Тормозящий момент в генераторе

204. Торможение электрических двигателей

Если снять нагрузку с электрического двигателя и отключить его от сети, то двигатель некоторое время будет вращаться по инерции. Время его остановки будет особенно велико, если двигатель обладает большой массой и скоростью. Однако в про-цессе работы двигателя возможны частые пуски и быстрые остановки (станки, подъемные краны, подъемники и т. п.). Необходимо отметить, что быстрая остановка двигателя имеет большее значение, чем его быстрый пуск. Если задержка при пуске двигателя приводит к простою оборудования, то задержка при торможении может привести к поломке механизма, авариям, к увечью и гибели людей.

Торможение двигателей может быть осуществлено механическим и электрическим способами.

Механическое торможение производится при помощи ленточного или колодочного тормоза. На фиг. 413 показана принципиальная схема устройства ленточного тормоза с электромагнитным оттормаживанием. Шкив двигателя 1 охватывает стальная лента 2 с укрепленными на ней деревянными колодками. На опоре 3 шарнирно поворачивается тормозной рычаг 4 с грузом 5 на конце. Концы ленты крепятся к отросткам рычага 6. При выключенной катушке 7 тормозной рычаг под действием груза занимает крайнее нижнее положение, отростки рычага натягивают стальную ленту, зажимающую при помощи колодок шкив двигателя.

Для пуска двигателя в ход включают в сеть катушку 7, которая втягивает стальной сердечник, шарнирно связанный с тормозным рычагом. Рычаг поднимается, лента ослабляется и шкив двигателя оттормаживается.

Механическое торможение часто применяется в крановых установках. При этом способе торможения кинетическая энергия двигателя превращается в тепловую энергию, теряемую в тормозных колодках или ленте.

Электрическое торможение может быть произведено путем:

I) замыкания отключенного от сети якоря двигателя на сопротивление (динамическое торможение), 2) возврата энергии в сеть(рекупера-ция), 3) переключения двигателя на обратное вращение (торможение противотоком). При электрическом торможении кинетическая энергия двигателя превращается в электрическую энергию.

Торможение двигателя путем замыкания якоря на сопротивление заключается в следующем. Для торможения двигателя обмотку якоря отключают от сети н замыкают на тормозное сопротивление, в то время как обмотка возбуждения двигателя остается подключенной к сети. Ток в обмотке якоря при работе двигателя равен:

причем направление тока якоря совпадает с направлением напряжения сети (фиг. 414).

При отключении якоря от сети и замыкании его обмотки на сопротивление ток якоря будет:

Противоэлектродвижущая сила Е, индуктируемая в обмотке якоря при вращении двигателя, имеет направление, противоположное напряжению сети. Поэтому ток, вызванный ею, будет протекать обратно тому направлению, которое было во время работы двигателя. Изменение направления тока в обмотке якоря, в то время как в обмотке возбуждения направление тока не изменилось, приведет к тому, что двигатель, вращаясь в прежнем направлении, будет развивать момент, направленный в противоположную сторону, т. е. будет тормозиться. По мере того как двигатель будет останавливаться, противо-э. д. с. будет уменьшаться и тормозной момент также будет уменьшаться. Торможение двигателя произойдет тем быстрее, чем меньше будет тормозное сопротивление. Если в момент торможения одновременно с якорем отключить от сети также концы обмотки возбуждения, то магнитный поток двигателя будет уменьшаться вместе с противо-э. д. с. и быстрого торможения не произойдет. При торможении двигателя с параллельным возбуждением, как видно из фиг. 415, пересоединения обмотки возбуждения делать не нужно. Рассмотрим торможение двигателя с последовательным возбуждением путем замыкания якоря на сопротивление. Если отключить концы двигателя и замкнуть их на тормозное сопротивление, то направление тока изменится одновременно как в обмотке якоря, так и в обмотке возбуждения, следовательно, торможения двигателя не произойдет.

Во избежание этого в момент торможения обмотка возбуждения двигателя переключается таким образом, чтобы направление тока в ней осталось прежним. Для двигателей со смешанным возбуждением электрическое торможение путем замыкания якоря на сопротивление выполняется как и у двигателей с параллельным возбуждением.

Электрическое торможение с возвратом энергии в сеть возможно, когда противо-э. д. с. двигателя становится больше напряжения сети. Это может произойти, ес-ли: 1) напряжение сети станет меньше; 2) двигатель будет перевозбужден; 3) если скорость вращения двигателя будет выше скорости при холостом ходе. Во всех этих случаях направление тока в обмотке якоря меняется на обратное, и двигатель, вращаясь в прежнем направлении за счет кинетической энергии, превращается в генератор, отдавая в сеть электрическую энергию. Якорь двигателя при этом развивает тормозящий момент, в результате чего скорость якоря уменьшается до тех пор, пока противо-э. д. с. двигателя не станет равной напряжению сети. Увеличение скорости, которое определяется в данный момент напряжением и магнитным потоком, может произойти, например, у двигателя подъемного крана под действием веса опускающегося груза или у двигателя электровоза (трамвая), идущего под уклон.

У двигателя с параллельным возбуждением торможение путем возврата энергии в сеть происходит автоматически, без каких-либо переключений. У двигателя с последовательным возбуждением торможение по этому способу без переключений произойти не может, так как направление тока одновременно меняется как в обмотке якоря, так и в обмотке возбуждения.

Двигатели со смешанным возбуждением можно тормозить путем увеличения скорости вращения сверх скорости при холостом ходе только при наличии преобладающего влияния параллельной обмотки возбуждения.

Торможение путем переключения двигателя на обратное вращение (торможение противотоком) заключается в том, что обмотка якоря работающего двигателя переключается и направление тока в ней меняется на обратное. В этом случае ток в обмотке якоря равен:

т. е. будет пропорционален не разности между U и Е, а сумме их. Поэтому в первый момент величина тока в обмотке якоря будет особенно велика (в 20—40 раз больше номинального то- . ка), двигатель получает большой механический толчок, а тепло, выделяемое обмоткой в это время, опасно для целости самой обмотки и ее изоляции. После переключения обмотки якоря на обратный ход двигатель, продолжая вращаться в прежнем направлении, развивает большой тормозящий момент.

При таком способе торможения необходимо вовремя отключить двигатель от сети, так как в противном случае он после останова начнет вращаться в обратную сторону. Торможение противотоком в том виде, как было описано выше, применяется в исключительных случаях, ввиду тяжелых последствий такого торможения для самого двигателя. Однако если в момент переключения обмотки якоря в цепь обмотки ввести сопротивление пускового реостата, то большого толчка тока не произойдет.

Асинхронные двигатели могут работать в следующих тормозных режимах: генераторном, противовключения и динамического торможения.

Генераторное торможение у асинхронных двигателей возможно при скорости выше синхронной. При этом машина, работая в генераторном режиме, тормозится, отдавая энергию в сеть.

Торможение противовключением производится путем переключения на ходу любых двух фаз двигателя. Прч этом двигатель, продолжая вращаться по инерции, развивает момент вращения, действующий в обратную сторону. Когда двигатель остановится, его необходимо отключить от сети, иначе он начнет вращаться в обратную сторону.

Динамическое торможение асинхронного двигателя осуществляется путем включения обмотки статора на постоянное напряжение.

Генератор постоянного тока ГПТ: основные понятия.

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС E_a. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:

сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря r_a , обмотки добавочных полюсов r_Д , компенсационной обмотки r_к.о., последовательной обмотки возбуждения и переходного щеточного контакта r_щ.

При отсутствии в машине каких-либо из указанных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение приводным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М₁ Если к генератору не подключена нагрузка (работает в режиме х.х. I_a=0 ), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холостого хода M. Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе генератора с подключенной нагрузкой в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодей­ствуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вра­щающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока

При неизменной частоте вращения n = const вра­щающий момент приводного двигателя M₁ уравнове­шивается суммой противодействующих моментов: мо­ментом х.х. M и электромагнитным моментом М, т. е.

Выражение (28.3) —называется уравнением моментов для генератора при постоянной частоте нагрузки. Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря ω, получим уравнение мощностей:

где P1 = M1ω — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая); P = Mω мощность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен­ной нагрузке); P_ЭМ = Mω— электромагнитная мощность генератора.

Согласно (25.27), получим

или с учетом (28.1)

где P₂ — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощ­ность, отдаваемая генератором нагрузке; P_Эa — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря .

Учитывая потери на возбуждение генератора P_ЭВ, получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приводным двигателем P₁, преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность P₂, передаваемую нагрузке, и мощ­ность, затрачиваемую на покрытие потерь

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии n = const.

Рассмотрим основные характеристики генераторов посто­янного тока.

Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U от тока возбуждения I_В:

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбу­ждения I_В:

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I:

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж­дения I_В от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свой­ства генераторов постоянного тока которые во многом зависят от способа включения генератора в схему, поэтому мы рассмотрим каждый способ включения по отдельности.

Мотор в качестве электромагнитного тормоза

Я занимаюсь разработкой бесколлекторных моторов в компании Impulsor. В последнее время к нам часто обращаются для разработки мотора/генератора, который будет выступать в качестве тормоза. В данной статье я расскажу об особенностях такого применения моторов, какие при этом преимущества и недостатки, и как реализовать такой режим работы.

Преимущества и варианты использования

Использование мотора в качестве тормоза даёт ряд преимуществ и параметров, которых не достичь, используя другие, доступные на данный момент, виды тормозов. Однако у данного подхода есть и недостатки.

• Быстрый режим включения/выключения и выставления тормозного момента.
• Широкий диапазон рабочих оборотов. Возможно сделать и сверх оборотистый тормоз ( до 100 000 rpm), так наоборот и очень медленный.
• Плавная установка нагрузки, отсутствие возможности случайной блокировки вала.
• Отсутствие пыли и отработанных материалов от тормоза. Можно использовать в помещении или замкнутом объёме.
• Можно использовать в качестве генератора.

• Ограничения по рабочей температуре до 150, 200 градусов. Немного поднять температуру возможно, но при этом цена изделия возрастает очень сильно.
• Обычный тормоз из диска и колодок в тех же габаритах будет эффективнее.
• Сильные ограничения по моменту на низких оборотах и невозможность полностью заблокировать вал. Данное ограничение можно обойти с применением контроллера с внешним питанием.
• Постоянное наличие небольшого тормозного момента.

Режимы работы

Для электромагнитного тормоза доступны 3 режима торможения, они различаются тем, куда идёт энергия от торможения:

1. Режим замыкания и выделения тепла непосредственно в моторе.
2. Выделение тепла на внешней нагрузке, сопротивлении или биполярном транзисторе.
3. Рекуперация и зарядка аккумулятора.

1. Режим замыкания

Это самый простой режим. В нём контакты мотора просто замыкаются, и тормозная мощность выделяется на сопротивлении обмотки мотора. Моторы изначально спроектированы с уклоном на охлаждение и к тому же они обладают достаточно большой массой и теплоёмкостью. Это позволяет достаточно интенсивно использовать такой режим без доработок мотора/генератора.

Для реализации данного режимы достаточно диодного моста и механического (кнопки, рубильника или реле) или электронного ключа (MOSFET, IGBT). Для корректировки тормозного усилия применяется ШИМ, который задаёт скважность открытия ключа. Схема подключения выглядит следующим образом:

Данный режим имеет интересную особенность. С ростом оборотов максимальный тормозной момент будет падать. Это связанно с тем, что обмотка мотора имеет значительную индуктивность и с ростом оборотов, растёт и частота токов. В результате реактивное сопротивление обмотки превысит активное и мощность потерь будет ниже максимально возможной для этого мотора. Характерная зависимость максимального тормозного момента от оборотов показана на графике ниже:

Несмотря на то, что любой готовый мотор можно сразу использовать в таком режиме, такой режим не позволит раскрыть весь потенциал изделия. Однако характеристики работы тормоза в таком режиме можно значительно повысить, есть его изначально проектировать как тормоз.

У этого режима есть ещё один важный недостаток. Из-за быстрого и резкого замыкания и размыкания обмоток будут возникать сильные электромагнитные помехи. Также диодный мост должен быть рассчитан на большие импульсные токи.

2. С внешней нагрузкой

В данном режиме основным источником выделения тепла от торможения служит внешнее сопротивление. Этот режим гораздо более эффективный, так как тормозная мощность более не ограниченна теплоотводом тепла мотора, а радиатор на сопротивлении можно сделать сколь угодно большим. Кроме того, если правильно подстраивать величину сопротивления, то максимальный тормозной момент будет выше, чем просто при замыкании и чем выше обороты, тем существеннее это будет проявляться.

Для реализации данного режима также необходим диодный мост, но после него включается либо механический реостат, либо биполярный транзистор со схемой контроля тока, либо сопротивления (схема электронной нагрузки). Схема подключения выглядит следующим образом:

При малой величине внешнего сопротивления относительно сопротивления мотора, характер тормозного момента будет близок к первому режиму. При увеличении сопротивления точка пикового момента будет смещаться к большим оборотам, и максимальная тормозная мощность будет расти. Динамика изменения тормозного момента с ростом сопротивления нагрузки показана на графике ниже:

Данный режим позволяет получить на нужном диапазоне рабочих оборотов участок, на котором тормозной момент возрастает с ростом оборотов. Этот режим работы крайне удачный, так как он позволяет стабилизировать обороты или ограничить их. Образуется стабильная система с обратной связью.

3. Рекуперация

Данный режим самый сложный в реализации. Он требует контроллера (ESC) наподобие тех, что применяется для управления бесколлекторными моторами BLDC. Но при этом данный режим и самый эффективный. Он способен устранить большинство недостатков тормоза такого типа. Так, например, контроллер позволит полностью блокировать вал мотора, он позволит использовать тормоз одновременно в режиме генерации и контролируемого торможения и в данном режиме можно достигнуть тормозных моментов значительно выше, чем в предыдущих 2х.

В данной статье я не буду подробно описывать устройство контроллера и алгоритмы его работы, т.к. эта тема для отдельной статьи, а возможно и не одной. Для желающих разобраться в данном вопросе можно изучить принцип работы контроллера в электротранспорте (велосипедах, самокатах) и то как в них реализованы алгоритмы торможения и рекуперации.

Не много полезной информации на счёт Генератора

Генератор предназначен для питания электрическим током всех потребителей и для подзарядки аккумуляторной батареи при работе двигателя на средних и больших оборотах. На современные автомобили устанавливается генератор переменного тока. Он включен в электрическую цепь автомобиля параллельно аккумуляторной батарее. Однако питать потребителей и заряжать батарею генератор будет только в том случае, если вырабатываемое им напряжение превысит напряжение аккумуляторной батареи. А произойдет это тогда, когда двигатель автомобиля начнет работать на оборотах выше холостых, так как напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от скорости вращения его ротора. При этом, по мере увеличения частоты вращения ротора генератора, вырабатываемое им напряжение может превысить требуемое. Поэтому генератор работает в паре с регулятором напряжения. Регулятор напряжения является электронным прибором, который ограничивает вырабатываемое генератором напряжение и поддерживает его в пределах 13,6 — 14,2 вольта.

Статор (неподвижная часть генератора) представляет собой обмотки с магнитопроводом, в которых образуется электрический ток. Ротор — вращающаяся часть генератора. Ротор состоит из обмоток возбуждения с полюсной системой, вала и контактных колец. Кольца выполняются чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. Для снижения износа и предотвращения окисления они могут изготавливатья из латуни или нержавеющей стали. К кольцам присоединяются выводы обмотки возбуждения. Питание к обмоткам подается через щетки (скользящие контакты), которые прижимаются к кольцам с помощью пружин. Щетки бывают двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют более высокое электрическое сопротивление, что снижает выходные характеристики генератора, зато они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Существуют и бесщеточные генераторы, у которых на роторе расположены постоянные магниты, а обмотки возбуждения — на статоре. Отсутствие щеток и контактных колец повышает надежность генератора, но увеличивает массу и шумность при работе.

При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно разнополярные полюсы, т. е. направление и величина магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и приводит к появлению в ней переменного напряжения. Так как потребители электрической сети автомобиля работают на постоянном напряжении, в схему генератора вводится диодный выпрямитель.

Электронные регуляторы напряжения, как правило, встроены в генератор ("таблетка") и объединены со щеточным узлом. Иногда они располагаются отдельно в подкапотном пространстве. Регуляторы изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Устройства необслуживаемые, необходимо лишь контролировать надежность контактов. Существуют регуляторы напряжения, наделенные функцией термокомпенсации, — они измененяют напряжение зарядки в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для обеспечения оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к батарее, и наоборот.

Генераторы выпускаются в двух конструктивных исполнениях — "классическом", с вентилятором у приводного шкива, и компактном, с двумя вентиляторами внутри генератора. Так как "компактные" генераторы имеют привод с более высоким передаточным отношением, их называют еще высокоскоростными генераторами.

Генератор устанавливается на специальном кронштейне двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала через ременную передачу. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива генератора, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток. На современных моделях, как правило, привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра. Привод генератора может осуществляться как отдельно, так и одним ремнем вместе с насосом охлаждающей жидкости ("помпой"). Натяжение ремня регулируется либо отклонением корпуса генератора, либо (в случае применения поликлинового ремня) натяжными роликами при неподвижном генераторе.

Возможна ли замена генератора одной марки на другой? Вполне, если выполняются следующие условия:

• энергетические характеристики заменяющего генератора не ниже, чем у заменяемого;
• передаточное число от двигателя к генератору одинаково;
• габаритные и крепежные размеры заменяющего генератора позволяют установить его на двигатель. Большинство генераторов зарубежного производства имеют однолапное крепление, а отечественные крепятся за две лапы, поэтому замена "иномарочного" генератора отечественным потребует замены кронштейна;
• электрические схемы генераторных установок аналогичны.

✔ И напоследок несколько "вредных" советов, как быстро и без проблем "сжечь" генератор:

1.Самый лучший и быстрый способ — "Переплюсовка". Поменяйте местами провода от клемм аккумуляторной батареи, при этом возможен не только оптический эффект (яркая вспышка внутри генератора, легкое дымовое облако), но также звуковой (от щелчка до хлопка и шипения), обонятельный (почувствуете непередаваемый аромат горящих проводов!), и, наконец, тактильный (ожог 1-3 степени — подбирается экспериментально!) После применения этого способа диодный мост выгорает с вероятностью 99%, статор — 60%, реле-регулятор — 20%, провода — 10%, автомобиль целиком — 0,01%! Способ очень эффективен при "прикуривании". Возможны побочные эффекты — выгорание бортовых компьютеров, сигнализации, музыки и т.д. Большой плюс — не требует специальных навыков и знаний, легко осваивается начинающими.

2.Способ "Мойка". Помойте двигатель своей машины. Особенно тщательно помойте генератор, проследите, чтобы потоки воды прополоскали все внутренности агрегата. Ни в коем случае не продувайте генератор после мойки! Сразу же заводите машину и включите побольше нагрузок — весь свет, обогрев, музыку. Если эффект не произошел — повторите попытку. Эффект появится, поверьте! Плюс — сгоревший генератор будет чистым.

3."Дедовский" метод — сдёргивание плюсовой клеммы аккумулятора на работающем двигателе вроде бы для проверки зарядной системы. Процент сгоревших релюшек увеличивается до 50-70%. Способ требует определенной сноровки — главное, чтобы было побольше искр! Возникающие в цепях высоковольтные коммутационные процессы рано или поздно должны будут сжечь хоть что-нибудь в Вашем генераторе, или, в крайнем случае, в машине! Как всегда, рекомендуется включить побольше всяких там нагрузок — свет, печки, подогрев. Способ не очень эффективен на старых машинах, но главное — верить, что так и будет!

4."Лужа" — способ, которым пользуется множество автолюбителей, даже не подозревая об этом. При этом многие искренне уверены, что автомобиль и его агрегаты, включая генератор, по водонепроницаемости должен быть сродни подводной лодке. Дерзайте! Как много неисследованных глубин ждут своих первооткрывателей! И еще простой совет — лужу надо проезжать на возможно максимальной скорости, тщательно следя, чтобы брызги равномерно захлестывали подкапотное пространство. Отсутствие защитных кожухов и поддонов во многом облегчит Вашу непростую задачу. Очень большой плюс — способом можно пользоваться практически ежедневно, не выходя из машины!

5.Способ "Меломан". Для очень крутых! Поставьте в Вашу машинку супер магнитолку, парочку CD чейнджеров, пару-тройку ламповых усилителей ватт по 200-300, сабвуфер ватт на 500, ну колонок с десяток, лучше полтора. Вообще, чем больше — тем лучше! Баксов на 12-25 тысяч! (Это не враки — случай зафиксирован!) Включайте! Если через пару минут генератор все ещё работает, а характерного дыма и запаха все еще нет — значит Вы поставили слишком дешёвую аппаратуру!

6."Аккумуляторный" способ — наиболее коварный и таинственный из всех, поскольку его осознание требует понимания химических и физических процессов (ну хотя бы закон Ома, что уже не всем дано!) А если по-простому — используйте давно просроченный аккумулятор, не моложе трех-пяти лет. Чем старше — тем больше вероятность, что в аккумуляторе окажется короткозамкнутая банка. При этом аккумулятор может подавать признаки жизни — заводить машину, подзаряжаться от зарядного устройства и т.д., но при этом он становится мощной паразитной нагрузкой в цепи генератора. Возможно, что силы тока будет хватать на работу инжектора, но при включении дальнего света и обогрева генератор будет греться так, что его можно использовать для приготовления яичницы в походных условиях! Главное — не обращать на это внимания, и способ когда-нибудь сработает!

2.11.3. Уравнение равновесия моментов генератора

Как указывалось выше (см. рис. 2.2.), в генераторах электро­магнитный момент М_ЭМ направлен навстречу моменту приводного двигателя М_ДВ. Кроме тормозящего электромагнитного момен­та М_ЭМ на валу генератора существует еще момент холостого хода М , соответствующий механическим потерям генератора и потерям в стали.

При постоянной скорости вращения якоря полный тормозящий момент генератора М_Т определяется как

Согласно условию равновесия моментов, вращающий и тормозя­щий моменты должны находиться во взаимном равновесии, т.е. должны быть равны по величине, но направлены в противополож­ные стороны:

(2.45.)

2.11.4. Характеристики генераторов а. Характеристика холостого хода

Одной из важнейших характеристик генератора является ха­рактеристика холостого хода (х.х.х.), представляю­щая собой зависимость при токе нагрузкиI=0 и n=const.

Так как э.д.с. генератора, согласно формуле (2.3.), равна

то х.х.х. представляет собой по существу характеристику магнитопровода машины и изображается графически в виде петли ги­стерезиса (рис.2.31.). Ширина петли определяется прежде всего свойствами материала магнитопровода, а также величиной воз­душного зазора. Отрезок ОК характеризует э.д.с., обусловленную наличием в магнитопроводе остаточного магнетизма. При практи­ческих расчетах за характеристику холостого хода принимают среднюю (штриховую) линию.

Положение на характеристике точки А₁, соответствующей но­минальной э.д.с. генератора, определяет степень насыщения маг­нитной цепи. Обычно эта точка лежит на изгибе кривой, так как работа на прямолинейной части не обеспечивает устойчивого на­пряжения, а работа на насыщенной части кривой ограничивает возможность его регулирования и требует большой мощности воз­буждения.

Характеристики холостого хода для машин с независимым воз­буждением и самовозбуждением аналогичны.

Рис.2.31. Характеристика холостого хода генератора

Б. Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора постоянного тока на примере генератора с параллельным возбуждением (рис.2.29,б) в режиме холостого хода.

Если привести якорь генератора во вращение с номинальной скоростью, то под действием остаточного магнитного потока в об­мотке якоря возникнет небольшая э.д.с., равная 1…3% номиналь­ной. Под действием этой э.д.с. по цепи возбуждения потечет не­большой ток, создающий некоторый магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора может протекать только в том случае, если возникший магнитный поток совпадает по направлению с остаточным магнитным потоком. В этом случае результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению наводи­мой в обмотке якоря э.д.с., а она в свою очередь увеличивает ток возбуждения, поток машины и т. д. Графически этот переход­ный процесс показан на рис.2.32. С одной стороны он опреде­ляется х.х.х. (кривая 1), с другой – характеристикой цепи возбуждения (прямая 2) (R_B – сопротивление цепи возбуждения).

Электродвижущая сила генератора уравновешивается падения­ми напряжения в цепи возбуждения

где L_B — индуктивность обмотки возбуждения.

Величины отрезков ординат между кривой 1 и прямой 2, равные , характеризуют интенсивность процесса самовозбуждения.

Рис.2.32. Самовозбуждение генератора.

Пересечение характеристики цепи возбуждения — луча сопротивления — с характеристикой холостого хода определяет точку установившегося режима для генератора (точка А₁ ). Положение точки А₁ на кривой х.х.х. зависит от угла наклона луча сопро­тивления

В положении 3, когда луч сопротивления становится касатель­ным к х.х.х., генератор не возбуждается. Такое значение R_B на­зывается критическим сопротивлением. Таким обра­зом, условиями самовозбуждения генератора являются:

1) наличие остаточного магнетизма;

2) правильное присоединение обмотки возбуждения к обмотке якоря (появляющийся в цепи возбуждения ток должен усиливать поле остаточного магнетизма);

3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше кри­тического.

Самолетные генераторы постоянного тока, приводом которых является авиационный двигатель, обычно работают при перемен­ной скорости вращения якоря. Поэтому при исследовании этих ге­нераторов представляет интерес рассмотреть серию характеристик холостого хода, соответствующих различным скоростям вращения (рис. 2.33.).

Рис.2.33. Скоростные характеристики генераторов

Из их анализа следует, что генератор может самовозбудиться лишь при определенной (более критической) скорости вращения якоря; критической скоростью называется та­кая скорость, при которой характеристика цепи возбуждения лишь касается х.х.х.

В. Рабочие характеристики генераторов с независимым и

К рабочим характеристикам генераторов относятся нагрузоч­ные, внешние и регулировочные характеристики.

Нагрузочные характеристики представляют собой зависимости U=f(i_В) при токе нагрузки I=const и n=const (рис.2.34.). Эти характеристики практически одинаковы для гене­раторов с независимым и параллельным возбуждением. Частным случаем нагрузочной характеристики является х.х.х.

Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше его э.д.с. вследствие падения напряжения в цепи якоря (IR_a) и раз­магничивающего действия реакции якоря, обусловливающего уменьшение Е_a.

Влияние этих факторов на рис.2.34. учитывается сторонами ВС и АВ характеристического (реактив­ного) треугольника AВС. Его сторона АВ эквивалентна размагничивающему действию реакции якоря в масштабе тока возбуждения, а сторона ВС соответствует падению напряже­ния IR_a. При I=const величина катета ВС остается практически постоянной. По мере увеличения насыщения магнитной системы влияние поперечной реакции якоря начинает сказываться все силь­нее и сторона АВ треугольника АВС увеличивается. Полагая ка­теты характеристического треугольника неизменными, можно по­строить нагрузочную характеристику путем перемещения тре­угольника AВС так, чтобы его вершина А скользила по х.х.х. Вершина С при этом опишет на­грузочную характеристику.

Рис.2.34. Нагрузочные характеристики генераторов с независимым и

Внешние характери­стики представляют собой за­висимости (рис. 2.35.) U=f(I) при R_B = const и n= const. Согласно формуле (2.44.), в генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения U при уве­личении нагрузки I обусловли­вается тремя причинами:

1 — паде­нием напряжения в якоре от тока ;

2 — размагничиваю­щим действием реакции якоря;

3 — уменьшением тока возбужде­ния i_B, вследствие двух первых причин.

Соответствующая внеш­няя характеристика показана на рис.2.35. в виде кривой 1.

То обстоятельство, что ток возбуждения в генераторах с па­раллельным возбуждением снижается при увеличении нагрузки, определяет особый вид внешней характеристики этих генераторов.

Увеличение нагрузки I путем уменьшения сопротивления внешней цепи происходит лишь до известного предела (I_пред), соответст­вующего границе устойчивой части внешней характеристики. По­пытка еще увеличить нагрузку таким же образом приводит к рез­кому снижению напряжения генератора и тока нагрузки вследст­вие резкого уменьшения тока возбуждения. Эта часть характери­стики является неустойчивой.

В генераторах независимого возбуждения снижение напряже­ния при увеличении нагрузки обусловлено лишь двумя указанными выше причинами, поскольку для этих генераторов при U=const условие R_В =const соответствует условию i_B = const. По­этому в генераторах с независимым возбуждением напряжение при увеличении нагрузки снижается медленнее, чем в генераторах с параллельным возбуждением (кривая 2).

Из анализа внешних характеристик следует, что генератор с параллельным возбуждением имеет сравнительно небольшую величину установившегося тока короткого замыкания I_к.з1, обусловливаемого остаточным магнетизмом и влиянием м.д.с. коммутируемых секций. Однако опасен бросок тока переходного процесса, который может превышать номинальный ток I_н машины в не­сколько раз. В генераторах независимого возбуждения ток короткого замыкания

Рис.2.35. Внешние характеристики генераторов с независимым

и параллельным возбуждением.

Падение напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки обычно выражают в процентах номинального значения напряжения

Для генераторов с независимым возбуждением эта величина составляет 5…15%, а для генераторов с параллельным возбужде­нием – 10…20%.

Регулировочные характеристики представляют собой зависимости i_B=(I) при U=const и n=const. Они практи­чески одинаковы для генераторов с параллельным и независимым возбуждением.

При увеличении нагрузки генератора увеличивается падение напряжения в цепи якоря I_aR_a , а также усиливается размагничи­вающее действие реакции якоря. Для поддержания напряжения на зажимах генератора неизменным нужно увеличивать ток воз­буждения i_B (рис. 2.36.).

Рис.2.36. Регулировочная Рис.2.37. Регулировочная

характеристика генератора характеристика авиационного

Авиационные генераторы часто выполняются с неполным ком­плектом дополнительных полюсов. В таких машинах, как пока­зывают исследования, более сильно выражены размагничивающее действие реакции якоря и влияние м.д.с. коммутируемых секций. При переходе с расчетной на максимальную скорость вращения, поток дополнительных полюсов, вследствие уменьшения магнит­ного сопротивления ярма и полюсов, из-за уменьшения потока главных полюсов, увеличивается примерно на 20…30%. Это об­условливает возрастание подмагничивающего потока от м.д.с. коммутируемых секций, а в связи с этим — и необходимость снижения тока возбуждения для поддержания неизменным напряже­ния генератора.

В регулировочной характеристике появляется «провал» (рис. 2.37.). Он обусловливает неустойчивую параллель­ную работу генераторов, так как одному и тому же току возбуждения соответствует два тока нагрузки. У таких гене­раторов обычно увеличен и ток короткого замыкания (I’_к.з1 на рис.2.35. ). Для устранения «провала» в регулировочных характери­стиках уменьшают поток дополнительных полюсов путем установ­ки под них латунных прокладок.