Електричні машини

§ 7.2. Генератор паралельного збудження
На рис. 7.5 представлена принципова схема генератора постійного струму паралельного збудження. Цей генератор є машиною із самозбудженням, у якої струм збудження береться від якоря машини. У цьому випадку обмотка збудження генератора приєднується паралельно затискачам якоря. Для можливості самозбудження такого генератора потрібне дотримання певних умов. Умовами самозбудження генератора постійного струму є: а) наявність поля залишкового магнетизму в сердечниках полюсів і станині машини; б) правильне підключення обмотки збудження до затискачів якоря, при якому створюване струмом збудження магнітне поле підтримує поле залишкового магнетизму (див. рис. 7.5).
При цих умовах виникне процес самозбудження генератора і його напруга буде поступово наростати, а з ним зростати й струм збудження. Як видно з рис. 7.6, у процесі самозбудження генератора е.р.с. е якоря наростає по кривій 1, а спадання напруги в ланцюзі збудження іш(rш + ρ) — по прямій 2. Тому коли е.р.с. якоря е > іш(rш + ρ), відбувається процес самозбудження генератора; коли ж ця е.р.с. е = Е = Іш(rш + ρ), даний процес закінчується. Межею цього є точка а перетину прямої 2 з кривою 1 (див. рис. 7.6). Різниця ординат між кривою 1 і прямою 2 фізично являє собою змінну е.р.с. самоіндукції, індуковану в обмотці збудження від наростання її потоку при самозбудженні машини. З рис. 7.6 видно, що
де rш — омічний опір обмотки збудження, Ом; ρ — додатковий опір в її ланцюзі у вигляді регульованого реостата, Ом; k і q — масштаби е.р.с. якоря і струму збудження.
Як показує рівняння (7.1), кут нахилу зазначеної прямої залежить від величини загального опору ланцюга збудження (rш + ρ). Чим менший цей опір, тим при більшій напрузі закінчується процес самозбудження машини, і навпаки.
Характеристику холостого ходу генератора паралельного збудження можна зняти дослідним шляхом при незалежному збудженні. У цьому випадку обмотка збудження генератора відключається від затискачів якоря й тимчасово включається на стороннє джерело підходящої напруги. Ця характеристика має вигляд, аналогічний кривій, зображеній на рис. 7.2.
Що стосується навантажувальних характеристик генератора паралельного збудження, то практично вони мають вигляд, аналогічний кривим, зображеним на рис. 7.3, і тут не розглядаються.
Зовнішня характеристика генератора. Зовнішня характеристика генератора паралельного збудження являє собою графічно зображену залежність напруги на його затискачах від струму якоря при постійних значеннях швидкості обертання і опору ланцюга збудження (п = const; rш + ρ = const):
Цю зовнішню характеристику можна зняти дослідним шляхом або ж побудувати графічно по характеристиці холостого ходу при якому-небудь заданому опорі ланцюга збудження. На рис. 7.7 показана побудова зовнішньої характеристики цього генератора при постійному значенні tgα ≡ rш + ρ. Нехай на лівій стороні рис. 7.7 ордината U = Oh являє собою номінальну напругу на затискачах машини при повному струмі якоря І2 = ОС.
Проводячи горизонталь через точку h до точки е, одержимо U = Oh = Се. Потім на відстані Og = U + І2r2 проводимо другу горизонталь до перетину її із кривою 1 у крапці b. Відрізок bc = gh = І2r2 буде виражати катет характеристичного трикутника. Далі, відкладаючи від точки с вправо відрізок розмагнічуючої м.р.с. якоря в масштабі струму збудження сd =FR/(2wш), одержимо характеристичний трикутник bcd. Тоді абсциса ОА буде являти собою струм збудження генератора при навантаженні, який забезпечує задану напругу на затискачах U = Oh = Ad. У цьому, випадку лінія спадання напруги при заданому опорі ланцюга збудження (rш + ρ) = const проходить із початку координат через точку d і перетинає характеристику холостого ходу 1 у точці а. Ордината Аоа = Of = Uo являє собою напругу генератора паралельного збудження при холостому ході, коли зовнішнє навантаження його відключене, а абсциса ОА0 = Іш0 – струм збудження в цьому режимі. Таким чином, на правій стороні рис. 7.7 визначилися дві точки зовнішньої характеристики: точка f при струмі якоря I2 = 0 і точка е при номінальному струмі якоря І2 = ОС, якому відповідає характеристичний трикутник bсd. Для побудови верхньої вітки зовнішньої характеристики генератора потрібно визначити ще одну точку цієї кривої, наприклад крапку е' при струмі якоря 0,5І2. Для цієї мети зменшують удвічі сторони характеристичного трикутника bсd. Отриманий заштрихований трикутник переміщають нагору по прямій Оа і вписують його між нею і кривою 1. Через точку d' проводять горизонталь до перетину в точці е' з ординатою, яка відповідає струму якоря 0,5І2= OD. Якщо з'єднати точки f, е' і е, то вийде верхня вітка зовнішньої характеристики генератора паралельного збудження при переході від холостого ходу до номінального струму якоря (крива 2 на рис. 7.7). У цьому випадку напруга на затискачах генератора зменшується під впливом:
а) розмагнічуючої дії м.р.с. якоря на поле полюсів FR ;
б) падіння напруги в омічному опорі обмотки якоря й щіткових контактів від струму якоря І2r2; в) зменшення струму збудження Іш внаслідок зниження напруги на затискачах під впливом перших двох причин.
Так, на рис. 7.7 струм збудження при холостому ході генератора Іш0 = ОА0, а при номінальному навантаженні Іш = ОА. У зв'язку зі зменшенням струму збудження при зменшенні опору зовнішнього ланцюга (навантаження) струм, який віддається генератором, досягає деякого граничного критичного значення в точці К. Після цього подальше зменшення опору навантаження супроводжується не зростанням, а зменшенням струму якоря й напруги на затискачах генератора (див. рис. 7.7). Отже, зовнішня характеристика цього генератора має дві вітки — верхню 2 і нижню 3. Вони показують, що якому-небудь струму якоря можуть відповідати два значення напруги на затискачах генератора: або на верхній, або на нижній вітці.
Для одержання точок е" і е'" нижньої вітки 3 кривої зовнішньої характеристики генератора потрібно перемістити вниз уздовж прямої Оа характеристичний трикутник bсd у положення b"c"d" і через точку d" провести горизонталь до перетину її в точці е" з ординатою Се. Далі варто перемістити вниз малий заштрихований трикутник у положення b'"c'"d'" і через точку d'" провести горизонталь до перетину її в точці е'" з ординатою De'.
Для визначення критичного струму якоря І2кр і точки К зовнішньої характеристики проводять дотичну tt' до кривої 1 характеристики холостого ходу, паралельну прямій Оа, і через точку дотику bк – пряму, паралельну гіпотенузі характеристичного трикутника, до перетину із прямою Оа (відрізок bкdк). Ордината Hdк дорівнює напрузі на затискачах генератора при критичному струмі якоря. Величина критичного струму якоря І2кр = OF = I2[bкdк/(bd)] = OC[bкdк/(bd)] і кратність його стосовно номінального І2кр/І2 = 1,4 ÷ 2,2. Перенісши точку dк вправо на ординату, проведену через точку F на осі абсцис, знаходять точку К перегину кривої зовнішньої характеристики.
Стійка робота генератора паралельного збудження по відношенню потужності, яка віддається якорем, можлива тільки на верхній вітці 2 зовнішньої характеристики його, на якій потужність якоря Р2 = UІ2 поступово зростає зі зменшенням опору навантаження до найбільшої величини при критичному струмі якоря (крива 4 на рис. 7.7). Після цього при подальшому зменшенні зазначеного опору навантаження відбувається перехід на нижню вітку 3 зовнішньої характеристики й потужність, яка віддається якорем, поступово зменшується до нуля при короткому замиканні його затискачів. У цьому випадку в ланцюзі якоря протікає відносно невеликий струм усталеного короткого замикання І2у, викликаний е.р.с. якоря від поля залишкового магнетизму машини (див. рис. 7.7).