Генератор независимого возбуждения. Нагрузочная характеристика. Правила построения нагрузочной характеристики?

Генератор с независимым возбуждением. В генераторе этого типа (рис. 8.43) ток возбуждения I _в не зависит от тока якоря I _а, который равен току нагрузки I _н. Ток I _в определяется только положением регулировочного реостата R _p.в, включенного в цепь обмотки возбуждения:

(8.56)

I в = U в /(R в + R p.в),

где U _в — напряжение источника питания; R _в — сопротивление обмотки возбуждения; R _p.в — сопротивление регулировочного реостата

Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1 — 3 % от номинального тока якоря. Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Характеристикой холостого хода (рис. 8.44, а) называют зависимость U ₀ = f (I _в) при I _н = 0 и n = const. При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение U ₀ на зажимах обмотки якоря равно ЭДС Е ₀ = с _еФ n. Частота вращения якоря n поддерживается неизменной, и напряжение при холостом ходе зависит только от магнитного потока Ф, т. е. тока возбуждения I _в . Поэтому характеристика U ₀ = f(I_в) подобна магнитной характеристике Ф = f(I_в). Характеристику холостого хода легко получить экспериментально. Для этого сначала устанавливают ток возбуждения таким, чтобы U ₀ ≈ l,25 U _ном, затем уменьшают ток возбуждения до нуля и снова увеличивают его до прежнего значения. При этом

Рис. 8.44. Характеристики генератора с независимым возбуждением

получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики, которые выходят из одной точки. Расхождение ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При I _в = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная ЭДС Е _ост , которая составляет 2—4 % от U _ном.

Внешней характеристикой (рис. 8.44,б) называют зависимость U = f(I_н) при n = const и I _в = const. В режиме нагрузки напряжение генератора

(8.57)

U = Е - I_а Σ R_a,

где Σ R _a — сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (обмоток якоря, добавочных полюсов и компенсационной).

С увеличением нагрузки на уменьшение напряжения U влияют:

1) падение напряжения во внутреннем сопротивлении Σ R _a машины;

2) уменьшение ЭДС Е в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Изменение напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода

(8.58)

Δ u = (U₀ - U_ном)/U_ном.

Для генераторов с независимым возбуждением оно составляет 5-15%.

Регулировочной характеристикой (рис. 8.44, в) называют зависимость I _в = f(I_н) при U = const и n = const. Она показывает, каким образом следует регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения.

Рис. 8.45. Нагрузочная характеристика генератора с независимым возбуждением и ее построение с помощью характеристического треугольника

Нагрузочной характеристикой (рис. 8.45, а) называют зависимость U = f(I_в) при n = const и I _н= const. Нагрузочная характеристика при I_н = I_ном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 1), которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I _н = 0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении Σ R _a машины.

Наглядное представление о влиянии этих факторов дает характеристический, или реактивный, треугольник ABC. Если к отрезку аА, равному в определенном масштабе напряжению U, при некотором токе нагрузки I _н и токе возбуждения I _в прибавить отрезок АВ, равный в том же масштабе падению напряжения I _а Σ R _a в генераторе, то получим отрезок аВ, равный ЭДС Е.

При холостом ходе ЭДС E индуцируется в обмотке якоря при меньшем токе I '_в, соответствующем абсциссе точки С. Следовательно, отрезок ВС характеризует размагничивающее действие реакции якоря в масштабе тока возбуждения. При неизменном токе I _н катет АВ характеристического треугольника является постоянным; катет ВС зависит не только от тока I _н, но и от степени насыщения магнитной системы, т. е. от тока возбуждения I _в. Однако в ряде случаев влиянием тока возбуждения пренебрегают и принимают, что отрезок ВС пропорционален только току I _н.

Такое допущение позволяет строить нагрузочные характеристики при разных токах, изменяя лишь величину всех сторон треугольника ABC. Если вершина С характеристического треугольника, построенного для некоторого тока I _н,

Рис. 8.46. Графики построения внешней (а) и регулировочной (б) характеристик генератора с независимым возбуждением с помощью характеристического треугольника

расположена на характеристике 1 холостого хода (рис. 8.45,б), а затем по этой характеристике перемещается треугольник ABC так, что катет ВС остается параллельным оси абсцисс, то след точки А изображает приближенно искомую нагрузочную характеристику 2 при заданном значении тока I _н. Эта характеристика несколько отличается от реальной характеристики 3 (которая может быть снята опытным путем), так как величина катета ВС характеристического треугольника изменяется из-за изменения условий насыщения. Используя характеристику холостого хода с помощью характеристического треугольника, можно построить и другие характеристики генератора: внешнюю и регулировочную.

При построении внешней характеристики исходят из характеристики холостого хода 1 (рис. 8.46, а). Взяв точку D на оси ординат, соответствующую номинальному напряжению U _ном, через нее проводят прямую AD, параллельную оси абсцисс На этой прямой располагают вершину А характеристического треугольника, снятого при номинальном токе якоря так, чтобы катет АВ был параллелен оси ординат, а вершина С находилась на характеристике 1. Затем, опустив перпендикуляр из вершины А на ось абсцисс, находят точку А _к , соответствующую номинальному току возбуждения I _в.ном .

При определении I _в.ном учитывают, что под действием реакции якоря ЭДС при нагрузке меньше, чем при холостом ходе, т. е. создается как бы меньшим током возбуждения. Уменьшению тока I _в соответствует отрезок ВС, характеризующий размагничивающее действие реакции якоря. Напряжение при номинальном токе также меньше ЭДС на величину падения напряжения Iа Σ Ra, которому соответствует катет АВ.

При построении искомой зависимости 2, т. е. напряжения U от тока нагрузки I_а, две ее точки можно легко определить: номинальному току I_{а ном} соответствует номинальное напряжение U _ном(точка b), а току якоря, равному нулю (режим холостого хода), — напряжение U ₀ (точка а), равное ЭДС при токе возбуждения I _в.ном. Другие точки (с, d и т. п.) внешней характеристики можно построить, изменяя все стороны характеристического треугольника пропорционально изменению тока якоря и располагая его так, чтобы катеты А'В', А''В",... оставались параллельными оси ординат. При этом точки В, В', В" должны располагаться на вертикальной линии А _к В, соответствующей току возбуждения I _в.ном, а точки С, С', С",...— на характеристике холостого хода 1. Тогда ординаты точек А', А"... будут определять искомую величину напряжения при токах нагрузки I_{а l} = I_{а ном} А'В'/АВ, I_{а 2} = I_{а ном} А"В"/АВ и т. п. Обычно при построении внешней характеристики проводят только гипотенузы характеристических треугольников АС, А"С",..., параллельные АС до пересечения с характеристикой холостого хода и с линией А _к В. Ординаты найденных точек А', А"... определяют искомые величины напряжений (т. е. точки с, d внешней характеристики 2) при токах нагрузки I_{а ном}, I_{а l}, I_{а 2}.

Если из точки А _к провести прямую, параллельную АС до пересечения с характеристикой холостого хода в точке С _к, то можно получить величину тока I _к = I_{а ном} А _к С _к / АС, которая в 5 —15 раз превышает номинальный ток. Зная ток к. з., можно рассчитать максимальный момент, механическую прочность вала и выбрать параметры аппаратуры защиты. Экспериментальное определение тока к. з. затруднительно, так как в процессе проведения опыта может возникнуть круговой огонь.

Построенная характеристика является приближенной. Основная ее погрешность обусловлена тем, что размагничивающее действие реакции якоря (т. е. катет ВС) не пропорционально току якоря. Обычно приведенное построение дает несколько заниженное значение напряжения и тока к. з.

При построении регулировочной характеристики (рис. 8.46, б) сначала находят ток возбуждения I _в0, соответствующий номинальному напряжению при холостом ходе. Чтобы определить ток возбуждения при номинальном токе нагрузки, вершину А характеристического треугольника (соответствующего номинальной нагрузке) располагают на прямой 2, параллельной оси абсцисс и находящейся от нее на расстоянии U _ном. Катет АВ должен быть параллелен оси ординат, а вершина С должна располагаться на характеристике холостого хода 1. Абсцисса вершины А дает искомую величину тока возбуждения. Доказательство справедливости этого построения приведено при построении внешней характеристики. Проводя прямые, параллельные гипотенузе АС, получаем отрезки А'С', А"С",..., заключенные между характеристикой холостого хода 1 и прямой 2, соответствующей условию U = U _ном = const. Эти отрезки представляют собой гипотенузы характеристических треугольников при различных токах нагрузки. Искомая регулировочная характеристика I _в = f (I_а ) — кривая 3 — построена в нижнем координатном углу. Значения тока возбуждения определяются абсциссами точек А, А', А",..., которым соответствуют токи нагрузки, пропорциональные длинам отрезков АС, А'С', А''С",....

Достоинством генераторов с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от нуля до U _мах путем изменения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения под нагрузкой. Однако для питания обмотки возбуждения таких генераторов требуются внешние источники постоянного тока.

Генераторы с независимым возбуждением используют только при большой мощности, а также при малой мощности, но низком напряжении. Независимо от значения напряжения на якоре обмотку возбуждения рассчитывают на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В для упрощения регулирующей аппаратуры.