. В цепь обмотки возбуждения выключатели и предохранители не устанавливают, так как при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу частота вращения двигателя резко возрастает (двигатель идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь.

На рис. 2.61, б изображены рабочие характеристики рассматриваемого двигателя. Они представляют собой зависимости потребляемой мощности P1 тока Ia ≈ Iн, частоты вращения n, момента М и к. п. д. η от отдаваемой мощности Р2 на валу двигателя при U = const и Iв = const. Характеристики n = f(P2) и M = f(Р2), как следует из рассмотренных ранее положений, являются линейными, а зависимости Pl = f(P2), Ia = f(P2) и η = f(P2) имеют характер, общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря Iа.

В случае, если обмотка якоря двигателя и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание двигателей осуществляется от генераторов или полупроводниковых преобразователей. Механические и рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iа.

Рис. 2.62 – Схема двигателя с последовательным возбуждением, зависимости его момента и частоты вращения от тока якоря

Двигатель с последовательным возбуждением. В этом двигателе (рис. 2.62, а) ток возбуждения Iв = Iа, поэтому магнитный поток Ф является некоторой функцией тока якоря Iа. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря 1а < (0,8 ÷ 0,9) Iном, когда магнитная система машины не насыщена Ф = kфIа, причем коэффициент пропорциональности kФ в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем Iа, и при больших нагрузках (Iа > Iном) можно считать, что Ф = const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n = f(Ia) и M – f(Ia).

При токе якоря Iа < (0,8 ÷ 0,9) Iном частота вращения

,                   (2.78)

где с1 и с2 – постоянные.

Следовательно, скоростная характеристика двигателя n = f (Ia) имеет форму гиперболы (рис. 2.62, б).

При токе якоря Iа > Iном частота вращения

,            (2.78а)

где с'1 и с'2 – постоянные.

В этом случае скоростная характеристика n = f(Ia) становится линейной.

Аналогично может быть получена зависимость электромагнитного момента от тока якоря–M = f(Ia). При Iа < (0,8 ÷ 0,9) Iиом электромагнитный момент

,                                   (2.79)

где c3 – постоянная.

Следовательно, моментная характеристика М = f(Iа) имеет форму параболы (рис. 2.62, б).

При Iа > Iном электромагнитный момент

,                                                  (2.79а)

где с'3–постоянная.

В этом случае зависимость M = f(Ia) становится линейной.

Механические характеристики n = f(M) (см. рис. 2.63, а) могут быть построены на основании зависимостей ni = f(Ia) и M=f(Ia). При токе якоря, меньшем (0,8 ÷ 0,9) Iном, частота вращения изменяется по закону

,                      (2.80)

где с»1–постоянная.

При токе якоря, большим Iном, зависимость n = f(M) становится линейной.

Кроме естественной характеристики 1, путем включения добавочных пусковых сопротивлений rп в цепь якоря можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям rп2, rп3 и rп4; причем чем больше гп, тем ниже располагается характеристика.

Из рис. 2.63, а следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются «мягкими» и имеют гиперболический характер.

Рис. 2.63 – Механические и рабочие характеристики двигателя с последовательным возбуждением

При малых нагрузках частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 –0,25) Iном; только двигатели очень малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеют место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Объясняется это тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16