Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

 

Iв=Еост/(Rя+Rв+Rр),

 

где Rя - сопротивление цепи якоря; Rв - сопротивление обмотки возбуждения; Rр - сопротивление регулировочного реостата (в процессе самовозбуждения сопротивление Rp остается постоянным).

Под действием этого тока возбуждения происходит некоторое увеличение магнитного потока машины, а следовательно, ЭДС (в соответствии с характеристикой холостого хода). Возрастание ЭДС, в свою очередь, приводит к возрастанию тока возбуждения и т. д.

Однако возрастание ЭДС не будет беспредельным. Согласно характеристике холостого хода с увеличением тока возбуждения темп нарастания ЭДС постепенно снижается.

Тангенс угла наклона характеристики определяется коэффициентом пропорциональности ΣR между ЭДС Е и током возбуждения Iв.

Очевидно, что процесс самовозбуждения генератора будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить возрастание тока возбуждения. При равенстве ЭДС, определяемой этим уравнением, ЭДС, соответствующей характеристике холостого хода, процесс самовозбуждения генератора заканчивается. Этому соответствует вполне определенное значение тока возбуждения. Точка пересечения 1 характеристики холостого хода с прямой, описываемой полученным выше уравнением, и определяет тот режим, который устанавливается в конце процесса самовозбуждения генератора. Для уменьшения ЭДС, а следовательно, напряжения на зажимах генератора по окончании процесса самовозбуждения достаточно увеличить величину сопротивления Rp регулировочного реостата. При этом в соответствии с приведенным выше уравнением тангенс угла наклона прямой увеличится и она пересечется с характеристикой холостого хода в точке 2. При разрыве цепи возбуждения сопротивление ее возрастет до бесконечности, а ЭДС на зажимах якоря будет равной Еост. С уменьшением величины сопротивления Rр регулировочного реостата тангенс угла наклона прямой будет уменьшаться, а следовательно, будет увеличиваться напряжение на зажимах генератора.

Магнитное поле, создаваемое полюсами индуктора, равномерно распределяется вдоль воздушного зазора машины. При подключении нагрузки в проводниках обмотки якоря увеличивается ток I, который создает свое собственное магнитное поле. Это поле взаимодействует с основным полем, создаваемым полюсами индуктора. Воздействие поля якоря на основное поле машины называется реакцией якоря.

Влияние потока якоря приводит к искажению результирующего поля машины и неравномерному распределению магнитного потока под полюсами. При этом в тех местах полюсов, где направление линий поля якоря и поля индуктора совпадают, происходит усиление результирующего поля, в противном случае - ослабление результирующего магнитного поля.

Вследствие искажения поля машины происходит смещение физической нейтрали, перпендикулярной направлению магнитных силовых линий относительно геометрической нейтрали, на которой устанавливаются щетки. В процессе вращения якоря неподвижные щетки периодически замыкают накоротко соседние коллекторные пластины и, следовательно, замыкают накоротко часть обмотки якоря (секции), цепь которой соединена с этими пластинами. При этом происходит периодическое замыкание и размыкание цепи; щетка - короткозамкнутая секция, в проводниках которой под действием индуцированной в них ЭДС возникает ток короткого замыкания. Величина этого тока будет зависеть от величины указанной ЭДС. Процесс перехода щетки с одной коллекторной пластины на другую и явления, связанные с этим переходом, называются коммутацией. Если же щетки будут оставаться на геометрической нейтрали, то в проводниках короткозамкнутой секции будет возникать довольно значительная ЭДС и ток, вызывающий в процессе коммутации значительное искрение под щетками и, как следствие этого, подгорание коллекторных пластин. При наиболее неблагоприятных условиях коммутации искрение настолько возрастает, что вокруг коллектора может возникнуть так называемый «круговой огонь», при котором обмотка якоря практически работает в режиме короткого замыкания.

Для обеспечения безыскровой коммутации, с изменением тока нагрузки необходимо соответственно менять в положение щеток, что представляет большие неудобства в процессе эксплуатации машины.

В современных машинах постоянного тока для безыскровой работы применяют дополнительные полюса, расположенные между основными полюсами на геометрической нейтрали. Полярность дополнительных полюсов выбирают с таким расчетом, чтобы их поток был направлен навстречу поперечной составляющей потока якоря. Для автоматической компенсации продольной составляющей потока якоря при изменении нагрузки обмотки дополнительных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря машины с таким расчетом, чтобы поток дополнительных полюсов при любой заданной нагрузке был равен поперечной составляющей потока якоря при этой нагрузке.

Важнейшей характеристикой генератора постоянного тока с параллельным возбуждением является внешняя характеристика - зависимость напряжения на зажимах от тока нагрузки I при постоянном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость U(I) при Iв=const и n=nном=сопst.

Уравнение, описывающее внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуждением, можно получать исходя из уравнения электрического равновесия, записанного по второму закону Кирхгофа для цепи нагрузки:

 

E=U+RяIя.

 

Пренебрегая относительно небольшой величиной тока возбуждения, без особой погрешности можно принять I=Iя.

С учетом этого уравнение внешней характеристики запишется в виде

 

U=E-RяI.

 

Если при этом принять E=const, то внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением представится в виде прямой.

В реальных машинах Е ≠ const вследствие размагничиваю щего действия реакции якоря, так как с увеличением тока якоря результирующий поток, а следовательно, и ЭДС якоря уменьшаются, и при этом уменьшается ток возбуждения. Поэтому в действительности внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет вид ниспадающей кривой 1. В целом уменьшение напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока нагрузки обусловлено следующими основными причинами: 1) с увеличением тока нагрузки увеличивается падение напряжения на обмотке якоря – RяIя; 2) с увеличением нагрузки вследствие реакции якоря происходит уменьшение результирующего магнитного потока, а следовательно, и ЭДС Е якоря.

Наличие указанных причин, в свою очередь, приводит к уменьшению тока возбуждения, а следовательно, уменьшению магнитного потока, ЭДС якоря и соответственно напряжения на зажимах генератора.

Таким образом, в соответствии с внешней характеристикой генератора с параллельным возбуждением, по мере увеличения тока нагрузки происходит уменьшение напряжения на его зажимах.

Во многих случаях на практике необходимо, чтобы с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным, т. е. U=E-RяI=const.

Из этого уравнения видно, что для обеспечения постоянства напряжения необходимо, чтобы падение напряжения RяI на обмотке якоря, а также снижение ЭДС за счет указанных выше других причин было скомпенсировано, с тем чтобы разность в правой части уравнения при изменении тока нагрузки в заданных пределах оставалась постоянной. Это достигается соответствующим увеличением ЭДС Е якоря в результате изменения тока возбуждения генератора. Регулировочной характеристикой называется зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при n=nном=соnst, при которой обеспечивается постоянство напряжения на зажимах генератора, т. е. зависимость Iв(I) при U=const и n=nном=соnst. Изменение тока возбуждения Iв производится изменением положения движка регулировочного реостата Rp.

Из регулировочной характеристики видно, что с увеличением тока нагрузки при заданных условиях ток возбуждения должен возрастать вначале медленно. По мере дальнейшего роста нагрузки, вследствие явления насыщения стали магнитопровода, незначительное приращение магнитного потока, а следовательно, незначительное приращение ЭДС Е якоря достигается довольно значительным увеличением тока возбуждения. В результате в области относительно больших нагрузок кривая зависимости Iв(I) довольно резко загибается вверх.

У генератора постоянного тока с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от постороннего, независимого источника, в качестве которого может быть использован другой генератор постоянного тока, аккумуляторная батарея, а также любой другой источник постоянного напряжения.

Свойства генератора с независимым возбуждением так же, как и генераторов с параллельным возбуждением, определяются соответствующими характеристиками.

Характеристика холостого хода генератора с независимым возбуждением по виду не отличается от соответствующей характеристики генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.

Внешняя характеристика такого генератора имеет примерно тот же вид, что и у генераторов с параллельным возбуждением, но оказывается более жесткой, так как у этих генераторов отсутствует третья причина снижения напряжения, вследствие чего при изменении тока нагрузки происходит несколько меньшее изменение напряжения на зажимах генератора такого типа. Этим объясняется также и то, что регулировочные характеристики генератора с независимым возбуждением оказывается более пологой, чем генератора с параллельным возбуждением.

Генератор постоянного тока с последовательным возбуждением имеет обмотку возбуждения, которая включается последовательно с обмоткой якоря и с нагрузкой, поэтому в данном случае ток якоря оказывается равным току возбуждения и току нагрузки, т. е. Iя=Iв=I.

Характеристика холостого хода генератора с последовательным возбуждением снимается при питании обмотки возбуждения от независимого источника и имеет тот же вид, что и у генераторов других типов.

Уравнение электрического равновесия, записанное для замкнутой цепи генератора с последовательным возбуждением в соответствии со вторым законом Кирхгофа, имеет вид

 

E=U+(Rв+Rя)I,

 

где Rв - сопротивление обмотки последовательного возбуждения.

С учетом этого уравнение внешней характеристики для этого генератора запишется в виде

 

U=E-(Rя+Rв)I.

 

Сопротивление обмотки возбуждения Rв у генераторов с последовательным возбуждением, рассчитанной на прохождение всего тока нагрузки, оказывается незначительным, поэтому при расчете характеристик оно не учитывается.

Как видно из уравнения, напряжение на зажимах генератора при любой заданной нагрузке равно разности между ЭДС и падением напряжения на обмотках якоря и возбуждения.

С изменением же тока нагрузки, равного току возбуждения, величины, входящие в уравнение, будут изменятьс я. При этом ЭДС изменяется в соответствии с характеристикой холостого хода, а падение напряжения (Rя+Rв)I по прямолинейному закону (зависимость 2). Нетрудно видеть, что данному значению тока нагрузка соответствует напряжение, определяемое как разность ординат указанных зависимостей.

В результате внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением приобретает вид зависимости 3.

Особенностью внешней характеристики генератора с последовательным возбуждением является то, что в пределах относительно малых нагрузок напряжение на его зажимах возрастает, а при достаточно больших - снижается. Подобная внешняя характеристика является весьма неудобной при работе с меняющейся нагрузкой. Поэтому такие генераторы целесообразно использовать для питания потребителей с постоянной нагрузкой, изменение напряжения на зажимах генератора, в отличие от генераторов с параллельным и независимым возбуждением, осуществляется путем изменения величины тока в обмотке возбуждения - либо шунтированием обмотки соответствующим сопротивлением, либо уменьшением числа витков обмотки возбуждения шунтированием части из них.

Резкое уменьшение напряжения с увеличением нагрузки обусловливает значительно меньшие токи короткого замыкания, чем у генераторов с параллельным и независимым возбуждением.

Вследствие этого подобные генераторы находят широкое применение для питания потребителей, сопротивление которых может принимать весьма малые значения, а также потребителей, способных создавать при работе режимы короткого замыкания (например, сварочные дуговые машины), без опасности недопустимой перегрузки обмоток генератора.

Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением отличаются наличием двух обмоток возбуждения. Цепь одной из обмоток возбуждения (Rв1) включается параллельно цепи якоря, а цепь другой (Rв2) - последовательно с обмоткой якоря и с нагрузочным сопротивлением. Таким образом, генератор со смешанным возбуждением имеет комбинированную систему возбуждения.

При отключении обмотки параллельного возбуждения подобный генератор превращается в генератор с последовательным возбуждением, а при отключении обмотки последовательного возбуждения - в генератор с параллельным возбуждением.

Основной обмоткой возбуждения такого генератора является обмотка параллельного возбуждения (Rв1). Последовательная обмотка возбуждения (Rв2) выполняет при этом роль вспомогательной.

Уравнение электрического равновесия, записанное для якорной цепи генератора, и уравнение внешней характеристики соответственно имеют такой же вид, как и уравнения для генератора с последовательным возбуждением. Однако входящий в выражение для ЭДС якоря магнитный поток представляет собой сумму магнитного потока Ф2, создаваемого последовательной обмоткой возбуждения, и потока Ф1, создаваемого параллельной обмоткой возбуждения. При согласном включении обмоток возбуждения генератора этот поток оказывается равным Ф=Ф1+Ф2.