Условие самовозбуждения генератора это

Генераторы параллельного возбуждения. Условия самовозбуждения генератора.

Генераторы параллельного возбуждения.

Условия самовозбуждения генератора.

В генераторах с самовозбуждением, а к ним относится и генератор параллельного возбуждения, обмотки возбуждения получают питание непосредственно от якоря самого генератора, при этом посторонний источник питания им не требуется.

Самовозбуждение генератора возможно при выполнении трех условий:

1) наличие потока остаточного намагничивания полюсов Ф_ост;

2) согласное направление магнитного потока остаточного намагничивания и магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения генератора;

3) сопротивление цепи возбуждения r_в должно быть ниже некоторого критического значения, а частота вращения должна быть не ниже номинального значения.

В электрической машине практически всегда существует небольшой, порядка (2…5)% от номинального, поток остаточного намагничивания. Если в генераторе такой поток отсутствует, то необходимо его намагнитить, пропустив ток по обмотке возбуждения от постороннего источника.

Если привести якорь генератора во вращение с частотой, равной номинальной, то под действием потока остаточного намагничивания в обмотке якоря возникает небольшая ЭДС E_ост=с_еnФ_ост равная (2…5)% от U_н.

Под действием этой ЭДС по цепи возбуждения потечет ток, который создает добавочный поток намагничивания Ф_доб. Ток, создающий Ф_доб, равен

где r_в=r_рв+r_шо; r_рв — сопротивление регулировочного реостата; r_шо — сопротивление параллельной обмотки возбуждения; r_а — сопротивление цепи якоря.

В зависимости от направления тока I_в в обмотке возбуждения поток Ф_доб может быть направлен либо встречно относительно Ф_оcт, либо согласно с ним. При встречном направлении Ф_ост и Ф_доб процесс самовозбуждения идти не будет, т.к. не выполняется второе условие. В этом случае необходимо поменять направление тока I_в , переключив концы питания обмотки возбуждения. Если потоки направлены согласно, то развивается процесс самовозбуждения, который можно представить в виде следующий логической схемы

При выполнении двух первых условий процесс самовозбуждения будет развиваться до определенного предела. Этот предел зависит от сопротивления цепи возбуждения r_в, вида ее вольт-амперной характеристики и вида характеристики холостого хода. На рисунке-1., представлены характеристики холостого хода (1) при частоте вращения генератора n₁, и (2) при частоте вращения n₂ >n₁, и вольтамперные характеристики цепи возбуждения генератора (3-6) при различных углах a.

Рисунок-1 – Условия самовозбуждения генератора параллельного возбуждения

Определим предел, до которого идет процесс самовозбуждения. При этом считаем, что генератор работает на холостом ходу, т.е. I=0.

При самовозбуждении I_в?const и следовательно уравнение ЭДС может быть написано в двух вариантах следующим образом

где U_в — напряжения возбуждения, равные изменяющемуся напряжению U на генераторе; I_в — ток возбуждения; r_в — сопротивление цепи возбуждения ; L_в — индуктивность цепи возбуждения.

Так как r_в=const, то напряжение I_вr_в изменяется прямо пропорционально току I_в. Графически эта зависимость выражается прямой (3) (рисунок — 1), выходящей из начала координат под углом a, причем

следовательно, каждому значению r в соответствует определенная характеристика цепи возбуждения, выходящая из начала координат под углом, определяемым формулой.

При работе генератора на холостом ходу ток I_в мал, поэтому можно считать, что I_ar_a?0, тогда из уравнения равновесия ЭДС следует, что U=E_a и зависимость изменения напряжения на зажимах генератора определяется характеристикой холостого хода (кривая I). Отрезки ординат между кривой 1 и линией 3 дают разность

и служат мерой интенсивности происходящего процесса самовозбуждения, т.е. скорости изменения тока возбуждения. Очевидно, что этот процесс окончится тогда, когда разность

станет равной нулю, т.е. установившееся значение тока I_в определяется точкой А пересечения характеристик 1 и 3.

Если увеличить r_в, то вольтамперная характеристика пойдет круче и примет положение 4. Процесс самовозбуждения в этом случае замедляется и заканчивается в точке А₁ при меньшем напряжении на генераторе. При дальнейшем увеличении r_в получим прямую 5, каса­тельную к начальной части характеристики холостого хода. Значение r_в, соответствующее прямой 5, называется критическим (r_вкр). При сопротивлении цепи обмотки возбуждения, равной и большей r_вкр (кривая 6) генератор практически не возбуждается.

Если изменять частоту вращения генератора, то вид характеристики холостого хода меняется (кривая 2), следовательно, величина критического сопротивления r_вкр зависит также от частоты вращения генератора. Большей частоте вращения генератора соответствует большее значение критического сопротивления r_вкр.

Условия самовозбуждения генераторов постоянного тока

Для работы генераторов постоянного тока (исключая генераторы с независимым возбуждением) обязательно должны выполняться условия самовозбуждения. Рассмотрим эти условия для генератора параллельного возбуждения в соответствии со схемой его включения, рис.14.1. Станина и полюсы генератора, находящегося в отключенном состоянии, практически всегда имеют незначительную намагниченность. Эта намагниченность вызывает существование небольшого по величине магнитного потока, который принято называть остаточным магнитным потоком Фост. Он, как правило, составляет (2. 3 )% от нормального рабочего потока генератора, что является достаточным для возможности его самовозбуждения [1,6,12]: Подсоединим обмотку возбуждения параллельно обмотке якоря. Будем считать, что дополнительное сопротивлениеRв в цепи обмотки возбуждения выведено (равно нулю). Нагрузку генератора следует отключить выключателем QF, рис.14.1. Далее приведем во вращение якорь генератора с его номинальной частотой вращения приводным двигателем. За счет наличия остаточного магнитного потока на выводах генератора появится небольшая ЭДС (ее принято также называть остаточной ЭДС обозначенной на характеристике холостого хода, кривая 1, рис14.2 как Еост). Она составляет (2. 3 )% от номинального напряжения генератора [12]. Эта ЭДС вызовет появление тока якоря Iя, который в общем случае представляем собой сумму тока нагрузки Iн и тока обмотки возбужденияIв , ш есть Iя = Iн + Iв. Поскольку на генератор нагрузка пока не подана, то весь ток якоря будет поступать в обмотку возбуждения.

Появившийся ток в обмотке возбуждения, обусловленный остаточной ЭДС и вращением якоря, имеющий в общем случае незначительную величину ( на рис.2 — это условно ток Iв₁), вызовет дополнительный магнитный поток в генераторе. При этом в зависимости от направления тока— Iв₁ в обмотке возбуждения, дополнительный магнитный поток может усиливать или ослаблять остаточный магнитный поток. Для самовозбуждения эти потоки должны быть направлены согласно, увеличивая основной магнитный поток главных полюсов.

Суммарный магнитный поток генератора, образовавшийся при протекании в обмотке возбуждения тока Iв₁, вызовет при существующих оборотах якоря появление нового (большего) значения ЭДС. По существу можно допустить, что эта ЭДС практически равна напряжению холостого хода U₁ на выходе генератора, так как сопротивление обмотки якоря значительно меньше сопротивления цепи обмотки возбуждения, присоединяемой к выводам генератора, рис.14.1.

Напряжение U₁ будет прикладываться к обмотке возбуждения (считая, что дополнительное сопротивление, подключаемое к этой об­мотке, равно нулю ), рис.14.1, и вызовет в ней ток Iв₂. Причем ток Iв₂ будет уже больше тока Iв₁, рис.14.2, и определится из соотношения

(4)

где Roв — сопротивление обмотки возбуждения.

В общем случае при дополнительном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения Rвне равном нулю, в произведении выражения (4) учитывается и его значение, произведение по выражению (4) представляет собой прямую линию прямая 2, рис.14.2 ), проходящую через начало координат под углом α1 соответствующим величине сопротивления обмотки

Рис.14.1. Схема включения генератора параллельного возбуждения для пояснения условий самовозбуждения.

Рис.14.2. К пояснению условий самовозбуждения генератора постоянного тока параллельного возбуждения.

Далее ток Iв₂ увеличит результирующий магнитный поток генератора, а также и напряжение на его выходе U2в соответствии с характеристикой холостого хода, зависимость 1, рис.14.2. Процесс самовозбуждения, сопровождающийся взаимным увеличением тока возбуждения и напряжения на выходе генератора, можно условно изобразить ступенчатой линией с использованием характеристики холостого хода ( зависимость 1 ) и напряжения на обмотке возбуждения (зависимость 2), рис.14.2.

На самом же деле процесс самовозбуждения идет непрерывно и заканчивается при пересечении характеристики холостого хода2 и прямой 1 в точке D, рис.14.2, при установившемся токе возбужденияIву и установившемся напряжении на выходе генератора Uy. В этой точке практически наступает полное насыщение магнитной системы генератора и увеличение тока возбуждения уже не приводит к уве­личению магнитного потока, а соответственно и к увеличению напря­жения генератора.

Процесс самовозбуждения и его окончание более подробно можно пояснить с учетом изменяющихся во времени величин тока возбуждения и напряжения генератора следующим образом.

Уравнение изменения электрических величин в процессе самовозбуждения может быть составлено с учетом второго закона Кирхгофа

(5)

где Uв— изменяющееся во времени напряжение на входе цепи возбуждения, равное напря­жению генератора в режиме холостого хода;

Eв — ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения, при изменении в ней тока возбуждения;

Iв — изменяющийся во времени ток в обмотке возбуждения;

Rсв— суммарное сопротивление в цепи обмотки возбуждения ( Rcв = Roв+ Rв ).

С учетом выражения для ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения представим равенство ( 5 ) следующим образом:

(6)

гдеLв — индуктивность обмотки возбуждения, зависящая от насыщения магнитной системы генератора.

В соответствии с рис.14.2 напряжение, подводимое к цепи обмотки возбуждения Uв, представляет собой ордината от оси абсцисс до характеристики холостого хода ( отрезок А В ).

Падение напряжения в цепи обмотки возбуждения ( iв- Rсв ) выражается ординатой до прямой 2 ( отрезок АС ), а ординаты между линиями 1 и 2 представляют собой ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения ев, отрезок ВС.

Исходя из выражения (6) видно, что процесс самовозбуждения будет продолжаться до тех пор, пока будет происходить изменение (увеличение ) тока в цепи обмотки возбуждения, а соответственно и увеличение напряжения на выходе генератора. При прекращении изменения тока возбуждения ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения станет равной нулю, то есть

(7)

и тогда напряжение, прикладываемое к цепи обмотки возбуждения, будет равным падению напряжения в ней

(8)

Это условие выполняется при пересечении линий 1 и 2 в точке D, рис. 2. Действительно, если считать, что обмотка возбуждения обладает соответствующей индуктивностью (Lв > 0), то тогда в точ­ке D будет равно нулю именно изменение тока в обмотке возбуждения, то есть

(9)

Последнее равенство означает, что в точке D появляется уста­новившееся (неизменное во времени) значение тока возбуждения Iву, а соответственно и неизменное напряжение на выходе генератора Uy при постоянной его частоте вращения. То есть процесс самовозбуждения генератора заканчивается.

На рис. 14.2 наклон прямой 2 соответствует определенному суммарному сопротивлениюRcв в цепи обмотки возбуждения. При увеличении этого сопротивления наклон (угол наклона прямой к оси абсцисс) будет возрастать. При каком — то критическом сопротивлении Rкp прямая 3, отражающая зависимость падения напряжения в цепи обмотки возбуждения, будет касательной к характеристике холостого хода 1 (угол а2). Еэти же суммарное сопротивление в цепи обмотки возбуждения превысит его критическое значение, то генератор возбуждаться не будет.

Таким образом, самовозбуждение генератора возможно при наличии следующих условий [4,12]:

1.Существование в генераторе остаточного магнитного потока.

2.Создаваемый магнитный поток, током возбуждения, должен совпадать по направлению с остаточным магнитным потоком генератора.

3.Суммарное сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического.

Следует также учитывать, что при неправильном подключении обмотки возбуждения к обмотке якоря (то есть появление тока возбуждения противоположного направления) появится магнитный поток, направленный встречно по отношению к ос­таточному магнитному потоку. В этом случае генератор не только не запустится, но даже может произойти его полное размагничивание.

Правильное же подсоединение обмотки возбуждения будет сразу сопровождаться увеличением напряжения на выходе генератора.

Если сразу не удалось осуществить правильное присоединение обмотки возбуждения, то следует поменять местами ее выводы, подсоединяемые к обмотке якоря. Отсутствие самовозбуждения и в этом случае может указывать на то, что при первом неверном присоединении обмотки возбуждения генератор размагнитился.

Исчезнувший по каким — либо причинам остаточный магнитный поток ( машина размагничена полностью ) можно восстановить посторонним источником постоянного тока даже незначительной мощности. Для этого его следует подсоединить к обмотке возбуждения на некоторое незначительное время, что и восстановит намагниченность машины.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Классификация ГПТ производится по способу их возбуждения. Существует 2 типа генераторов: генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Независимое возбуждение может быть электромагнитным и магнитоэлектрическим. В генераторах с электромагнитным возбуждением ОВ подключается к независимому источнику питания. Ток в цепи возбуждения изменяется в широких пределах с помощью регулировочного реостата. Мощность, потребляемая ОВ невелика и в номинальном режиме составляет (1…5)%Р _ном.

В генераторах с магнитоэлектрическим возбуждением для создания поля используются постоянные магниты, устанавливаемые на полюсах. Обычно, это генераторы небольшой мощности. Основной их недостаток-это трудность регулирования напряжения.

Генераторы с самовозбуждением бывают параллельного (шунтового), последовательного (сериесного) и смешанного (компаундного) возбуждения. В таких генераторах ОВ получает питание от собственного якоря.

В генераторах с параллельным возбуждением ток нагрузки определяется суммой тока якоря и тока ОВ I= I _а + I _в , в генераторах с последовательным возбуждением I= I _а = I _в .

Генераторы смешанного возбуждения имеют 2 ОВ: параллельную и последовательную Параллельная обмотка имеет большое число витков и выполнена проводниками относительно небольшого сечения, последовательная обмотка имеет малое число витков и выполнена проводниками большого сечения. У этих генераторов обмотки могут включаться согласно (МДС направлены в одну сторону) и встречно (МДС направлены в разные стороны). Наиболее часто применяется согласное включение, т.к. при встречном включении происходит размагничивание магнитной системы.

Характеристики генераторов постоянного тока

Рабочие свойства эл. машин определяются их характеристиками. Для ГПТ основными характеристиками являются характеристики хх, нагрузочная, внешняя и регулировочная. Все характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря и могут быть получены как экспериментально, так и расчетным путем.

Характеристика хх – это зависимость ЭДС хх от тока возбуждения Е ₁₀ = f ( I _в ) при разомкнутой цепи якоря

Характеристика представляет собой часть петли гистерезиса. При I _в =0 в обмотке статора наводится ЭДС Е _ост , которая создается полем остаточной намагниченности статора и называется полем остаточного магнетизма. Значение этой ЭДС составляет 1…3% от номинального напряжения машины.

При проведении опыта хх характеристику получают снижением I _в от максимального значения до 0 (кривая 1), затем передвигая ее вправо получают расчетную характеристику (кривая 2).

При снятии характеристики необходимо следить, чтобы I _в изменялся в одном направлении: или только увеличивался или только уменьшался, т.к. в противном случае будет большой разброс точек из-за того, что они будут ложиться на разные гистерезисные кривые.

В начальной части характеристики ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения, а затем рост ЭДС замедляется, что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.

Значение характеристики хх в том, что по ней можно судить о степени насыщения магнитной системы машины. Кроме того она необходима для построения других характеристик.

Нагрузочная характеристика – это зависимость напряжения ГПТ от тока возбуждения U = f ( I _в ) при неизменном токе якоря I _а . Практическое значение этой характеристики заключается в возможности определения по ней размагничивающего действия реакции якоря и зависимости реакции якоря от насыщения магнитной цепи и тока якоря.

Характеристику строят совместно с характеристикой хх, т.к. ее можно рассматривать как частный случай хх (при I _а =0)

Нагрузочная характеристика 2 генератора независимого возбуждения расположена ниже характеристики хх 1вследствие падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия поперечной реакции якоря, приводящего к уменьшению потока возбуждения и ЭДС обмотки якоря.

В генераторе постоянного тока параллельного возбуждения из-за небольшого тока возбуждения по сравнению с током якоря характеристика практически не отличается от характеристики генератора с независимым возбуждением.

Характеристика генератора со смешанным возбуждением может располагаться как выше характеристики хх так и ниже ее.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения генератора от тока нагрузки U = f ( I ) при постоянном токе возбуждения для генераторов с независимым возбуждением или постоянным сопротивлением цепи обмотки возбуждения для генераторов с самовозбуждением.

Внешнюю характеристику можно снимать при увеличении или снижении нагрузки. Рассмотрим характеристику при снижении нагрузки.

Исходной точкой в этом случае является точка, в которой номинальному току нагрузки I _ном соответствует номинальное напряжение U _ном . Ток возбуждения, соответствующий работе генератора в этой точке называют номинальным током возбуждения I _в.ном .

У генератора с независимым возбуждением I _в.ном поддерживается постоянным (кривая 1). Начиная от исходной точки ток нагрузки постепенно уменьшают до 0. Напряжение генератора при этом увеличивается, т.к. уменьшаются падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря. При хх U = U ₀ = Е. По внешней характеристике определяют изменение напряжения

Δ U =( U ₀ — U _ном )/ U _ном . Обычно Δ U выражается в % и для генератора независимого возбуждения составляет 10…15%

Внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуждением (кривая 2) снимают при постоянном сопротивлении ОВ. При увеличении тока нагрузки напряжение возрастает более интенсивно, чем в генераторе с независимым возбуждением, т.к. с ростом U увеличивается и ток возбуждения и ЭДС ОЯ, чего не происходит при независимом возбуждении.

В генераторах смешанного возбуждения с согласным включением ОВ наибольшая доля МДС возбуждения создается параллельной обмоткой, а последовательная рассчитывается так, чтобы несколько перекомпенсировать размагничивающее действие реакции якоря. При этом последовательная обмотка создает избыточную МДС, которая увеличивает магнитный поток возбуждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. Поэтому внешняя характеристика будет располагаться ниже характеристик с независимым и параллельным возбуждением (кривая 3).

В генераторах со встречным включением ОВ МДС последовательной обмотки будет размагничивать машину, действуя согласно с размагничивающим действием реакции якоря. Но при уменьшении нагрузки их размагничивающее действие будет уменьшаться, что приведет к увеличению напряжения большему чем при параллельном возбуждении. Поэтому характеристика располагается выше, чем характеристика при параллельном возбуждении (кривая 4).

Регулировочная характеристика — это зависимость тока возбуждения генератора от его нагрузки I _в = f ( I ) при неизменном напряжении U = U _ном . Обычно ее снимают при увеличении нагрузки, при этом первая точка соответствует режиму хх, т.е. I =0.

В генераторах с независимым возбуждением при увеличении нагрузки ток возбуждения также необходимо увеличивать, чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за увеличения падения напряжения и размагничивающего действия реакции якоря (кривая 1).

В генераторах параллельного возбуждения характеристика совпадает с характеристикой генератора независимого возбуждения (кривая 2).

В генераторах со смешанным согласным возбуждением при увеличении нагрузки ток возбуждения надо сначала уменьшать при увеличении нагрузки, а после достижения номинальной нагрузки, когда напряжение генератора начнет уменьшаться, ток возбуждения следует увеличивать (кривая 3).

В генераторах со встречным включением ОВ из-за их сильного размагничивания с ростом тока нагрузки для поддержания напряжения необходимо резко увеличивать ток возбуждения (кривая 4).

Следовательно, наибольшее изменение напряжения при изменении тока нагрузки характерно для генераторов смешанного возбуждения при встречном включении ОВ, а наименьшее- для генераторов при согласном включении ОВ.

Генераторы со смешанным согласным и параллельным возбуждением применяются в преобразовательных установках в качестве автономных источников постоянного тока. Генераторы со смешанным согласным возбуждением применяются, когда происходит частое и резкое изменение нагрузки, т.к. в них возможно автоматическое поддержание напряжения.

Генераторы с независимым возбуждением применяются, когда требуется менять в широких пределах напряжение источника постоянного тока, например, в электроприводах для питания двигателей постоянного тока с широким изменением регулирования частоты вращения.

Условия самовозбуждения генераторов

У генератора параллельного возбуждения обмотка возбуждения питается от собственного якоря. Электродвижущая сила в якоре появляется в результате самовозбуждения машины, происходящего под действием остаточного магнетизма в полюсах и ярме статора. Для того чтобы в машине появился магнитный поток остаточного магнетизма, она хотя бы один раз должна быть намагничена путем пропускания тока через обмотку возбуждения oт постороннего источника.

Процесс самовозбуждения протекает следующим образом. Магнитный поток остаточного магнетизма в обмотке вращающегося якоря наводит ЭДС. Эта ЭДС (ЭДС остаточного магнетизма Е _ост ) невелика и составляет 1-3 % номинального напряжения машины. Так как обмотка возбуждения подключена к якорю, то ЭДС Е _ост создает в ней небольшой ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения, увеличивает магнитный поток полюсов, который в свою очередь увеличивает ЭДС в якоре. Увеличение ЭДС вызывает повышение тока в обмотке возбуждения, который еще сильнее увеличивает магнитный поток полюсов и ЭДС, наводимую в якоре, что вызывает дальнейшее возрастание тока возбуждения, и т.д..

Процесс самовозбуждения завершится, когда ток в обмотке возбуждения достигнет установившегося значения. Тогда

На рис. 9 показаны зависимости E=f(I _в ) и I _в ΣR _в = f(I _в ) при n = const. Первая зависимость является характеристикой холостого хода (кривая 1 ), а вторая — характеристикой цепи возбуждения.

Если принять, что ΣR _в = const , то характеристика цепи возбуждения представляет собой прямую линию (2 на рис. 9), идущую под углом α к оси абсцисс, причем tg α = I _в ΣR _в /I _в = . ΣR _в . Точка пересечения характеристик (точка А) соответствует равенству (2), а ЭДС Е , соответствующая этой точке, является той ЭДС, которая установится при данном сопротивлении ΣR _в на выводах машины. При изменении ΣR _в будет изменяться ЭДС Е . Если увеличить сопротивление ΣR _в , то угол наклона характеристики цепи возбуждения а возрастет, а точка А переместится влево. При некотором сопротивлении цепи возбуждения R _в,кр , называемом критическим, прямая I _в R _в,кр совпадает с прямолинейной частью характеристики холостого хода (прямая 3). Критическое сопротивление является максимальным сопротивлением цепи обмотки возбуждения, при котором возможно самовозбуждение машины. При дальнейшем увеличении сопротивления ΣR _в самовозбуждения происходить не будет, так как прямая I _в ΣR _в = f(I _в ) в этом случае не пересекает характеристику холостого хода (прямая 4).

Если генератор работает с переменной частотой вращения п, то для каждой частоты вращения будет своя характеристика холостого хода E=f(I _в ) , так как Е пропорциональна п (кривые 1 — 3 на рис. 10). В соответствии с этим для каждой частоты вращения будет свое значение критического сопротивления R _в,кр . Для каждого сопротивления ΣR _в существует критическое значение частоты вращения, ниже которого самовозбуждение невозможно (кривая 2 на рис. 10).

Самовозбуждение генератора происходит в том случае, если ток I _в , протекающий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направленный согласно с потоком остаточного магнетизма. При неправильном включении обмотки возбуждения эти потоки будут направлены встречно и самовозбуждения происходить не будет. Тогда для изменения направления тока I _в в обмотке возбуждения следует поменять местами концы подводящих проводников, соединяющих обмотку возбуждения с якорем.

Из изложенного следует, что для самовозбуждения генератора необходимо

1)чтобы был остаточный магнитный поток,

2)чтобы сопротивление цепи обмотки возбуждения было меньше критического

3) чтобы обмотка возбуждения была правильно подсоединена к якорю.

Самовозбуждение генератора

Для процесса возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подаётся на его вход по цепи положительной ОС. Говоря другими словами, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний можно упрощено трактовать следующим образом. При запуске в колебательной системе автогенератора самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжения в усилительном приборе и т.д. Благодаря специально введённой цепи положительной ОС часть энергий колебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Ввиду наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной системы описанные процессы происходят на одной частоте ω_р и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания автогенератора, усиление сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора, нарастая достигает некоторого установившегося уровня и остаётся практически неизменной. Энергия, отбираемая у источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в нагрузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы автогенератора.

Автогенератор гармонических колебаний (как, впрочем, и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис.5.1), состоящей из нелинейного усилителя с комплексным коэффициентом усиления К=К(jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению β =β (jω). В представленной схеме генератора отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений: входного – U_вх= U_вх(jω); выходного- U_вых = U_вых(jω) и обратной связи – U_ос = U_ос(jω).

Выражение для напряжения ОС на любой частоте генерации ω запишем в виде

тогда выходное напряжение U_{вых =} КU_вх, или с учётом (5,1) :

Как следует из соотношения (5,2) автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, что

Если же Кβ > 1, то амплитуда выходных колебаний будет непрерывно нарастать, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Представим формулу (5.3) следующим образом:

(5.4)

Здесь К(ω)=К и β(ω)=β – действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи положительной ОС) и коэффициента передачи положительной ОС; φ_к(ω)=φ_к и φ_β (ω)=φ_β – фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем ицепью положительной ОС на текущей частоте ω.

В теории автогенераторов выражение (5.4) принято представлять в виде двух равенств:

где К_ос – коэффициент усиления усилителя с ОС; параметр n = 0, 1, 2, 3,… .

Соотношение (5.5) определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью К_ос равен единице.

Равенство (5.6) характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генерации, создаваемые усилителем и цепью положительной ОС, должны быть равны (или кратны) 2π. Следует отметить, что только условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний.

В схемах автогенераторов гармонических колебаний, работающих в стационарном режиме, соотношения (5.5) и (5.6) выполняются на одной фиксированной частоте ω_р, которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. Наиболее часто в автогенераторах в качестве узкополосных колебательных систем используются резонансные LC-контуры и частотно-зависимые (фазирующие) RC-цепи. Автогенераторы с упомянутыми резонансными контурами называют LC-генераторами, а с фазирующими RC-цепями – RC-генераторами. LC-генераторы способны вырабатывать колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), RC-генераторы используются для создания гармонических колебаний низкочастотного диапазона (от десятков кГц до единиц и даже долей Гц).

Условия самовозбуждения, механизм возникновения гармонических колебаний и зависимость их частоты от параметров схемы рассмотрим на примере LC-генератора на операционном усилителе – ОУ (рис.5.2).

Усилитель генератора охвачен двумя цепями ОС, обеспечивающих режимы балансов амплитуд и фаз. Баланс амплитуд устанавливается цепью отрицательной ОС, содержащий резисторы R₁ и R_2. С ее помощью задается необходимый коэффициент усиления собственного усилителя |K|=R₂/R₁. Баланс фаз обеспечивается цепью положительной ОС, состоящей из последовательно включенных резистора R и параллельного колебательного LC- контура. Коэффициент передачи цепи положительной ОС определяется формулой:

Β=(5.7)

где R₀ – резонансное сопротивление параллельного контура.

УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Электронным генератором называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных ко­лебаний различной формы требуемой частоты и мощности.

Различают электронные генераторы гармонических (синусоидаль­ных) и импульсных (релаксационных) колебаний.

Электронные генераторы гармонических колебаний нашли широ­кое применение в промышленной электронике. Их используют в при­борах для контроля состава и качества различных веществ, установ­ках для высокочастотного нагрева металлов, сушки и сварки диэлектриков, химической обработки изделий и т.д. Эти функциональные устройства являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем.

Электронные генераторы гармонических колебаний классифици­руют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.

В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низкочастотные (0,01 — 100 кГц), высокочастотные (0,1 — 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц). По способу возбуждения различают операторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением. Последний вид генераторов называют автогенераторами. Генераторы с независимым внешним возбуждением являются, по существу, усили­телями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов. Такие усилители были рассмотрены ранее, и в этой главе они не изучаются.

Электронные генераторы гармонических колебаний могут работать в любом из режимов А, В или С, но обычно в них используется режим С ввиду возможности получения наибольшего КПД.

В различных устройствах промышленной электроники, измерительной и микропроцессорной техники часто требуется электрические сигналы, по форме кривой резко отличающиеся от синусоиды: прямоугольные, пилообразные, треугольные и т.д. Такие сигналы можно получить от генераторов, называемых импульсными или релаксационными. Наиболее часто применяются мультивибраторы — генераторы прямоугольных импульсов, генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН) и ряд других.

УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

На рис. 1 приведена структурная схема автогенератора, который состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи b. Коэффициенты усиления усилителя и обратной связи являются комплексными числами, зависящими от частоты. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др. Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC- контуры и RC- четырехполюсники.

Если считать, что напряжения u_bx и u_вых близки к синусоидальным то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды U_bxm и U_bыxm имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения.

К·b = 1; (1)

Выражение (1) можно представить в виде

Ке jφ ·b е jψ = 1, (3)

где К и b — модули коэффициентов усиления и передачи соответ­ственно усилителя и звена обратной связи; j и y — аргументы этих коэффициентов.

Равенство (3) выполняется при следующих условиях:

К·b = 1, (4)

φ + ψ = 2πn, где n = 0, 1, 2 …, (5)

φ = –ψ + 2πn.

Рис. 1. Структурная схема автогенератора

Равенство (4) называется условием баланса амплитуд, а равенство (5) — условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в «автогенераторе равна нулю или целому числу 2p, что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энер­гии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стацио­нарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (4) должно удовлетворять соотношению

Условия самовозбуждения генератора

1. Наличие остаточной намагниченности;

2. Совпадение по направлению остаточного магнитного потока и поля, создаваемого обмоткой возбуждения;

3. Сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.

ЭДС обмотки якоря прямопропорциональна частоте вращения якоря (n) и магнитному потоку Ф главных полюсов

.

а) характеристика холостого хода – зависимость напряжения холостого хода U₀ от тока возбуждения

Реакция якоря

Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, созда­ваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов. Картина маг­нитного поля при холостом ходе изображена на рис. 10.6 а. Оно симметрично относительно оси полюсов.При нагрузке машины обмотка якоря

создает собственное магнитное поле, при отсутст­вии тока возбуждения. Ось поля якоря направлена по оси щеток 1–1. в режиме генератора полярность якоря предшествует по ходу вращения полярности главных полюсов , а в режиме двигателя – наоборот.

Взаимодействие полей якоря и индуктора образует результирующее поле, характер которого

При установке щеток на геометрической нейтрали 1–1 поле якоря направ­лено поперек оси полюсов и реакция якоря называется поперечной. Как видно из рис. 10.7 а, поперечная реакция якоря ослабляет поле под одним краем по­люса и усиливает его под другим, вследствие чего ось 2–2 результирующего поля поворачивается в генераторе на некоторый угол в направлении враще­ния якоря, а в двигателе – в обратную сторону. Новое положение линии 2–2, соответствующее переходу магнитной индукции на поверхности якоря через нулевое значение, называется линией физической нейтрали. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали на некоторый угол ось поля якоря также смещается на этот угол, и по отношению к главным полюсам реакцию якоря можно представить двумя составляющими: поперечной и продольной. Токи в проводниках якоря в секторах а–б и г–в (создают поле попе­речной реакции якоря, а токи в секторах а–г и б–в (рис.– поле продоль­ной реакции якоря.

полярности полюсов и направления токов якоря соответствуют вращению якоря по часовой стрелке в режиме генератора, а про­тив часовой стрелки – в режиме двигателя.

Таким образом, при смещении щеток генератора с геометрической ней­трали в направлении вращения и щеток двигателя против направления враще­ния возникает размагничивающая продольная реакция якоря. Результирующий магнитный поток уменьшается. При смещении щеток в обратном направлении возникает намагничивающая продольная реакция якоря, вызывающая увеличе­ние результирующего потока.

Влияние поперечной реакции якоря на результирующий магнитный поток можно было бы считать нейтральным, так как ослабление поля под одним краем полюса и усиление под другим краем компенсируются. Однако это спра­ведливо лишь для ненасыщенного состояния магнитопровода полюсов. С уче­том насыщения поперечная реакция якоря всегда вызывает некоторое умень­шение магнитного потока полюсов, т.е. действует размагничивающим образом.

Для уменьшения влияния реакции якоря на работу машины применяют дополнительные полюсы. Ее размещают по геометрической нейтрали между главными полюсами. Их обмотка включается последовательно в цепь якоря и создает встречную МДС по отношению к обмотке якоря.

Эффективным средством борьбы с искажением поля является применение компенсационной обмотки. Ее размещают в пазах полюсных наконечников и включают последовательно с обмоткой якоря. Магнитное поле компенсацион­ной обмотки направлено навстречу магнитному полю якоря. Влияние попереч­ной реакции якоря в пределах полюсного наконечника устраняется. Компенса­ционная обмотка применяется в машинах средней и большой мощности.

Устройство синхронной машины отличается от устройства асинхронной машины конструкцией ротора и тем, что частоты вращения магнитного поля статора n₀ и ротора n₂ у синхронной машины одинаковы, то есть n₀=n₂. Из-за равенства частот вращения n₀ и n₂ машина называется синхронной. Синхронные машины обладают свойством обратимости, то есть могут работать как генератором, так и двигателем.

В настоящее время большинство электрических станций оснащено трехфазными синхронными генераторами, которые приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами, а также двигателями внутреннего сгорания. Синхронные двигатели применяются там, где требуется обеспечение постоянства частоты вращения, например, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях.

Синхронная машина состоит из неподвижного статора, аналогичного статору асинхронного двигателя и ротора, вращающегося внутри статора. Ротор представляет собой электромагнит постоянного тока, он имеет обмотку возбуждения, запитанную постоянным током от выпрямителя или от генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

Одним из способов передачи энергии на обмотку возбуждения является использование контактных колец укрепленных на роторе и щеток, а также установка на роторе генератора постоянного тока (возбудителя). Роторы синхронных машин бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами. Роторы с явно выраженными полюсами применяют в гидрогенераторах (тихоходных машинах). Для быстроходных машин (турбогенераторов) используют ротор с неявно выраженными полюсами. В данном случае явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за возможного разрушения в связи с большими центробежными силами.

На рисунке 22, а изображена схема синхронной машины с явно выраженными полюсами. На статоре расположена трехфазная обмотка, к которой в режиме двигателя подводится трехфазное напряжение, а в режиме генератора подключается трехфазный приемник.

42. Реакция якоря синхронной машиныВ машине, работающей под нагрузкой, магнитное поле создается в отли­чие от холостого хода не только в роторе, но и МДС токов статора. Эти МДС, вращаясь с одной и той же синхронной частотой, взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Воз­действие МДС статора на магнитное поле машины называется реакцией якоря. Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генера­тора с явновыраженными полюсами. На рис. 11.21 каждая фаза обмотки изображена в виде одного витка (А – Х, В – Y, С – Z), северный полюс ротора обозначен буквой N, южный – буквой S, магнитные линии этого поля не пока­заны.

а поясняет реакцию якоря при активной нагрузке, когда угол сдвига по фазе между ЭДС и током равен нулю. В этом положе­нии ЭДС и ток фазы А максимальны, а в фазах В и С равны половине от макси­мальных значений и противоположны по знаку (направление токов в верхней половине обмотки статора показано крестиками, в нижней – точками). Этим на­правлениям токов соответствует магнитное поле реакции якоря, основные ли­нии которого направлены поперек оси полюсов ротора. Они размагничивают набегающий край полюса и намагничивают сбегающий. При этом результи­рующий магнитный поток генератора поворачивается относи­тельно потока ротора на некоторый угол в направлении, противополож­ном направлению вращения ротора. Следовательно, при активной на­грузке ( = 0) реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

В общем случае, когда 0 и 90°, ток можно разложить на составляющие:

по продольной оси ;

по поперечной оси .

Продольная составляющая тока якоря создает продольную реакцию якоря, а поперечная – поперечную реакцию якоря. Угол считается положитель­ным, когда ток отстает от ЭДС

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре имеет противоположное направление по сравнению с режимом генератора. Поэтому при = 0 ось результирующего потока оказывается повернутой относительно потока ротора на угол по направлению вращения ротора. При реакция якоря является продольной и намагничивающей, а при – продольной и размагничивающей.

Сравнение реакции якоря явнополюсных и неявнополюсных машин показы­вает, что принципиально они отличаются тем, что у неявнополюсных машин воз­душный зазор почти одинаковый вдоль продольной и поперечной осей ротора. По­этому и потоки реакции якоря по осям при одинаковых токах статора практически равны. У явнополюсных машин воздушный зазор вдоль поперечной оси во много раз больше, чем вдоль продольной оси. Поэтому при равных составляющих МДС якоря вдоль продольной и поперечной осей магнитный поток реакции якоря вдоль поперечной оси значительно меньше и составляет, примерно, 60 % от потока вдоль продольной оси.