Генератори незалежного збудження

1. Характеристика холостого ходу
2. Характеристика короткого замикання
3. Характеристичний (реактивний) трикутник
4. Зовнішня характеристика генератора
5. регулювальна характеристика
6. навантажувальна характеристика
7. Вплив зсуву щіток

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

Властивості генераторів аналізуються за допомогою характеристик, які встановлюють залежності між основними величинами, що визначають роботу генераторів. Такими основними величинами є: 1) напруга на затискачах U, 2) струм збудження i в, 3) струм якоря I а чи струм навантаження I, 4) швидкість обертання n.

Зазвичай генератори працюють при n = const. Тому основні характеристики генераторів визначаються при n = n н = const.

Існують п'ять основних характеристик генераторів: 1) холостого ходу, 2) короткого замикання , 3) зовнішня, 4) регулювальна, 5) здатність навантаження.

Всі характеристики можуть бути визначені як експериментальним, так і розрахунковим шляхом.

Розглянемо основні характеристики генератора незалежного збудження.

Характеристика холостого ходу

Характеристика холостого ходу (х. Х. Х.) U = f (i в) при I = 0 і n = const визначає залежність напруги або електрорушійної сили (е. Д. С.) Якоря E а від струму збудження при холостому ході ( I = 0, P 2 = 0). Характеристика знімається експериментально за схемою малюнка 1, а при вимкненому рубильнику.

Малюнок 1. Схеми генераторів і двигунів незалежного (а), паралельного (б), послідовного (в), змішаного (г) збудження (суцільні стрілки - напрямки струмів в режимі генератора , Штрихові - в режимі двигуна )

Зняття характеристики доцільно починати з максимального значення струму збудження і максимальної напруги U = (1,15 - 1,25) U н (точка а кривої на малюнку 2). При зменшенні i в напруга зменшується по низхідній гілці аб характеристики спочатку повільно через насичення магнітного кола, а потім швидше. При i в = 0 генератор розвиває деяку напругу U 00 = Про (малюнок 2), зазвичай рівне 2 - 3% від U н, внаслідок залишкової намагніченості полюсів і ярма індуктора. Якщо потім змінити полярність збудження і збільшити i в в зворотному напрямку, починаючи з i в = 0, то при деякому i в <0 напруга впаде до нуля (точка в, малюнок 2), а потім U змінить знак і буде зростати по абсолютній величині по гілці вГ х. х. х. Коли струм i в і напруга U досягнутий в точці г такого ж абсолютного значення, як і в точці а, ток i в зменшуємо до нуля (точка д), міняємо його полярність і знову збільшуємо, починаючи з i в = 0. При цьому U змінюється по гілці деа х. х. х. У підсумку повернемося в точку а характеристики. Х. х. х. має вигляд вузької гистерезисной петлі внаслідок явища гистерезиса в магнітному колі індуктора.

При знятті х. х. х. ток i в необхідно міняти тільки в напрямку, зазначеному на малюнку 2 стрілками, тому що в противному випадку крапки не будуть лягати на дану Гістерезисні петлю, а будуть розсіюватися.

Середня штриховая х. х. х. на малюнку 2 являє собою розрахункову х. х. х., яка в певному масштабі повторює магнітну характеристику генератора, і по ній можна визначити коефіцієнт насичення машини k μ.

Характеристика холостого ходу дозволяє судити про насичення магнітного кола машини при номінальній напрузі, перевіряти відповідність розрахункових даних експериментальним і становить основу для дослідження експлуатаційних властивостей машини.

Характеристика короткого замикання

Характеристика короткого замикання (х. К. З.) I = f (i в) при U = 0 і n = const знімається при замиканні вихідних затискачів ланцюга якоря генератора накоротко. Так як U = 0, то, відповідно до виразу

( рівняння напруги U на затискачах генератора ), E а = I а × R а і оскільки R а мало, то в умовах досвіду е. д. з. E а також повинна бути мала. Тому необхідно проявляти обережність і почати зняття х. к. з. з мінімальних значень i в, щоб струм якоря не отримав неприпустимо великого значення. Зазвичай знімають х. к. з. до I = (1,25 - 1,5) I н. Так як при знятті х. к. з. електрорушійна сила мала і тому потік малий і машина не насичена, то залежність I = f (i в) практично прямолінійна (рисунок 3). При i в = 0 через наявність залишкового магнітного потоку ток I НЕ дорівнює 0 і в великих машинах близький до номінального і навіть більше його. Тому перед зняттям х. к. з. таку машину доцільно розмагнітити, живлячи на холостому ходу обмотку збудження таким струмом збудження зворотного напрямку, при якому буде U = 0. У розмагніченого машині х. к. з. починається з нуля (штрихова лінія на малюнку 3) Якщо х. к. з. знята без попереднього розмагнічування машини (суцільна лінія на малюнку 3), то її також доцільно перенести паралельно самій собі в початок координат (штрихова лінія на малюнку 3).

Характеристичний (реактивний) трикутник

Характеристичний (реактивний) трикутник визначає реакцію якоря і падіння напруга в ланцюзі якоря. Він будується для знаходження реакції якоря за експериментальними даними і використовується також для побудови деяких характеристик машини, якщо вони не можуть бути зняті експериментально. Характеристичний трикутник можна побудувати за експериментальними даними за допомогою х. х. х. і будь-який інший основний характеристики машини, а також за розрахунковими даними. Розглянемо тут його побудова за допомогою х. х. х. і х. к. з., для чого звернемося до малюнка 4, де зображені х. к. з. I = f (i в) (пряма 1) і початкова, прямолінійна частина х. х. х. U = f (i в) (пряма 2), що проходять через початок координат.

Побудуємо характеристичний трикутник для номінального струму машини I а = I = I н, якому на х. к. з. відповідає точка а й на осі абсцис точка б (рисунок 4, а). Побудуємо на прямий аб відрізок бв, рівний в масштабі прямий 2 падіння напруги в ланцюзі якоря I н × R а, і з'єднаємо точку в горизонтальній прямій з точкою г на х. х. х. Тоді трикутник БВГ і буде характеристичним трикутником. Горизонтальний катет ВГ цього трикутника є намагнічує силу реакції якоря в масштабі струму збудження, що можна довести в такий спосіб.

Відрізок 0б на малюнку 4, а дорівнює току i в, необхідного для отримання при короткому замиканні струму I = I н. У якорі при цьому повинна индуктироваться е. д. з. E а = I н × R а, рівна відрізку гд, для чого при холостому ході потрібно струм збудження 0д = i ве. Таким чином, різниця 0б - 0д = дб = i ва між дійсним струмом i в = 0б при короткому замиканні і струмом i ве = 0д при холостому ході може бути зумовлена лише впливом струму в якорі і повинна тому висловлювати собою силу, що намагнічує реакції якоря в масштабі струму збудження i в.

Малюнок 4, а відповідає випадку розмагнічуючої реакції якоря (i ва більше 0), а малюнок 4, б - нагоди намагничивающей реакції якоря (i ва менше 0). В останньому випадку х. к. з., природно, повинна підніматися крутіше. Для інших значень струмів якоря (I ≠ I н) катети трикутника БВГ змінюються практично пропорційно току якоря, так як нелінійність опору щіткового контакту надає мале вплив.

Оскільки в умовах зняття х. к. з. магнітна ланцюг машини не насичена, то побудований таким чином характеристичний трикутник враховує тільки подовжню реакцію якоря, викликану випадковим або свідомим зсувом щіток з геометричної нейтрали і відхиленням комутації від прямолінійної. При установці щіток на геометричної нейтрали катет трикутника i ва = дб дорівнює силі, що намагнічує комутаційної реакції якоря (в масштабі i в) та характеризує якість комутації (на малюнку 4, а - уповільнена комутація і на малюнку 4, б - прискорена). Коли щітки стоять на нейтрали і комутація прямолінійна, i ва = дб = 0 і трикутник БВГ вироджується в вертикальну пряму.

Для побудови характеристичного трикутника з урахуванням впливу поперечної реакції якоря можна скористатися х. х. х. і зовнішньої, регулювальної або навантажувальної характеристикою. Зазвичай користуються навантажувальної характеристикою.

Зовнішня характеристика генератора

Зовнішня характеристика генератора незалежного збудження U = f (I) при i в = const і n = const (рисунок 5) визначає залежність напруги генератора від його навантаження в природних умовах, коли струм збудження не регулюється.
При збільшенні I напруга U кілька падає з двох причин: внаслідок падіння напруги в ланцюзі якоря I × R а і зменшення е. д. з. E а зважаючи на зменшення потоку під впливом поперечної реакції якоря (при щітки на геометричної нейтрали). При подальшому збільшенні I напруга почне падати швидше, так як під впливом реакції якоря потік зменшується і робоча точка зміщується на більш круто падаючу ділянку кривої намагнічування машини.

Зовнішню характеристику рекомендується знімати при такому порушенні (i в = i вн), коли при I = I н також U = U н (номінальний режим). При переході до холостого ходу (I = 0) в цьому випадку напруга зростає на цілком певну величину Δ U н (рисунок 5), яка називається номінальним зміною напруги генератора. В генераторах незалежного збудження

Зовнішню характеристику (в лівому квадраті малюнка 6) можна побудувати також за допомогою х. х. х. (У правому квадранті малюнка 6) і характеристичного трикутника. Для цього проведемо на малюнку 6 вертикальну пряму аб, відповідну заданому току i в = const. Тоді аб = 0в є U при I = 0 і визначає початкову точку зовнішньої характеристики.

Розмістимо потім на малюнку 6 характеристичний трикутник де, побудований у відповідних масштабах для I = I н, таким чином, щоб його вершина г лежала на х. х. х., а катет де - на прямий аб. Тоді відрізок ае = ЖЗ буде дорівнює U при I = I н, що можна довести в такий спосіб. Якщо U = ае, то E а = U + I н × R а = ае + од = ад = иг і для створення такої е. д. з. при холостому ході потрібно струм збудження i ве = 0і. При навантаженні струм збудження потрібно збільшити на величину i ва = гд = иа для компенсації розмагнічуючої реакції якоря. Необхідний повний струм збудження при цьому i в = i ве + i ва = 0і + иа = 0А якраз відповідає заданому, що й треба було довести.

Якщо прийняти, що катети, а отже, і гіпотенуза характеристичного трикутника змінюються пропорційно I, то для отримання інших точок зовнішньої характеристики досить провести на малюнку 6 між х. х. х. і прямий аб похилі відрізки прямих (гіпотенузи нових характеристичних трикутників), паралельні гіпотенузі ге. Тоді нижні точки цих відрізків (на прямій аб) визначатимуть значення U при токах

і так далі.

Перенісши ці точки по горизонталі в лівий квадрант малюнка 6 для відповідних значень I і з'єднавши їх плавною кривою, одержимо шукану зовнішню характеристику U = f (I).

Насправді горизонтальний катет характеристичного трикутника при зменшенні U зростає не пропорційно I. Тому реальна зовнішня характеристика відхиляється від побудованої на невелику відстань вбік, як показано в лівому квадраті малюнка 6 штриховий лінією.

Точка зовнішньої характеристики з U = 0 визначає значення струму короткого замикання машини при повному порушенні. Так як R а мало, то цей струм в 5 - 15 разів перевищує I н. Таке коротке замикання вельми небезпечно, так як виникають круговий вогонь , А також великі механічні зусилля і моменти обертання. Тому в умовах експлуатації генератори і двигуни середньої і великої потужності захищаються швидкодіючими автоматичними вимикачами в ланцюзі якоря, які обмежують тривалість короткого замикання і відключають машину від мережі протягом 0,01 - 0,05 с після початку раптового короткого замикання. Однак ці вимикачі не захищають машину при короткому замиканні всередині машини.

Якщо є досвідчені х. х. х. і зовнішня характеристика і якщо відомо R а, то провівши побудова на малюнку 6 в зворотній послідовності, можна отримати характеристичні трикутники з урахуванням реальних умов насичення для будь-яких значень U і E а.

регулювальна характеристика

Регулювальна характеристика i в = f (I) при U = const і n = const показує, як потрібно регулювати струм збудження, щоб при зміні навантаження напруга генератора не змінювалося (малюнок 7). Зі збільшенням I струм i в необхідно трохи збільшувати, щоб компенсувати вплив падіння напруги I а × R а і реакції якоря.

При переході від холостого ходу з U = U н до номінальної навантаженні I = I н збільшення струму збудження становить 15 - 25%.

Побудова регулювальної характеристики (нижній квадрант малюнка 8) по х. х. х. (Верхній квадрант малюнка 8) і характеристическому трикутнику проводиться таким чином. Для заданого U = 0А = вб = const значення i в при I = 0 визначається точкою в. Характеристичний трикутник де для номінального струму розташуємо так, щоб його вершини г і е знаходилися відповідно на х. х. х. і прямий Абе. Тоді відрізок 0ж = ае визначає значення i в при I = I н, що можна довести аналогічно тому, як це робилося в разі побудови зовнішньої характеристики. Для отримання інших точок характеристики досить провести між кривою х. х. х. і прямий Абе на малюнку 8 відрізки прямих, паралельні гіпотенузі ге. Тоді нижні кінці (точки) цих відрізків будуть відповідати значенням i в для значень I, що визначаються відносинами довжин цих відрізків до гіпотенузи ге, як і в попередньому випадку. Знісши ці точки вертикально вниз, в нижній квадрант малюнка 8, на рівень відповідних значень I, отримаємо точки регулювальної характеристики. З урахуванням мінливих умов насичення реальна досвідчена регулювальна характеристика буде мати вигляд, показаний в нижньому квадранті малюнка 8 штриховий лінією.

Зворотним побудовою, якщо дані х. х. х. і регулювальна характеристика, можна отримати характеристичний трикутник.

навантажувальна характеристика

Навантажувальна характеристика U = f (i в) при I = const і n = const (крива 2 на малюнку 9) по виду схожа з х. х. х. (Крива 1 на малюнку 9) і проходить трохи нижче х. х. х. внаслідок падіння напруги в ланцюзі якоря і впливу реакції якоря. Х. х. х. являє собою граничний випадок навантажувальної характеристики, коли I = 0. Зазвичай навантажувальну характеристику знімають при I = I н.

Пояснимо, як за допомогою характеристик 1 і 2 малюнки 9 можна побудувати характеристичний трикутник. Нехай 0А відповідає значенню U, для якого бажано побудувати трикутник (наприклад, U = U н). Тоді проведемо горизонтальну лінію аб і від точки б на навантажувальної характеристиці відкладемо вгору відрізок бв = I × R а, де I - струм, при якому знята навантажувальна характеристика. Провівши з точки в горизонтальний відрізок прямої до перетину в точці г з х. х. х., отримаємо горизонтальний катет гв шуканого трикутника гвб. Доказ справедливості такого побудови можна розвивати за аналогією з доказом побудови зовнішньої характеристики (дивіться малюнок 6).

Якщо побудований таким або іншим способом характеристичний трикутник пересувати на малюнку 9 паралельно самому собі так, щоб його вершина г ковзала по х. х. х., то його вершина б окреслить навантажувальну характеристику (штрихова крива на малюнку 9). Ця характеристика кілька розійдеться з досвідченою характеристикою 2, так як розмір катета гв буде змінюватися внаслідок змін умов насичення.

Точка д на малюнку 9 відповідає короткого замикання генератора.

Всі характеристики генераторів можна зобразити як в абсолютних величинах, так і в відносних одиницях . В останньому випадку характеристики однотипних машин, хоча б і різної потужності, побудовані у відносних одиницях, мало відрізняються один від одного.

Вплив зсуву щіток

Зсув щіток з геометричної нейтрали позначається в тому, що виникає поздовжня реакція якоря, що змінює потік полюсів. Потік додаткових полюсів буде індукувати е. д. з. не в комутованих секціях, а в робочих секціях паралельних гілок якоря. При повороті щіток проти напрямку обертання якоря (рисунок 10) це викличе збільшення е. д. з. якоря, а при зсуві у напрямку обертання - зменшення е. д. з. У першому випадку зовнішня характеристика (дивіться малюнок 5) зі збільшенням I буде падати більш круто. При наявності додаткових полюсів в обох випадках виникає розлад комутації.

Вплив зсуву щіток на інші характеристики неважко аналізувати подібним же чином.

Джерело: Вольдек А. І., "Електричні машини. Підручник для технічних навчальних закладів" - 3-е видання, перероблене - Ленінград: Енергія, 1978 - 832с.