Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

Основные определения и технические данные электрических машин

Значительное разнообразие типов и конструкций электрических машин, необходимость оценки и сравнения их характеристик привели к стандартизации основных понятий и определений, параметров и режимов работы машин.

Установленные термины и определения этих величин являются обязательными для применения в документации всех видов, учебниках, учебных пособиях, технической и справочной литературе. Ниже приводятся основные из них, относящиеся ко всем типам вращающихся электрических машин независимо от их назначения и конструктивного исполнения.

Номинальными данными электрической машины называют данные, характеризующие ее работу в режиме, для которого она предназначена заводом-изготовителем. К номинальным данным относятся мощность, напряжение, ток, частота, КПД, коэффициент мощности, частота вращения и ряд других специфических данных в зависимости от типа и назначения машины.

Номинальные данные характеризуют условия работы машины, установленной на высоте до 1000 м над уровнем моря, при температуре окружающей среды 40 градусов Цельсия и охлаждающей воды 30 градусов Цельсия, если в стандартах или технических условиях на данный конкретный тип машины не установлена другая температура охлаждающей среды.

Режим работы электрической машины — установленный порядок чередования и продолжительности нагрузки, холостого хода, торможения, пуска и реверса машины во время ее работы. Номинальным режимом работы называется режим, для работы в котором электрическая машина предназначена.

Номинальная мощность — мощность, для работы с которой в номинальном режиме машина предназначена. Для различных типов машин номинальной мощностью является:

Для генераторов переменного тока — полная электрическая мощность на выводах при номинальном коэффициенте мощности, В· А;

Для генераторов постоянного тока — электрическая мощность на выводах машины, Вт;

Для двигателей переменного и постоянного тока — механическая мощность на валу, Вт;

Для синхронных и асинхронных компенсаторов — реактивная мощность на выводах компенсатора, вар.

Номинальное напряжение — напряжение, на которое машина рассчитана для работы в номинальном режиме с номинальной мощностью. Номинальным напряжением трехфазных машин является линейное напряжение.

Номинальным напряжением ротора асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой называют напряжение на выводах разомкнутой обмотки ротора при включенной на номинальное напряжение обмотке статора.

Номинальный ток — ток, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальное напряжение возбуждения — напряжение на выводах обмотки возбуждения машины с учетом падения напряжения под щетками при питании ее номинальным током возбуждения.

Номинальный ток возбуждения — ток возбуждения, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальная частота вращения — частота, соответствующая работе машины при номинальных напряжении, мощности тока и номинальных условиях применения. Номинальные условия применения — условия, установленные стандартом на данный конкретный тип машины при номинальной частоте вращения.

Коэффициент полезного действия — отношение полезной мощности к затрачиваемой; для генераторов — отношение активной электрической мощности, отдаваемой в питающую сеть, к затрачиваемой механической мощности; для двигателей — отношение полезной механической мощности на валу к активной подводимой электрической мощности. Номинальный КПД — указанное отношение мощностей при работе машины с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Коэффициент мощности машин переменного тока: для генераторов — отношение отдаваемой активной электрической мощности, Вт, к полной отдаваемой электрической мощности, В А; для двигателей — отношение активной потребляемой электрической мощности, Вт, к полной потребляемой электрической мощности, В А. Номинальный коэффициент мощности электрической машины — указанное отношение мощностей при работе машины в номинальном режиме, с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Основные определения, относящиеся к условиям работы машины и ее характеристикам следующие.

Нагрузка — мощность, которую развивает электрическая машина в данный момент времени. Нагрузка может выражаться током, потребляемым или отдаваемым электрической машиной. Номинальная нагрузка соответствует номинальной мощности машины.

Практически неизменная нагрузка — нагрузка, при которой отклонение тока, напряжения и мощности машины от значений, соответствующих заданному режиму, составляет не более 3%, тока возбуждения и частоты — не более 1%.

Симметричная трехфазная система напряжений — трехфазная система напряжений, в которой напряжение обратной последовательности не превышает 1% напряжения прямой последовательности. Симметричная система токов — трехфазная система, для которой ток обратной последовательности не превышает 5% тока прямой последовательности,.

Начальный пусковой ток электродвигателя — установившийся ток при неподвижном роторе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте, соответствующих номинальным условиям работы двигателя.

Начальный пусковой момент электродвигателя — вращающий момент, развиваемый при неподвижном роторе, установившемся токе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте.

Максимальный вращающий момент электродвигателя переменного тока — наибольший момент, развиваемый в установившемся режиме при номинальных напряжении и частоте, при соединении обмоток двигателя, соответствующем номинальным условиям работы.

Минимальный вращающий момент асинхронного двигателя — наименьший момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. В процессе разгона от неподвижного состояния до частоты вращения, соответствующей максимальному моменту при номинальных напряжении и частоте.

Критическое скольжение асинхронной машины — скольжение, при котором машина развивает максимальный вращающий момент.

Номинальное изменение напряжения электрических генераторов — изменение напряжения на выводах генератора, работающего на автономную сеть с неизменной и равной номинальной частотой вращения при изменении его нагрузки от номинальной до холостого хода.

Номинальное изменение частоты вращения электродвигателя — изменение частоты вращения двигателя, работающего при номинальном напряжении и номинальной частоте тока, при изменении нагрузки от номинальной до нулевой.

Надежность конструкции электрических машин определяется как свойство электрических машин сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и в условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, и транспортирования. Безотказность — свойство электрической машины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Ремонт — экономически оправданный комплекс работ для восстановления работоспособности электрической машины путем замены изношенных элементов.

Межремонтный период — наработка электрических машин между двумя плановыми ремонтами.

Ремонтопригодность — приспособленность электрической машины к выполнению ремонтов для предупреждения и устранения отказов.

Резервирование — повышение надежности электрических машин введением избыточных, т. е. дополнительных средств и возможностей сверх минимально требуемых.

Модернизация — приведение характеристик находящихся в эксплуатации электрических машин в соответствие современными требованиями и улучшение их технических характеристик путем внедрения частичных изменений и усовершенствований.

К понятиям, характеризующим эксплуатацию электрических машин, относятся также понятия из области надежности (отказ, наработка, безотказность, работоспособность, ресурс, срок службы).

Электрические двигатели постоянного тока. Устройство, краткие теоретические основы Электродвигатель постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

Электродвигатели постоянного тока в конструктивном отношении не отличаются от генераторов постоянного тока, так как электрические машины постоянного тока обратимы и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. На неподвижной части электродвигателя постоянного тока — статоре (станине 1) расположены главные 2 и Дополнительные 3 полюса с обмотками возбуждения 4 и 5. Подвижной частью электродвигателя является якорь 6, набранный из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали для уменьшения потерь мощности в магнитопроводе якоря. В пазах якоря размещается обмотка якоря 7, выводы которой соединяются с пластинами коллектора 8, монтируемого на валу электродвигателя.

При подаче постоянного напряжения к зажимам электрической машины постоянного тока в обмотках возбуждения и якоря возникает ток. В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения в магнитопроводе статора, возникает электромагнитный момент электродвигателя, под действием которого якорь приходит во вращение. При этом электромагнитный момент, развиваемый двигателем, где с_м — коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа полюсов электродвигателя; Ф — магнитный поток одной пары главных полюсов электродвигателя; I_я — ток якоря двигателя.

При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий наводится ЭДС, которая при работе машины в режиме двигателя направлена против тока якоря и, так же как и при работе машины в режиме генератора, равна.

где n — частота вращения якоря электродвигателя; с_е — коэффициент, зависящий от конструктивных элементов машины.

Для изменения направления вращения электродвигателя постоянного тока необходимо изменить полярность напряжения, подводимого к якорю или обмотке возбуждения. В зависимости от способа включения обмотки возбуждения различают электродвигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

У двигателей с параллельным возбуждением обмотка рассчитана на полное напряжение питающей сети и включается параллельно цепи якоря. Двигатель с последовательным возбуждением имеет обмотку возбуждения, которая включается последовательно с якорем, поэтому эта обмотка рассчитана на полный ток якоря.

Двигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки, одна включается параллельно, другая — последовательно с якорем.

При пуске электродвигателей постоянного тока (независимо от способа возбуждения) путем прямого включения в питающую сеть возникают значительные пусковые токи, которые могут привести к выходу их из строя. Это происходит в результате выделения значительного количества теплоты в обмотке якоря и последующего нарушения ее изоляции. Поэтому пуск двигателей постоянного тока производится специальными пусковыми приспособлениями. В большинстве случаев для этих целей применяется простейшее пусковое приспособление — пусковой реостат. Процесс пуска электродвигателя постоянного тока с пусковым реостатом показав на примере двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Исходя из уравнения, составленного в соответствии со вторым законом Кирхгофа для правой части электрической цепи, ток якоря.

где U — напряжение, подводимое к электродвигателю; R_я — сопротивление обмотки якоря.

В начальный момент пуска электродвигателя частота вращения якоря n = 0, поэтому противоэлектродвижущая сила, наводимая в обмотке якоря, в соответствии с полученным ранее выражением также будет равной нулю (Е=c_eФn=0).

Сопротивление обмотки якоря R_я — величина довольно малая. Для того чтобы ограничить возможный при этом недопустимо большой пусковой ток в цепи якоря, последовательно с якорем независимо от способа возбуждения двигателя включается пусковой реостат (пусковое. сопротивление R_пуск). В этом случае пусковой ток якоря.

Сопротивление пускового реостата R_пуск рассчитывают для работы только на время пуска и подбирают таким образом, чтобы пусковой ток якоря электродвигателя не превышал допустимого значения. По мере разгона электродвигателя ЭДС, наводимая в обмотке якоря, вследствие возрастания частоты его вращения n возрастает (Е=с_enФ), ток якоря при прочих равных условиях уменьшается, и сопротивление пускового реостата R_пуск необходимо постепенно уменьшать. После окончания разгона двигателя до номинального значения частоты вращения якоря ЭДС возрастает настолько, что пусковое сопротивление может быть сведено к нулю, без опасности значительного возрастания тока якоря.

Таким образом, пусковое сопротивление R_пуск в цепи якоря необходимо только при пуске.

В процессе нормальной работы электродвигателя оно должно быть отключено, поскольку, во-первых, рассчитано на кратковременную работу во время пуска, а во-вторых, при наличии пускового сопротивления в нем будут возникать тепловые потери мощности, равные, существенно снижающие КПД электродвигателя.

Для электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи уравнение электрического равновесия имеет вид.

E=U — R_яI_я.

С учетом выражения для ЭДС (Е=с_enФ), записав полученную формулу относительно частоты вращения, получаем уравнение частной (скоростной) характеристики электродвигателя n (I_я):

Из него следует, что при отсутствии нагрузки на валу и токе якоря I_я=0 частота вращения электродвигателя при данном значении питающего напряжения n=U/c_eФ=n₀

Частота вращения электродвигателя n₀ является частотой вращения идеального холостого хода. Кроме параметров электродвигателя она зависит также от значения подводимого напряжения и магнитного потока. С уменьшением магнитного потока при прочих равных условиях частота вращения идеального холостого хода возрастает, поэтому в случае обрыва цепи обмотки возбуждения, когда ток возбуждения становится равным нулю, магнитный поток двигателя снижается до значения, равного значению остаточного магнитного потока Ф_ост. При этом двигатель «идет в разнос», развивая частоту вращения, намного большую номинальной, что представляет определенную опасность как для двигателя, так и для обслуживающего персонала.

Частотная (скоростная) характеристика электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением nI_я при постоянном значении магнитного потока ф=const и постоянном значении подводимого напряжения U = const имеет вид прямой 1. С увеличением нагрузки па валу, т. е. с увеличением тока якоря I_я, частота вращения электродвигателя уменьшается на значение, пропорциональное падению напряжения на сопротивлении цепи якоря R_я.

Для электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением уравнение электрического равновесия по второму закону Кирхгофа имеет вид.

U=E+(R_я+R_в)I_я,.

где R_в — сопротивление обмотки последовательного возбуждено двигателя.

С учетом того, что Е=с_enФ, уравнение частотной характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением приводится к следующему виду:

Как видно из этого уравнения, частота вращения этого двигателя зависит также и от сопротивления обмотки возбуждения R_в.

Примем во внимание то, что у двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением с изменением тока якоря вследствие изменения магнитного потока (в результате изменения тока якоря, от которого он зависит) частотная характеристика будет иметь вид, (кривая 2).

Из уравнения также видно, что с уменьшением нагрузки, т. е. с уменьшением тока якоря и, как следствие этого, с уменьшением магнитного потока частота вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением резко возрастает, достигая большого значения при отсутствии нагрузки. Поэтому двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением «идут в разнос» в режиме холостого хода.

Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением, кроме обмотки параллельного возбуждения, магнитный поток которой Ф₁=const при постоянном значении напряжения U=const, имеет последовательную обмотку возбуждения, магнитный поток Ф₂ которой зависит от тока якоря, т. е. от его нагрузки. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи электродвигателя со смешанным возбуждением уравнение электрического равновесия и уравнение частотной характеристики имеют такой же вид, как и соответствующие уравнения, записанные для двигателя с последовательным возбуждением. Вследствие того что электродвигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки возбуждения, результирующий магнитный поток оказывается равным сумме магнитных потоков, создаваемых последовательной и параллельной обмотками возбуждения:

Ф=Ф₁+Ф₂,.

где Ф₁ и Ф₂ — магнитные потоки, создаваемые параллельной и последовательной обмотками возбуждения.

Благодаря наличию двух обмоток возбуждения (последовательной и параллельной) свойства электродвигателей постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой нечто среднее между свойствами двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением. Поэтому частотная характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением, располагается между частотными характеристиками двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением. Электродвигатели со смешанным возбуждением обладают улучшенными характеристиками по сравнению с двигателями с последовательным возбуждением и при отсутствии нагрузки на валу не «идут в разнос», так как частота вращения ограничивается при этом частотой вращения идеального холостого хода:

n₀=U/c_eФ₂.

В уравнениях частотных характеристик ток якоря, можно выразить через электромагнитный момент двигателя М = с_мФ/I_я при этом уравнение механической характеристики n (M) при U=const для двигателей с параллельным возбуждением имеет вид.

а для двигателей с последовательным и смешанным возбуждением.

Пренебрегая влиянием реакции якоря в процессе изменения нагрузки на валу, можно принять электромагнитный момент двигателя пропорциональным току якоря. Поэтому механические характеристики двигателей постоянного тока имеют такой же вид, как и соответствующие частотные характеристики. Электродвигатель с параллельным возбуждением имеет жесткую механическую характеристику (кривая 1), его частота вращения с ростом момента нагрузки снижается незначительно, так как ток возбуждения при параллельном включении обмотки возбуждения и соответственно магнитный поток двигателя остаются практически неизменяемыми, а сопротивление цепи якоря относительно мало.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют мягкую механическую характеристику (кривая 2), поскольку с изменением момента нагрузки на валу изменяется ток якоря, а следовательно, и магнитный поток двигателя. Двигатели постоянного тока со смешанным возбуждением имеют более мягкую механическую характеристику (кривая 3), чем двигатели с параллельным возбуждением, и более жесткую, чем двигатели с последовательным возбуждением.

Одной из важных характеристик электродвигателей постоянного тока является моментовая характеристика, т. е. зависимость электромагнитного момента от тока поля двигателя М (I_я). Для двигателей с параллельным возбуждением эта зависимость определяется выражением М =с_мФI_я. Пренебрегая влиянием реакции поря для этих двигателей, можно принять Ф=const, вследствие чего зависимость М (I_я) при U=const представится в виде прямой, проходящей через начало координат.

Для двигателей с последовательным возбуждением зависимость М (I_я) является более сложной, так как входящий в выражение М = с_мФI_я магнитный поток является функцией тока поря. При некоторых допущениях для этих двигателем можно принять, что.

где k — соответствующий коэффициент пропорциональности.

В результате моментовая характеристика двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением представится в виде квадратичной зависимости, проходящей через начало координат (кривая 1). Двигатели со смешанным возбуждением имеют моментовую характеристику, занимающую среднее положение между зависимостями 1 и 3. Рабочие характеристики двигателей постоянного тока представляют собой зависимости частоты вращения n, момента М, тока якоря I_я и КПД з от полезной мощности на валу Р₂ электродвигателя, т. е. n (Р₂), М (Р₂), I_я(Р₂), з (Р₂) при неизменном значении напряжения на его зажимах U=const.

Анализ рабочих характеристик электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением показывает, что частота их вращения n с увеличением нагрузки несколько уменьшается. Зависимость полезного момента на валу двигателя от нагрузки Р₂ представляет собой почти прямую линию, так как момент двигателя пропорционален нагрузке на валу: М = 9550P₂/n. Искривление указанной зависимости объясняется некоторым снижением частоты вращения с увеличением нагрузки. При Р₂=0 ток, потребляемый электродвигателем, равен току холостого хода. При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем, ток якоря увеличивается приблизительно по той же зависимости, что и момент нагрузки на валу, так как при условии Ф=соnst ток поря пропорционален моменту нагрузки. КПД электродвигателя определяют как отношение полезной мощности на валу к мощности, потребляемой из сети:

где Р₂ — полезная мощность на валу; Р₁=UI — мощность, потребляемая электродвигателем из питающей сети; Р_эя=I_я²R_в — электрические потери мощности в цепи якоря; Р_эв=UI_в=I_я²R_в — электрические потери в цепи возбуждения; Р_мех — механические потери; Р_доб — добавочные потери; Р_м — потери мощности в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи.

КПД электродвигателя с увеличением мощности на валу быстро нарастает и достигает максимального значения, когда переменные потери мощности в электродвигателе оказываются равными постоянным потерям в нем, т. е. при.

Р_м=Р_эв+Р_эя+Р_мех+Р_доб.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением имеют несколько другой вид по сравнению с рабочими характеристиками двигателя с параллельным возбуждением, так как с изменением нагрузки на валу (мощности P₂) изменяется и магнитный поток.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой зависимости, занимающие в прямоугольной системе координат некоторое среднее положение между рабочими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.

Электрические генераторы постоянного тока. Устройство, краткие теоретические основы Генератор постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в энергию постоянного тока. Генератор состоит из трех основных частей: индуктора 1, якоря 2 и коллектора 3.

Индуктор предназначен для создания магнитного поля полюсов и расположен на неподвижной части машины — статоре.

Вращающаяся часть машины называется якорем. Принцип действия генераторов постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции. При вращении якоря каким-либо первичным двигателем, вследствие пересечения проводниками обмотки якоря магнитного поля полюсов, в соответствии с законом электромагнитной индукции, в последней наводится ЭДС. В зависимости от типа используемого при этом первичного двигателя различают турбогенераторы, гидрогенераторы, моторгенераторы и т. п. ЭДС, возникаемая в каждом проводнике обмотки якоря машины является переменной Е=f (t), так как она изменяется во времени по величине и направлению и зависит от положения проводников в межполюсном пространстве. Для получения на зажимах генератора постоянной во времени ЭДС предназначен коллектор, расположенный на вращающемся якоре, с системой неподвижных щеток, расположенных на статоре машины. Для создания магнитного потока требуемой величины на полюсах индуктора имеются обмотки возбуждения, обтекаемые регулируемым постоянным током. В зависимости от способа возбуждения генераторов постоянного тока различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

У генераторов с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается постоянным током, получаемым от постороннего источника, а у генераторов, с самовозбуждением — непосредственно от зажимов якоря самой машины. На практике в основном применяют генераторы с самовозбуждением, имеющие более простую конструкцию и легкость эксплуатации. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения генераторы постоянного тока с самовозбуждением разделяют на генераторы с параллельным, последовательным и со смешанным возбуждением.

Наиболее широко в настоящее время применяют генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением. Цепь обмотки возбуждения генератора подключается параллельно с нагрузочным сопротивлением R_н, поэтому он и называется генератором с параллельным возбуждением.

При вращении поря в его обмотке возникает ЭДС Е, направление которой зависит от направления вращения якоря. При работе в режиме генератора электрическая машина выполняет функции источника энергии, поэтому возникающий в цепи якоря ток I_я совпадает ПО направлению с индуцируемой в нем ЭДС Е. Как видно из схемы рис. 9.45, ток якоря разветвляется по двум параллельным ветвям. По цепи обмотки возбуждения протекает ток возбуждения I_в, для регулирования которого включено регулировочное сопротивление R_p. По цепи нагрузки протекает ток нагрузки I. При этом в соответствии с первым законом Кирхгофа для точки разветвления токов имеем I_z=I+I_в. Обмотку возбуждения генераторов с параллельным возбуждением выполняют из большого количества витков тонкого провода. Это позволяет получить необходимые для создания требуемого магнитного потока ампервитки при относительно небольшом токе возбуждения. Для современных машин постоянного тока ток возбуждения составляет около 1 … 5% номинального значения тока якоря I_я.

Одной из основных характеристик генератора с параллельным возбуждением является характеристика холостого хода, т. е. зависимость ЭДС Е₀, индуцируемой в обмотке якоря, от тока возбуждения — I_в при токе нагрузки, равном нулю (при разомкнутой цепи нагрузки) и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость E₀(I_в), при I=0 и n=n_ном=соnst. Электродвижущая сила, возникающая на зажимах якоря, как известно, определяется уравнением E=c_cnФ, где с_с — постоянная, зависящая от конструктивных данных генератора; n — частота вращения якоря; Ф — результирующий магнитный поток.

Магнитный поток зависит от намагничивающей силы (ампервитков) обмотки возбуждения, а следовательно, от тока возбуждения. При n=const между ЭДС и магнитным потоком устанавливается пропорциональность. При этом зависимость Е₀(I_в) будет иметь тот же вид, что и зависимость Ф (I_в). Характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением представляет собой совокупность двух расходящихся ветвей 1 и 2.

Ветвь 1 (восходящая) соответствует постепенному повышению тока возбуждения от нуля, ветвь 2 (нисходящая) — его уменьшению. При I_в=0 (цепь обмотки возбуждения разомкнута) ЭДС E₀ холостого хода не равна нулю. Объясняется это тем, что в магнитной системе машины имеется остаточный магнитный поток Ф_ост, который и обусловливает появление соответствующей ему ЭДС.

E_ост=c_cn_номФ_ост

С увеличением тока возбуждения ЭДС вначале интенсивно возрастает почти по прямолинейному закону. Наклон начальной прямолинейной части характеристики зависит от величины воздушного зазора машины, причем меньшему зазору соответствует больший угол наклона. С последующим увеличением тока возбуждения I_в прямолинейность характеристики холостого хода нарушается вследствие явления насыщения магнитной системы машины. При сильном насыщении характеристика холостого хода снова принимает прямолинейный вид, но имеет уже весьма незначительный наклон относительно оси абсцисс.

При уменьшении тока возбуждения в обратном порядке получается нисходящая ветвь 2 характеристики холостого хода. Как видно, одному и тому же значению тока возбуждения нисходящей ветви соответствует несколько большая ЭДС, чем ЭДС восходящей ветви, что происходит вследствие явления гистерезиса. По характеру расхождения ветвей можно судить о качестве магнитного материала. У генераторов, изготовленных из высококачественных электротехнических сталей, расхождение ветвей незначительно.

При расчете и исследовании свойств машин обычно используют практическую кривую характеристики холостого хода, за которую принимают среднюю линию, проведенную между двумя ветвями. Следует заметить, что после отключения обмотки возбуждения остаточный магнитный поток, соответствующий нисходящей ветви, в течение определенного промежутка временя вследствие самопроизвольного размагничивания уменьшается до значения, соответствующего E_ост нижней восходящей ветви, так что при повторном снятии характеристики холостого хода будет снова наблюдаться ее раздвоение.

Прежде чем к зажимам генератора подключать нагрузочное сопротивление R_и, генератор необходимо возбудить, т. е. создать на его зажимах необходимое для нормальной работы напряжение. Источником питания обмотки возбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением является сам генератор. При этом обмотка возбуждения рассчитывается так, чтобы при нормальной частоте вращения якоря и нормальном токе нагрузки ток возбуждения ~ создавал необходимый для нормальной работы машины магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора происходит следующим образом. При разомкнутой обмотке возбуждения и вращении якоря в обмотке якоря создается ЭДС Е_ост, обусловленная остаточным магнитным потоком, величина этой ЭДС обычно незначительна и составляет около 3…5% номинального значения напряжения U_ном. Напряжение на зажимах генератора U=E_ост будет оставаться до тех пор, пока не будет подано питание в цепь обмотки возбуждения. При подключении цепи обмотки возбуждения к зажимам якоря под действием ЭДС Е_ост возникает относительно небольшой ток, возбуждения, величина которого определяется в соответствии с законом Ома, записанным для цепи обмотки возбуждения:

I_в=Е_ост/(R_я+R_в+R_р),.

где R_я — сопротивление цепи якоря; R_в — сопротивление обмотки возбуждения; R_р — сопротивление регулировочного реостата (в процессе самовозбуждения сопротивление R_p 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. Вместе с тем зависимость тока в цепи обмотки возбуждения I_в от ЭДС Е имеет прямолинейный вид, так как.

Тангенс угла наклона характеристики определяется коэффициентом пропорциональности УR между ЭДС Е и током возбуждения I_в.

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 R_p 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 Е_ост. С уменьшением величины сопротивления R_р 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 I_в=const и n=n_ном=сопst.

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

электрический двигатель генератор ток.

E=U+R_яI_я.

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

С учетом этого уравнение внешней характеристики запишется в виде.

U=E-R_яI.

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

В реальных машинах Е? const вследствие размагничивающего 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 — R_яI_я; 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-R_яI=const.

Из этого уравнения видно, что для обеспечения постоянства напряжения необходимо, чтобы падение напряжения R_яI 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=n_ном=соnst, при которой обеспечивается постоянство напряжения на зажимах генератора, т. е. зависимость I_в(I) при U=const и n=n_ном=соnst. Изменение тока возбуждения I_в производится изменением положения движка регулировочного реостата R_p.

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 I_в(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. I_я=I_в=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+(R_в+R_я)I,.

где R_в — сопротивление обмотки последовательного возбуждения.

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

U=E-(R_я+R_в)I.

Сопротивление обмотки возбуждения R_в 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 изменяться. При этом ЭДС изменяется в соответствии с характеристикой холостого хода, а падение напряжения (R_я+R_в)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 (R_в1) включается параллельно цепи якоря, а цепь другой (R_в2) — 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 (R_в1). Последовательная обмотка возбуждения (R_в2) 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.

При отключенной последовательной обмотке возбуждения генератор будет иметь такую же внешнюю характеристику, как и генератор с параллельным возбуждением. Включение этой обмотки приводит к наложению потока Ф₂ на поток Ф₁. При этом внешняя характеристика приобретает вид зависимости 1, которая отражает свойства генератора с параллельным возбуждением и генератора с последовательным возбуждением. В этом случае напряжение хотя и меняется с изменением нагрузки, однако слабее, чем у генераторов с параллельным возбуждением. Нетрудно видеть, что можно так подобрать параметры обмотки последовательного возбуждения, что напряжение на зажимах генератора в определенном интервале нагрузок практически не будет меняться с изменением тока нагрузки.

Изменение направления тока в обмотке последовательного возбуждения приводит к созданию встречного по отношению к основному потоку Ф₁ потока Ф₂. При этом результирующий магнитный поток генератора будет равен Ф=Ф₁-Ф₂.

Это приводит к тому, что с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора резко падает.

Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением с падающей внешней характеристикой так же, как и генераторы с последовательным возбуждением, целесообразно использовать в условиях возможных частых коротких замыканий (например, для питания дуговых сварочных машин).

Электрические машины постоянного тока обратимы и могут быть использованы в качестве генераторов и электродвигателей.

Рекус Г. Г. Электрооборудование производств. — М.: Высшая школа, 2007. — 709 с.