Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Основные харак-ки ГПТ

Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока в генераторах с магнитным возбуждением используют постоянные магниты, а в генераторах с электромагнитным возбуждением - электромагниты.
Постоянные магниты применяют лишь в машинах очень малых мощностей.
Таким образом, электромагнитное возбуждение является наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока.
При этом способе возбуждения магнитный поток создается током, проходящим по обмотке возбуждения.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть с независимым возбуждением и с самовозбуждением.
При независимом возбуждении (изо, а) обмотка возбуждения включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp. При таком возбуждении ток Iв не зависит от тока в якоре I.
Недостатком генераторов независимого возбуждения является потребность в дополнительном источнике энергии. Поэтому генераторы независимого возбуждения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения обмотки возбуждения могут быть параллельного (изо, б), последовательного (изо, в) и смешанного (изо, г) возбуждения.

Схемы возбуждения генераторов постоянного тока:
а - независимого, б - параллельного, в - последовательного, г - смешанного

У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет большое число витков.
При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.
При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещаются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная.
Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой остаточный магнитный поток Ф0. Этим магнитным потоком в обмотке вращающегося якоря индуктируется эдс Е0, составляющая несколько процентов номинального напряжения машины.
Под действием эдс Е0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и обмотки возбуждения, проходит ток Iв.

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения IB ( - число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф, что вызывает повышение как эдс в обмотке якоря Е, так и тока в обмотке возбуждения Iв. Увеличение последнего приводит к дальнейшему возрастанию Ф, что, в свою очередь, увеличивает Е и Iв.
Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от частоты вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения.
При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного потока замедляется и процесс самовозбуждения заканчивается.
Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током. Поэтому уменьшается эдс и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Напряжение так же, как и эдс, прямо пропорционально частоте, вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.

Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются эдс в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре I, ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n.
Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничнвании стали, б — при изменении частоты вращения якоря

Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.
Снятие всех характеристик машины производится при постоянной частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между эдс в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. Так как эдс, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ, то при постоянной частоте вращения эдс окажется прямо пропорциональной магнитному потоку.
Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.
При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Ф0, который индуктирует в обмотке якоря эдс Е (изо, а).
Эта эдс составляет несколько процентов (2 - 5%) номинального напряжения машины.
С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастают как магнитный поток, так и эдс, индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении Iв возрастает и эдс (кривая 1).
Если после снятия восходящей ветви от точки А начать постепенно понижать ток возбуждения Iв, то эдс также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно снять весь цикл перемагничивания стали машины.
Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).
На изо, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различной частоте вращения якоря генератора.
Вращению якоря машины с номинальной частотой nн, указанной в паспорте генератора, соответствует кривая 1. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики.
Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение эдс.
Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения эдс требуются очень большие изменения тока возбуждения.
При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так как эдс пропорциональна частоте. При n' > nн характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2), а при n' < nн - ниже (кривая 3), чем при номинальной частоте вращения.
Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В), либо на пологом (точка С) участке магнитной характеристики, что вызывает изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения (I = Iв). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет примерно равным эдс и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.

Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения RB постоянно) и снимается при неизменной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при постоянном RB неизменен также и ток возбуждения Iв. Внешние характеристики такого генератора показаны на изо, а.