Характеристика холостого хода генератора постоянного тока

Общие сведения об электрических машинах — Характеристики генераторов постоянного тока

Классификация схем возбуждения генераторов постоянного тока была приведена в выше (рис. 280). Свойства генераторов, определяемые системой возбуждения, выявляются на основе характеристик, устанавливающих зависимости между отдельными величинами. Основными для генераторов являются характеристики холостого хода, нагрузочная, внешняя и регулировочная.

Генератор независимого возбуждения (рис. 280, а)

Характеристика холостого хода представляет собой зависимость напряжения генератора U от тока возбуждения при постоянном числе оборотов п в токе якоря = 0: U = f(IB). Характеристика холостого хода имеет две ветви — восходящую и нисходящую (рис. 299). Остаточный магнетизм полюсов и ярма при отсутствии возбуждения обусловливает некоторое напряжение, обычно равное 2-3% UH.

Рис. 299. Характеристика холостого хода.

Нисходящая ветвь из-за остаточного магнетизма проходит несколько выше восходящей.
Характеристика холостого хода позволяет судить о магнитных свойствах машины, во многом определяет другие характеристики, являющиеся как бы производными от нее.

Рис. 300. Построение нагрузочной характеристики.
Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения U=f(IB) при постоянных токе нагрузки и числе оборотов п. Нагрузочные характеристики имеют форму, похожую на характеристику холостого хода, но проходят ниже последней вследствие размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря, возникающих при нагрузке генератора.
Приведенное в (рис. 286) определение напряжения генератора при нагрузке по существу выявило точку нагрузочной характеристики (точка а, рис. 286). Если теперь, считая при данном токе размеры реактивного треугольника неизменными, передвигать его по характеристике холостого хода параллельно самому себе, то след вершины а (b, с, d, е) пройдет по нагрузочной характеристике (рис. 300). Точка е соответствует короткому замыканию генератора.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора U от тока нагрузки при постоянных числе оборотов п и токе возбуждения: U = f(I). Различают внешнюю характеристику при возрастающей нагрузке, когда исходным является режим холостого хода, и внешнюю характеристику при убывающей нагрузке, когда в исходном режиме принимается некоторый ток нагрузки (обычно номинальный) при некотором напряжении (обычно номинальном) и рассматривается убывание нагрузки вплоть до полной разгрузки.
Кривая 1 на рисунке 301 представляет внешнюю характеристику при возрастающей нагрузке. Напряжение на зажимах генератора определяется значением э. д. с. Е, зависящим от результирующего потока и падения в цепи якоря 1Яя:
U = E — IR я.
Здесь полное сопротивление цепи якоря, включая щеточные контакты.
При увеличении нагрузочного тока растет размагничивающее действие н. с. реакции якоря и результирующая н. с. генератора уменьшается, несмотря на постоянную н. с. обмотки возбуждения. Это приводит к уменьшению результирующего потока генератора и, следовательно, э. д. с. E. С ростом нагрузки благодаря возрастающему действию реакции якоря магнитное состояние машины характеризуется точками, лежащими ближе к линейной части кривой намагничивания, насыщение уменьшается. В этих условиях относительное уменьшение результирующего потока и э. д. с. будет прогрессировать, что и определит некоторую выпуклость внешней характеристики в сторону, противоположную оси абсцисс. Пересечение внешней характеристики с осью абсцисс соответствует точке короткого замыкания, в которой ток значительно превышает номинальный.

Рис. 301. Внешние характеристики генератора независимого возбуждения.

Рис. 302. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения.
Внешняя характеристика при убывающей нагрузке (кривая 2, рис. 301) позволяет определить процентное повышение напряжения при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, если в исходном режиме:
(368)
ГОСТ 10159—62 на методы испытаний машин постоянного тока рекомендует снимать внешнюю характеристику именно при убывающей нагрузке, начиная приблизительно со 150% номинальной.
Процентное изменение (повышение) напряжения при сбросе номинальной нагрузки генератора обычно не превышает 5—15%.
Регулировочная характеристика представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном номинальном напряжении UB на зажимах генератора и номинальной скорости вращения пн : IB = f (I). Для машин мощностью до 200 квт включительно определяют две ветви характеристики: при возрастании и убывании тока нагрузки. За регулировочную характеристику принимают кривую, каждая ордината которой является среднеарифметическим ординат обеих ветвей. Примерный вид регулировочной характеристики приведен на рисунке 302, из которого видно, что с увеличением нагрузочного тока следует увеличивать ток возбуждения, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным. Увеличение тока возбуждения необходимо для компенсации размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря, возникающих при нагрузке. Так как при этом э д. с. генератора Е, а следовательно, и его насыщение увеличиваются, то регулировочная характеристика имеет некоторую выпуклость, обращенную в сторону оси абсцисс.
будет усиливать поток остаточного магнетизма, а не ослаблять его;

1. сопротивление цепи обмотки возбуждения не выше определенного.

Генератор последовательного возбуждения (схема рис. 280,в)

Характеристика холостого хода, раскрывающая магнитные свойства генератора последовательного возбуждения, может быть получена при независимом его возбуждении (рис. 305). Так как токи якоря, возбуждения и нагрузки равны, то нагрузочных и регулировочных характеристик у генератора последовательного возбуждения нет, и имеется лишь внешняя характеристика U — f(1) при n = const.
Если характеристика холостого хода, снятая при независимом возбуждении, непрерывно поднимаясь, стремится стать при сильном насыщении параллельной оси абсцисс, то внешняя характеристика, во-первых, из-за падения напряжения и реакции якоря располагается ниже характеристики холостого хода и, во-вторых, после некоторой нагрузки начинает падать (кривая 2, рис. 305). Последнее объясняется следующим образом. При достаточно большом значении тока нагрузки /, являющемся и током возбуждения, при насыщении машины магнитный поток Ф меняется незначительно, и, следовательно, как бы стабилизируется значение э.д. с. якоря Е. Но напряжение генератора определяется равенством
где RB — полное сопротивление цепи якоря, включая контактное сопротивление щетки — коллектор;

Рис. 305. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением.
RB — сопротивление обмотки возбуждения, соединенной последовательно с обмоткой якоря. Вследствие непрерывного роста падения напряжения напряжение на зажимах генератора начинает уменьшаться, и при коротком замыкании характеристика холостого хода пересекает ось абсцисс.
Значительное изменение напряжения генератора последовательного возбуждения при изменении нагрузки делает его не подходящим для работы в эксплуатационных условиях, и генераторы последовательного возбуждения применяются лишь в единичных случаях, в специальных установках.

Характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением

Приводим генератор постоянного тока с независимым возбуждением во вращение со скоростью ω при отсутствии напряжения на обмотке возбуждения, при этом на зажимах якоря появится напряжение, которое называется напряжением остаточного магнетизма.

Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Подаем напряжение на обмотку возбуждения и увеличиваем с помощью R_в ток в обмотке возбуждения. Ток в обмотке возбуждения нужен до тех пор, пока генератор не попадет в область насыщения. Теперь плавно уменьшаем ток в обмотке возбуждения до нуля. При токе возбуждения равным нулю меняем полярность на зажимах генератора и начинаем увеличивать ток в обмотке возбуждения до области насыщения, затем уменьшаем этот ток до нуля, меняем полярность на обмотке возбуждения и увеличиваем то к в обмотке возбуждения до насыщения. Получаем полную характеристику холостого хода.

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Полная характеристика холостого хода генератора представляет собой петлю гистерезиса и связана с сортом стали, из которой изготовлен генератор. Площадь петли гистерезиса равна потерям на перемагничивание стали.

Характеристика холостого хода состоит из 2-х ветвей: верхняя называется нисходящая, нижняя – восходящая.

Чем уже петля гистерезиса, тем меньше потери, кроме того при узкой петле будут и меньше расхождения напряжения на восходящей и нисходящей ветвях характеристики холостого хода.

Для расчетов и исследования используют усредненную характеристику холостого хода, которая проходит посреди петли гистерезиса через нуль.

Нагрузочная характеристика генератора

Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением для получения нагрузочной, внешней и регулировочной характеристик.

Приводим генератор во вращение со скоростью ω и при разомкнутом ключе K. Начинаем увеличивать ток в обмотке возбуждения, пока напряжение на выходе генератора не достигнет номинального значения. Напряжение возрастает по характеристике холостого хода. При значении тока i_в равному номинальному замыкаем ключ K и включаем сопротивление нагрузки R_н. По обмотке якоря начинает протекать ток. Как только по обмотке якоря начинает протекать ток, согласно уравнению напряжения генератора:

Если изменять ток в обмотке возбуждения, мы получим характеристику при токе I₁=const.

В режиме холостого хода напряжение на зажимах генератора, которое называется напряжением холостого хода, равно ЭДС генератора.

Как только к обмотке якоря будет подключено сопротивление нагрузки, напряжение начнет снижаться по двум причинам:
1. Увеличение падения напряжения на активных сопротивлениях якорной цепи.
2. Снижение магнитного потока Ф_δ, а следовательно и ЭДС якоря E_а в результате действия размагничивающей реакции якоря.

Если увеличивать ток в якоре, характеристика пойдет еще ниже.

Таким образом, нагрузочные характеристики представляют собой семейство характеристик для различных значений токов нагрузки (от 0 до I_ном).

Влияние двух факторов учитывается с помощью, так называемого, характеристического треугольника (реактивного треугольника) – это треугольник, катеты которого пропорциональны току якоря, учитывают снижение напряжения в генераторе, работающем под нагрузкой. Катет AB учитывает влияние реакции якоря, а катет BC – падение напряжение на активных сопротивлениях якорной цепи.

Совместное влияние этих двух факторов учитывается гипотенузой AC.

Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Похожие записи:

1. Внешняя, регулировочная и характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока с независимым возбуждением
2. Характеристики генераторов постоянного тока с параллельным возбуждением
3. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением. Условия самовозбуждения.
4. Характеристики генераторов постоянного тока

Словарь специальных терминов

Холостой ход генератора, трансформатора – режим, при котором вторичная обмотка трансформатора ра­зомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное на­пряжение.

Если к первичной обмотке подвести напряжение U₁ по ней по­течет ток, который обозначим I₀. Этот ток создает магнитный поток Ф. Магнитный поток Ф, возбуждаемый первичной обмоткой, индук­тирует во вторичной обмотке ЭДС, величина которой равна Е₂. Тот же самый магнитный поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС E_­1. Небольшой ток I₀, потребляемый первичной обмоткой трансформатора при холостом ходе, называется током холо­стого хода. Величина этого тока обычно составляет 3—10% от тока при номинальной нагрузке транс­форматора.

Построим векторную диаграмму холостой работы однофазного трансформатора без потерь (идеального) (рис. 1). Намагничи­вающий ток I₀ создает магнитный поток Ф, который совпадает с током I₀ по фазе. Как уже указывалось, магнитный поток Ф ин­дуктирует в первичной обмотке ЭДС Е₁ а во вторичной обмотке — ЭДС Е₂. На­помним, что всякая э. д. с, индуктируемая синусоидально изменяющимся магнитным потоком, отстает от потока по фазе на 90°. Поэтому векторы E₁ и E₂ мы от­кладываем под углом 90° от потока в сто­рону, обратную вращению векторов. Индук­тированную в первичной обмотке ЭДС Е₁ уравновешивает напряжение сети U₁.

Рис. 1. Векторная диаграмма холостого хода идеального трансформатора

ЭДС E₁ и напряжение U₁ равны и вза­имно противоположны (падение напряжения в первичной обмотке при этом режиме очень мало и им можно пренебречь).

Из векторной диаграммы видно, что ток I₀, потребляемый идеальным трансформатором при холостой работе, отстает от напряжения сети U₁ на 90°, т. е. является чисто реактивным.

У реального транс­форматора из-за потерь в стали (на вихревые токи и гистерезис) возникает сдвиг по фазе между током холостого хода I₀ и маг­нитным потоком Ф, причем ток будет опережать магнитный по­ток. Ток холостого хода I₀ трансформатора имеет две со­ставляющие (рис. 2): 1—ак­тивную Iа = I₀ соs φ₀, вызван­ную потерями в стали (эта составляющая очень мала, так как малы потери холостого хода), 2-реактивную Iр =I₀. sin φ₀, называемую током намагничивания, создающую магнитный поток Ф и совпадающую с ним по фазе. Так как активная составляющая I₀ cos φ₀ мала, то намагничивающий ток почти равен всему току холостого хода I₀. Поэтому I₀ является почти целиком реактивным. В режиме холостого хода ток во вторичной обмотке отсутствует и поэтому напряжение на зажимах вторичной обмотки равно ЭДС, индук­тированной в этой обмотке: U₂=E₂

Рис. 2. Диаграмма тока холостого хода

Характеристика холостого хода. Характеристика холостого хода показывает зависимость ЭДС Е генератора от тока возбуждения I_в при отсутствии нагрузки I_а = 0 и постоянной скорости вращения п, т. е. Е = f(I_в) при I_a = 0, п = const.

При токе якоря I_a=0 падение напряжения в цепи якоря отсутствует. Поэтому характеристика холостого хода показывает зависимость U₀ = f (I_B) при I_a = 0 и n = const.

В генераторе с независимым возбуждением при изменении тока IB возбуждения от некоторого максимального значения до нуля ЭДС уменьшается от E_макс ≈ 1,25U_H до E_ост ≠ 0 (ветвь 1 на рис. 3. а). Эту ветвь характеристики называют нисходящей. Электродвижущую силу E_ост называют остаточной, так как она обусловлена остаточным магнетизмом.

Рис. 3 Характеристики холостого хода: а — полная; б — практическая

Для того чтобы получить ЭДС якоря равной нулю, необходимо, чтобы по обмотке возбуждения проходил бы в обратном направлении ток I_в, соответствующий абсциссе об. При дальнейшем увеличении отрицательного значения тока I_в ЭДС Е меняет знак (ветвь 2). При уменьшении тока I_в значение ЭДС уменьшается (ветвь 5).

После изменения направления тока в обмотке возбуждения ЭДС становится положительной и с ростом тока увеличивается (ветвь 4). Последнюю ветвь называют восходящей. Характеристика имеет вид петли, вызванной гистерезисом. Средняя линия 5 между ветвями 1 и 4 представляет собой основную или расчетную характеристику холостого хода. Точка номинальной работы машины к обычно выбирается на колене характеристики.

На практике обычно характеристику холостого хода снимают упрощенным методом от точки остаточного магнетизма а (рис. 4,б) до максимального значения напряжения U_макс ≈ 1,25U_н и обратно до тока возбуждения I_в = 0.

Рис. 4. Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения

Ветвь 2, расположенную между нисходящей ветвью 1 и восходящей 3, называют практической характеристикой холостого хода. В генераторе параллельного возбуждения нельзя изменять направление тока в обмотке возбуждения (иначе он размагничивается), поэтому представляется возможным снять только практическую характеристику. При холостом ходе в якоре генератора с параллельным возбуждением проходит ток возбуждения I_в, он создает некоторую реакцию якоря и падение напряжения в цепи якоря. Однако практически характеристики холостого хода генераторов параллельного и независимого возбуждения совпадают.

При холостом ходе генератора ток в последовательной обмотке возбуждения отсутствует. Поэтому характеристика холостого хода компаундного генератора такая же, как у генератора с параллельным возбуждением.

5.5. Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том, что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость ее от насыщения машины и тока якоря.

Эта характеристика представляет собой зависимость U=f(I_в) при условии, I_а=const и n=const.

Можно снять ряд характеристик для различных значений тока якоря I_а. Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения, начиная от максимального его значения.

Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику 2 удобно построить на одном графике с нисходящей ветвью характеристики холостого хода 1 (рисунок 5.7). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I_а=0.

Рисунок 5.7 — Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря, которые уменьшают поток и эдс машины.

Составляющую реакции якоря, оказывающую воздействие на поток и ЭДС машины, можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря (I_a·R_a), получим зависимость ЭДС, наводимой в обмотке якоря при нагрузке от тока возбуждения (штриховая кривая на рисунке 10.7) (ток I_а равен току, при котором снималась нагрузочная характеристика).

В общем случае разность (I_в2—I_в1) пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей поперечной реакции якоря F_qd и продольной реакции якоря F_d. При установке щеток на геометрической нейтрали разность(I_в2—I_в1)=I_qd. Соединяя между собой точки , и , получаем характеристический треугольник.

Характеристический треугольник иногда используется для построения других характеристик машины, при этом приближенно принимается, что его оба катета изменяются пропорционально току I_а.

5.6. Внешняя характеристика генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Внешняя характеристика U=f(I) генератора параллельного возбуждения снимается при R_в=const и n=const, т. е. без регулирования в цепи возбуждения, при естественных условиях работы.

С помощью реостата R_в устанавливают ток возбуждения i_в=I_в.ном таким, чтобы при номинальном токе нагрузки I_ном напряжение на выводах машины было номинальным. Изменяя ток нагрузки, получают другие точки внешней характеристики (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8 — Внешняя характеристика генератора постоянного тока параллельного возбуждения

Характерной особенностью внешней характеристики генератора параллельного возбуждения является то, что при некотором максимальном значении тока I=I_кр она делает петлю и приходит в точку I_к на оси абсцисс, которая соответствует установившемуся току короткого замыкания.

У генератора с параллельным возбуждением напряжение понижается не только из-за размагничивающего действия реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения i_в.

Такой характер внешней характеристики объясняется тем, что генератор параллельного возбуждения сам себя размагничивает, так как уменьшается ток возбуждения. Вначале этот процесс протекает медленно, так как сталь машины насыщена и уменьшение тока возбуждения не вызывает сильного снижения потока и ЭДС машины. Затем, когда ток возбуждения будет соответствовать линейной (ненасыщенной) части характеристики холостого хода, размагничивание будет происходить более интенсивно, так как уменьшение тока i_в будет вызывать большие изменения потока и ЭДС. При коротком замыкании машина практически будет размагничена и установившийся ток короткого замыкания I_к определяется только ЭДС остаточного магнетизма. Вследствие малости этой ЭДС ток I_к в большинстве случаев невелик и не превышает номинального значения.

Однако, несмотря на это, в переходном режиме при внезапном коротком замыкании вследствие медленного спада потока и ЭДС мгновенный ток короткого замыкания достигает значений , что вызовет сильное искрение щеток, а в некоторых случаях и появление кругового огня. Поэтому эти генераторы, как и все другие генераторы, должны быть снабжены предохранителями или быстродействующими выключателями, отключающими короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достигнет больших значений.

Номинальное изменение напряжения генераторов параллельного возбуждения составляет 15—20%.

Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника показано на рисунке 5.9, где 1 — кривая характеристики холостого хода; 2 — характеристика цепи возбуждения при заданном =const и 3 — построенная кривая внешней характеристики.

Рисунок 5.9 — Построение внешней характеристики генератора параллельного возбуждения с помощью характеристики холостого хода и характеристического треугольника

При значение U определяется пересечением кривой 1 и прямой 2. Для получения значения U при разместим характеристический треугольник для номинального тока так, чтобы его вершины и расположились на кривой 1 и прямой 2. Тогда точка определит искомое значение U. Для других значений тока между 1 и 2 можно провести наклонные отрезки прямых, параллельные , которые представляют собой гипотенузы новых характеристических треугольников. Нижние точки этих отрезков , и т. д. определяют U при токах:

Перенеся все эти точки в левый квадрант рисунка 5.9, и соединив их плавной кривой, получим искомую характеристику 3. С учетом нелинейной зависимости катета треугольника от тока, опытная зависимость имеет характер, показанный на рисунке 5.9 слева штриховой линией.