Е) Круговой огонь на коллекторе. Компенсационная обмотка.

При работе машины постоянного тока может образоваться круговой огонь на коллекторе, под которым понимается электрическая дуга, охватывающая часть или весь коллектор по его цилиндрической поверхности. Явление кругового огня на коллекторе подробно исследовалось в Советском Союзе К. И Шенфером, О. Б. Броном, В. С. Александровым, А. И. Москвитиным и др. Исследования позволили выявить причины этого сложного явления. Оно может возникнуть при перегрузках машины. В этом случае сильно искажается поле под главными полюсами из-за поперечной реакции якоря (дополнительные полюсы компенсируют реакцию якоря только в коммутационной зоне). В результате возрастают максимальная индукция в воздушном зазоре и пропорциональное этой индукции максимальное напряжение U _к.м между соседними коллекторными пластинами (рис. 5-38).

Рис. 5-38. Максимальная индукция B _dм в воздушном зазоре машины при ее перегрузке, определяющая максимальное напряжение U _к.м между соседними коллекторными пластинами (пунктирная кривая — кривая поля машины при холостом ходе).

Если при этом поверхность коллектора загрязнена и он окружен воздухом, ионизированным вследствие искрения под щетками, то создаются условия для образования небольших электрических дуг между пластинами, которые в дальнейшем могут перейти в устойчивую мощную дугу. Такая дуга опасна для машины и может привести к серьезным повреждениям. В машинах небольшой и средней мощности нормального исполнения образование кругового огня на коллекторе наблюдается крайне редко. Это явление не следует смешивать с явлением кругового искрения, которое обычно не причиняет большого вреда машине, однако требует более частой чистки коллектора и приводит к более быстрому износу щеток и коллектора.

Для предотвращения кругового огня на коллекторе нужно иметь достаточное число коллекторных пластин на полюсное деление, чтобы напряжение между соседними коллекторными пластинами не было слишком большим. В мощных машинах, работающих с большими перегрузками (например, двигатели для крупных прокатных станов), кроме того, нужно применить компенсационную обмотку, чтобы не было искажения поля под главными полюсами. Проводники компенсационной обмотки, которая соединяется последовательно с обмоткой якоря, закладываются в пазы полюсных наконечников (рис. 5-39). Она при этом компенсирует поперечную реакцию якоря под главными по­люсами при всех нагрузках машины.

Рис. 5-39. Машина с компенсационной обмоткой в пазах полюсных наконечников.

Компенсационная обмотка обычно применяется для мощных и быстроходных машин при мощности на один полюс свыше 80—100 кВт, при U >400 В, если машина подвергается перегрузкам свыше 120% и если e_R >6 В. Применение ее для нормальных машин становится экономически целесообразным при мощностях свыше 900 кВт, даже если указанные условия отсутствуют.

 

5-8. Электромагнитный вращающий момент

Электромагнитный вращающий момент может быть найден, исходя из закона электромагнитных сил.

Согласно этому закону сила, действующая на проводник (рис. 5-40),

F_x = B_xil. (5-45)

Рис. 5-40. К определению электромагнитного вращающего момента.

Общая сила, действующая на якорь при числе проводников обмотки якоря N и токе в проводнике Ia/2 a,

. (5-46)

Искомый вращающий момент

. (5-47)

Подставив вместо диаметра якоря и учитывая, что B _срt l = Ф, получим:

, Дж , кг·м (5-48)

или

M = c _м I_a F, (5-49)

где — постоянная для данной машины величина.

Поток Ф в предыдущих равенствах представляет собой поток, определяемый действительной кривой поля машины при нагрузке и положением щеток (рис. 5-40).

То же самое выражение для вращающего момента можно получить, исходя из электромагнитной мощности машины Р _эм= Е_а I_а:

, Дж.

В генераторе электромагнитный момент действует против вращения и является, следовательно, тормозящим по отношению к первичному двигателю. Момент, создаваемый первичным двигателем, уравновешивает электромагнитный момент генератора и момент, соответствующий механическим и магнитным потерям в генераторе.

В двигателе электромагнитный момент действует по вращению и уравновешивает тормозящий момент нагрузки на валу и момент, соответствующий механическим и магнитным потерям в двигателе.

 

5-9. Генераторы

а) Классификация генераторов по способу возбуждения.

В зависимости от способа возбуждения основного магнитного поля машины различают генераторы с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Генератор, обмотка возбуждения которого получает питание от постороннего источника тока (например, от аккумуляторной батареи или от другого генератора постоянного тока), называется генератором с независимым возбуждением (рис. 5-41, а).

Генератор с параллельным возбуждением имеет обмотку возбуждения, подключенную параллельно к якорю (рис. 5-41, б). В генераторе последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем (рис. 5-41, в).

В генераторе со смешанным возбуждением на главных полюсах помещаются две обмотки: одна из них соединяется параллельно, другая — последовательно с якорем (рис. 5-41, г).

Рис. 5-41. Генераторы постоянного тока.

По параллельной обмотке возбуждения проходит небольшой ток, составляющий 1—5% номинального тока якоря. Она выполняется обычно с большим числом витков из проводника относительно небольшого сечения. По последовательной обмотке возбуждения проходит полный ток якоря, поэтому она выполняется с небольшим числом витков из проводника относительного большого сечения.

Генераторы малой мощности выполняются иногда с постоянными магнитами; их можно назвать магнито-электрическими. По свойствам они приближаются к генераторам с независимым возбуждением.

На щитке машины указываются номинальные величины: мощность (электрическая мощность на зажимах для генератора или мощность на валу для двигателя в ваттах или киловаттах), напряжение, ток, скорость вращения.

б) Генератор с независимым возбуждением.

Схема генератора с независимым возбуждением приведена на рис. 5-42. Здесь R _p — регулировочный реостат в цепи возбуждения; R _н –нагрузочный реостат.

Рис. 5-42. Генератор с независимым возбуждением.

При холостом ходе генератора, когда отключена внешняя цепь, напряжение на его зажимах, измеряемое вольтметром, можно считать равным э.д.с. якоря. Таким образом, опытным путем легко может быть найдена характеристика холостого хода; E ₀ = f (I _в) при n = const. Она представлена на рис. 5-43. При ее снятии ток возбуждения I _в изменяют от 0 до некоторого максимума, соответствующего E ₀»1,25 U _н, и затем его уменьшают до нуля. При этом получаются восходящая и нисходящая ветви характеристики холостого хода. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в полюсах и ярме статора. При i _в=0 э.д.с. в обмотке якоря индуктируется потоком остаточного магнетизма. Она обычно составляет 2-4% от U _н.

Рис. 5-43. Характеристика холостого хода.

Регулировочный реостат R _p имеет холостой контакт, соединенный с противоположным зажимом обмотки возбуждения. Такое соединение делается для того, чтобы при переводе ручки реостата на холостой контакт обмотка возбуждения была замкнута, так как при ее размыкании образовывались бы (из-за ее большой индуктивности) электрические дуги, приводящие к подгоранию контактов.

Для определения н.с. реакции якоря снимают также нагрузочные характеристики: U = f (I _в) при I_a = const и n =const. Одна из них при I_а= I _н представлена на рис. 5-44.

Рис. 5-44. Характеристики — нагрузочная (U), внутренняя нагрузочная (Е_а) и холостого хода (E ₀) (к определению реакции якоря).

Если к ординатам нагрузочной характеристики прибавить внутреннее падение напряжения в цепи якоря I_a S r_x +2D U _щ [см. § 5-6, уравнение (5-22) и далее], то получим внутреннюю нагрузочную характеристику E_a = f (I _в). Она показана на рис. 5-44 пунктиром. Здесь же приведена характеристика холостого хода.

Мы видим, что для создания э.д.с. Е_а при холостом ходе потребовался бы ток возбуждения I '_в, тогда как для создания той же э.д.с. Е_а при нагрузке требуется ток возбуждения I _в.н; следовательно, I _в(р.я)= I _в.н- I _в'= идет на компенсацию реакции якоря. Для определения н.с. реакции якоря F _р.я надо ток I _в(р.я) умножить на число витков 2 w _в пары полюсов: F _р.я = 2 w _в I _в(р.я). Для уточнения результатов следует, брать нисходящую ветвь характеристики холостого хода и снимать нагрузочную характеристику, начиная с наибольшего значения U и уменьшая I _в. Тогда будет исключено влияние гистерезиса.

Треугольник ABC, у которого один катет равен внутреннему падению напряжения в цепи якоря, а другой катет равен току I _в(р.я) (соответствующему реакции якоря), называется реактивным (или характеристическим) треугольником.

Если снять несколько нагрузочных характеристик для различных значений тока якоря I_а, то можно найти зависимость I _в(р.я) (или F _p.я) не только от насыщения, но и от тока I_а.

Большое практическое значение имеет внешняя характеристика: U = f (I) при n =const и I _в=const (рис. 5-45). Она снимается при включенном рубильнике (рис. 5-42); ток нагрузки I изменяют при помощи реостата R _н.

Рис. 5-45. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением.

Внешняя характеристика показывает, что напряжение на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки понижается. Понижение напряжения вызвано уменьшением потока Ф, а следовательно, и э.д.с. Е_а из-за реакции якоря, а также внутренним падением напряжения.

При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления R _н ток будет увеличиваться и при R _н=0 достигнет наибольшего значения I _к. Ток I _к — ток короткого замыкания. Он опасен для машины, так как в несколько раз превышает ее номинальный ток. Для предохранения машины от короткого замыкания во внешней цепи ставят предохранители, отключающие цепь при токе, превышающем допустимый для машины.

Изменение напряжения генератора характеризуется повышением напряжения при переходе от режима номинальной нагрузки к режиму холостого хода, отнесенным к номинальному напряжению (рис. 5-45):

. (5-50)

Для генераторов с независимым возбуждением, работающих при

I _в=const, D U %=5÷10%.

Напряжение на зажимах генератора можно поддерживать постоянным при изменении нагрузки путем регулирования тока возбуждения. Как при этом нужно регулировать ток возбуждения, показывает регулировочная характеристика: I _в = f (I) при n =const и U =const (рис. 5-46).

Рис. 5-46. Регулировочная характеристика.

Генераторы с независимым возбуждением применяются в тех случаях, где необходимо регулирование напряжения в широких пределах: например, для питания электролитических ванн, в схеме генератор-двигатель (§ 5-10, в). Они на практике встречаются сравнительно редко. Гораздо чаще применяются генераторы, работающие с самовозбуждением.

в) Генератор с параллельным возбуждением.

Схема генератора с параллельным возбуждением представлена на рис. 5-47. Здесь обмотка возбуждения питается от самого генератора. Такая работа возможна благодаря самовозбуждению машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем.

Рис. 5-47. Генератор с параллельным возбуждением.

В полюсах и ярме машины обычно всегда имеет место остаточный магнетизм, наличие которого обусловливает самовозбуждение.

Действительно, поток остаточного магнетизма при вращении якоря наводит в его обмотке небольшую э.д.с., которая создает небольшой ток в обмотке возбуждения. Этот ток при правильном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря увеличивает поток полюсов, который в свою очередь наводит в якоре большую э.д.с. Она создает в обмотке возбуждения соответственно больший ток — снова увеличивается поток и э.д.с. в якоре и т. д. до тех пор, пока не установится соответствие между током возбуждения, магнитным потоком и э.д.с.

Для уяснения процесса самовозбуждения обратимся к рис. 5-48. Здесь изображены характеристика холостого хода E ₀= f (I _в) и "прямая постоянного сопротивления цепи возбуждения"
E ₀ = r _в I _в,
где Е ₀ принята равной напряжению, приложенному к цепи возбуждения; r _в — сопротивление этой цепи.

Можно считать, что падение напряжения в цепи якоря, вызванное током I _в, ничтожно, поэтому напряжение на зажимах якоря, а следовательно, и на зажимах цепи возбуждения можно принять равным э.д.с. Е _в. При постоянном сопротивлении r _в цепи возбуждения напряжение на ее зажимах пропорционально току I _в, т. е. изменяется при изменении I _в по закону прямой линии, которую мы назвали прямой постоянного сопротивления цепи возбуждения (встречается также название "вольт-амперная" характеристика цепи возбуждения).

Оба уравнения E ₀= f (I_в) и E ₀= r _в I _в одновременно будут удовлетворяться только в точке А. В этой точке мы получаем установившуюся в процессе самовозбуждения э.д.с. Е ₀ = при данном сопротивлении r _в. При отклонении э.д.с. от этого значения вследствие какой-нибудь причины после устранения этой причины э.д.с. снова вернется, очевидно, в исходное положение, т. е. будет равна .

На рис. 5-48 . При увеличении r _в угол a будет увеличиваться и при совпадении прямой постоянного сопротивления цепи возбуждения с прямолинейной частью характеристики холостого хода будет равен критическому значению a_кр. Соответствующее ему значение r _в.кр (tga_кр= r _в.кр) называется критическим сопротивлением цепи возбуждения. Оно определяет "порог самовозбуждения" — при увеличении r _в сверх r _в.кр самовозбуждение невозможно.

Рис. 5 48. Самовозбуждение генератора с параллельным возбуждением.

При r _в = r _в.кр напряжение на зажимах якоря практически будет неустойчивым. Поток остаточного магнетизма дает очень небольшое напряжение (0,02—0,04 U _н), которое может быть практически устойчивым только при холостом ходе. Этим и объясняется то, что у генератора нормального исполнения получить устойчивое напряжение при холостом ходе, которое было бы меньше 60—70% номинального, не представляется возможным.

Если все же требуется от генератора параллельного возбуждения, чтобы он давал устойчивое напряжение, начиная, например, с 20% номинального, то приходится переходить к специальному выполнению его главных полюсов. Полюсы при этом собирают из листов, показанных на рис. 5-49, а, или их выполняют, как показано на рис. 5-49, б. В обоих случаях в полюсах получаются участки (а и b или участки сплошных листов), которые насыщаются при малом значении потока, вследствие чего характеристика холостого хода искривляется в своей начальной части (рис. 5-50). Генераторы с такой характеристикой применяются в качестве возбудителей, например, для турбогенераторов, для которых требуется изменять их ток возбуждения в широких пределах.

 

Рис. 5-49. Полюсы для получения искривленной в начальной части характеристики холостого хода.

Рис. 5-50. Характеристика холостого хода, искривленная в начальной части.

Обмотка возбуждения должна быть присоединена к зажимам якоря таким образом, чтобы ток, проходящий по этой обмотке, увеличивал поток остаточного магнетизма, в противном случае машина не может самовозбудиться.

Убедиться в наличии остаточного магнетизма можно путем измерения напряжения при холостой работе машины с отключенной обмоткой возбуждения. Если при включении обмотки возбуждения напряжение уменьшается, то это указывает на неправильное присоединение обмотки возбуждения. Следует или поменять местами ее концы, или изменить направление вращения машины. Обычно применяют первый способ. Генераторы с параллельным возбуждением часто встречаются на практике.

Так как ток, ответвляющийся в обмотку возбуждения, составляет небольшую долю номинального тока, то характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением, снятая для напряжения на зажимах, а не для э.д.с., практически не отличается от той же характеристики генератора с независимым возбуждением; то же можно сказать и о регулировочной характеристике.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением U = f (I) при n = const и r _в = const представлена на рис. 5-51. Верхняя кривая здесь представляет собой внешнюю характеристику при постоянном токе возбуждения.

Рис. 5-51. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением.

Понижение напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением будет больше, чем на зажимах генератора независимого возбуждения, работающего при постоянном токе возбуждения. У генератора с параллельным возбуждением напряжение понижается не только из-за реакции якоря и внутренних сопротивлений цепи якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения.

При некотором нагрузочном токе дальнейшее уменьшение внешнего сопротивления влечет за собой не увеличение тока, а его уменьшение. Этот наибольший возможный ток I _кр генератора с параллельным возбуждением называется критическим током (рис. 5-51).

Представленный на рис. 5-51 вид внешней характеристики объясняется следующим образом. Если мы при критическом токе уменьшим сопротивление внешней цепи, то в первый момент ток в якоре возрастет. Это вызовет возрастание реакции якоря и внутреннего падения напряжения, а следовательно, понижение напряжения yа его зажимах, которое еще больше уменьшится вследствие обусловленного им уменьшения тока возбуждения. В результате установится режим работы, при котором напряжение будет снижено на относительно большую величину (например, на 30%), чем было уменьшено внешнее сопротивление (например, на 20%), что и приводит к уменьшению нагрузочного тока.

Когда сопротивление внешней цепи равно нулю. т. е. при коротком замыкании, ток якоря равен I _к (рис. 5-51). Этот ток обусловлен наличием остаточного магнетизма. Для больших машин он может быть больше номинального.

Внезапное короткое замыкание для генератора с параллельным возбуждением так же опасно, как и для генератора с независимым возбуждением. Магнитный поток здесь не может быстро уменьшиться из-за большой индуктивности обмотки возбуждения; следовательно, и э.д.с., наведенная им в обмотке якоря, будет уменьшаться постепенно, что приводит к большим значениям тока в цепи якоря в процессе перехода к установившемуся режиму короткого замыкания.

Поэтому генераторы с параллельным возбуждением также должны быть снабжены предохранителями, причем при большой их мощности часто устанавливаются быстродействующие выключатели, отключающие короткозамкнутую цепь еще до того, как ток якоря достиг опасных значений.

г) Генератор с последовательным возбуждением.

Схема генератора с последовательным возбуждением приведена на рис. 5-52.

Рис. 5-52. Генератор с последовательным возбуждением.

Характеристику холостого хода этого генератора можно снять только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника.

Рис. 5-53. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением.

Внешняя характеристика генератора показана на рис. 5-53. Так как одновременно с током в якоре возрастает и ток в обмотке возбуждения, то напряжение растет вместе с нагрузкой. Однако напряжение будет расти только до некоторого предела, так как дальнейшее увеличение тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток лишь в небольшой степени из-за насыщения стальных участков магнитной цепи машины. Ток в обмотке якоря вызывает все большее уменьшение напряжения как вследствие реакции якоря, так и вследствие падения напряжения в сопротивлении цепи якоря. Поэтому в дальнейшем при увеличении нагрузочного тока напряжение уменьшается. Генераторы с последовательным возбуждением на практике применяются в редких случаях и только в специальных схемах.