Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

При встречном включении обмоток параллельного и последова­ тельного возбуждения внешняя характеристика получается падаю­ щей (линия 4). Такая характеристика иногда необходима для ограни­ чения тока при малых сопротивлениях нагрузки.

Внешнюю характеристику можно построить по характеристике холостого хода и по характеристическому треугольнику, получен­ ному из опыта с помощью нагрузочной характеристики или опреде­ ленному по данным расчета. В последнем случае обычно известно размагничивающее действие реакции якоря и требуется определить намагничивающую силу обмотки последовательного возбуждения для заданного напряжения при нагрузке. На рис. 7-18 построена характеристика 1 холостого хода и характеристика 2 цепи нараллель-

ного возбуждения, обеспечивающего номинальное напряжение UH при холостом ходе генератора. Обе характеристики пересекаются в точке D, определяющей номинальный ток / в.ш.н в обмотке парал­ лельного возбуждения. Если требуется определить намагничиваю­ щую силу обмотки последовательного возбуждения, обеспечивающую номинальное напряжение Ua на зажимах генератора при номиналь­ ном токе /„ нагрузки,' то строят обычный характеристический треу­ гольник АВС с величинами сторон, соответствующими току / н. Этот треугольник располагают таким образом, чтобы вершина А находилась на характеристике 1 холостого хода и вершина С на ли­ нии номинального напряжения Un. Тогда отрезок CD соответствует намагничивающей силе обмотки последовательного возбуждения

вмасштабе тока возбуждения обмотки параллельного возбуждения (с учетом которого построена характеристика холостого хода). Результирующий характеристический треугольник AFD имеет сто­ рону FD, равную стороне ВС, соответствующую падению напряжения

вцепи якоря и сторону AF = FB — AB = DC — AB, соответствую­

117

щую результирующей намагничивающей силе обмотки последова­ тельного возбуждения и реакции якоря. Этот треугольник может быть получен по характеристикам холостого хода и нагрузоч­ ной.

На внешней характеристике 3 можно отметить две точки с номи­ нальным напряжением при холостом ходе и при номинальной на­ грузке. Для половинной нагрузки можно построить треугольник A1F1D l со сторонами вдвое меньшими, чем у треугольника AFD и его необходимо расположить так, чтобы вершина Аг находилась на характеристике холостого хода и вершина Dxна характеристике цепи параллельного возбуждения. Положение вершины Dx определит величину напряжения Uг на зажимах генератора при половинной

и падения напряжения в цепи якоря. В генераторах с нормальной обмоткой последовательного возбуждения регулировочная харак­ теристика изображается линией 1 на рис. 7-19. Значения тока обмотки параллельного возбуждения одинаковы для холостого хода и номи­ нальной нагрузки. Для генератора с усиленной обмоткой последо­ вательного возбуждения регулировочная характеристика представ­ лена линией 2.

Д. Характеристика короткого замыкания. Так же как и для генератора параллельного возбуждения, у рассматриваемого генера­ тора получается одна точка характеристики короткого замыкания, для которой / в. ш = 0 и ток в цепи якоря определяется остаточным магнитным потоком и намагничивающей силой обмотки последова­ тельного возбуждения.

Генераторы смешанного возбуждения сочетают в себе свойства генераторов параллельного и последовательного возбуждения, поэ­ тому их внешние характеристики могут быть возрастающими. За счет различного соотношения между намагничивающими силами об­ моток параллельного и последовательного возбуждения могут быть получены разнообразные внешние характеристики, удовлетворяющие требованиям различных потребителей электроэнергии. В настоящее время большинство генераторов постоянного тока изготовляются со смешанным возбуждением.

118

7-7. Работа генераторов постоянного тока на общую сеть

В эксплуатационных условиях встречается необходимость обес­ печить работу нескольких генераторов на общую сеть. При этом воз­ можны два способа соединения генераторов: 1) последовательное сое­ динение, при котором с одним проводом сети соединяется один из зажимов генератора, а второй зажим соединяется с зажимом проти­ воположной полярности второго генератора и 2) параллельное соеди­ нение, когда с одним проводом сети соединяются зажимы одной по­

■этом каждый генератор может быть включен или выключен без нару­ шения работы других генераторов.

А. Включение генераторов на параллельную работу. Из двух генераторов (рис. 7-20) один включен в сеть, т. е. рубильник Р1 замк­ нут и при отсутствии нагрузки (разомкнут рубильник РЗ) напряже­ ние сети равно э. д. с. Е%\ генератора I. Для присоединения генера­ тора II к этой же сети необходимо создать такие условия, чтобы ток в цепи якоря каждого генератора был минимальным. Для этого сумма э. д. с. в замкнутом контуре, образованном цепями якорей генераторов и участком сети между ними, должна быть равна нулю, т. е.

Бгі + 'Ё’гн = 0,

следовательно, э. д. с. генераторов должны быть одинаковы и направ­ лены встречно. Пользуясь специальным переключателем, можно поочередно измерить вольтметром V магнитоэлектрической системы напряжение генераторов и сети. Один и тот же зажим вольтметра должен присоединяться к зажимам генераторов, имеющим общий провод сети. При правильной полярности генераторов, отклонение стрелки вольтметра будет происходить в одну сторону. Если стрелка отклоняется в разные стороны, то нужно изменить полярность вклю­ чаемого генератора, т. е. изменить соединение зажимов якоря с сетью и с вольтметром. Уравнивание э. д. с. генераторов производится реостатом в цепи возбуждения генератора II. Обычно генератор II. включается в сеть рубильником Р2, когда генератор I уже нагружен.

119

В этом случае напряжение сети

Uc—#21 — ІЦГ21

и для включения генератора II необходимо выполнить условие пра­

висимого) возбуждения. При параллельной работе двух и более генераторов напряжение на зажимах их якорей должно быть оди­ наковым, так как они включены на общую сеть с напряжением Uc- Для двух генераторов могут быть написаны следующие уравнения равновесия напряжений

Uс= #21 — І 21Г21 — #211 — / 211Г211,

где Е 2і = кЕіФцПі И #211 = ^ЕпФбЦГСц-

Во время включения генератора II Е2п = Uc и / 2ц = 0, после включения генератора II в сеть требуется перевести на него часть или всю нагрузку с генератора I. Для этого необходимо увеличить его э. д. с. # 2іь что может быть выполнено увеличением тока воз­ буждения или же скорости вращения приводного двигателя. Обычно скорость вращения приводного двигателя остается постоянной и ре­ гулирование э. д. с. производится током возбуждения генератора. При увеличении э. д. с. # 2ц в цени якоря генератора II установится ток / 2п, а в цепи якоря генератора I ток І 2\ уменьшится (при по­ стоянстве общей нагрузки) и в результате этого напряжение сети увеличится, что может нарушить работу приемников электроэнер­ гии. Для того чтобы при переводе нагрузки напряжение сети оста­ валось неизменным, необходимо одновременно увеличивать ток воз­ буждения генератора II и уменьшать ток возбуждения генератора I. Изменение тока возбуждения должно производиться плавно, так как при малых значениях г2 даже небольшое изменение э. д. с. # 2 при­ водит к значительным изменениям тока / 2.

Таким образом изменением тока возбуждения работающих па­ раллельно генераторов можно производить перевод нагрузки с од­ ного генератора на другой и поддерживать постоянным напряжение сети.

Перед отключением генератора I необходимо перевести его на­ грузку на генератор II, т. е. выполнить условие / 2і = 0 за счет уменьшения тока возбуждения генератора I и одновременного уве­ личения тока возбуждения генератора II, чтобы напряжение сети оставалось постоянным. При большом уменьшении э. д. с. # 2і раз­ ность # 2І — Uс может стать отрицательной и ток / 21 изменит направ­ ление относительно э. д. с. Е2ь т. е. машина I станет работать двига­ телем, потребляя энергию от генератора II. Наличие двух двигателей на одном валу недопустимо, так как может привести к аварии, по­ этому работающие параллельно генераторы снабжаются специальной защитой, отключающей генератор при изменении направления тока в цепи якоря.

120

Если генераторы работают параллельно без регулирования тока возбуждения, то распределение нагрузок между ними зависит от наклона их внешних характеристик. При этом предполагается, что регуляторы приводных двигателей обеспечивают постоянство скорости вращения при изменении нагрузки. На рис. 7-21 приве­ дены внешние характеристики генера­

торов I и II. Если генераторы вклю­ чены на параллельную работу при хо­ лостом ходе, то их характеристики имеют общую точку при I = 0 и U0. Под влиянием реакции якоря, падения напряжения в цепи якоря и для ге­ нераторов параллельного возбуждения изменения тока возбуяідеиия при нагрузке генераторов напряжение на зажимах каждого генератора умень­ шится до значения Uc, одинакового для обоих генераторов. При этом генератор

II, имеющий характеристику с меньшим наклоном, будет нагру­ жен током Іц большим, чем ток Іі генератора I. Расхождение внешних характеристик генераторов одинаковой мощности ограничивает об­ щую нагрузку генераторов при параллельной работе их без регу­ лирования возбуждения, так как эта нагрузка зависит от генера­ тора, имеющего малый наклон внешней характеристики. Поэтому

желательно, чтобы генераторы одинако­ вой мощности, включаемые на парал­ лельную работу, имели совпадающие внешние характеристики, генераторы различной мощности — одинаковые из­ менения напряжения при номинальной нагрузке.

В. Особенности параллельной ра­ боты генераторов смешанного возбуж­ дения. Внешние характеристики гене­ раторов смешанного возбуждения та­ ковы, что при увеличении нагрузки возрастает также напряжение на зажи­ мах генератора. При параллельном включении генераторов и случайном увеличении э. д. с. одного из них, напри­

мер вследствие увеличения скорости вращения приводного двига­ теля, увеличивается ток этого генератора и увеличенная намагни­ чивающая сила обмотки последовательного возбуждения приводит к дополнительному увеличению э. д. с. обмотки якоря и это влечет дальнейшее увеліГчение тока и э. д. с. В результате один генератор будет нагружаться, а второй разгружаться и параллельная работа их становится неустойчивой. Для обеспечения возможности парал­ лельной работы ставится уравнительный провод, соединяющий точки С2 и С2 присоединения обмоток последовательного возбужде­

121

ния к обмоткам якоря (рис. 7-22). Тогда эти обмотки соединены между собой параллельно сетью и уравнительным проводом, и ток в обмот­ ках возбуждения распределяется обратно пропорционально их сопро­ тивлениям, независимо от э. д. с. якоря. Если при наличии уравни­ тельного провода произойдет случайное увеличение скорости враще­ ния одного из генераторов, то увеличатся токи в обеих обмотках возбуждения обоих генераторов и, следовательно, увеличатся э. д. с. Сопротивление уравнительного провода должно быть меньше сопро­ тивления обмотки последовательного возбуждения.

Перевод нагрузки с одного генератора на другой и желательное распределение нагрузки производятся так же, как в генераторах параллельного возбуждения.

Г л а в а вос ьмая ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

8-1. Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в современном электроприводе, когда требуется плавное изменение скорости враще­

122

(рис. 8-2, б). Вращение якоря в указанном направлении осуществ­ ляется моментом М9Ы. Таким образом, перевод машины постоянного гока параллельного (и независимого) возбуждения из генераторного режима работы в двигательный осуществляется без изменения схемы включения ее путем уменьшения тока возбуждения. Направление вращения якоря остается таким же как в генераторном режиме.

К генераторам и двигателям предъявляются различные эксплуа­ тационные требования, одновременное выполнение которых в ма­ шине не всегда возможно, поэтому крупные машины изготовляются

Рис. 8-2. Электромагнитный момент: а — в генера­ торе, б — в двигателе

для определенного режима работы. Машины небольшой мощности общего применения могут использоваться как для работы генерато­ ром, так и двигателем, поэтому на паспортных щитках этих машин указываются номинальные данные для обоих режимов работы.

Двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, обычно выполняются с электромагнитным возбуждением, а при малой мощ­ ности — с постоянными магнитами.

При электромагнитном возбуждении обмотка главных полюсов присоединяется к отдельному источнику постоянного тока или вклю­ чается вместе с обмоткой якоря на общую сеть. При наличии одной обмотки возбуждения возможно параллельное или последовательное соединение ее с обмоткой якоря, две обмотки возбуждения позволяют осуществить смешанное (параллельно-последовательное) соединение.

А. Характеристики двигателя. Полный цикл работы двигателя можно разделить на четыре периода: 1) период пуска, в течение которого скорость вращения якоря увеличивается от нуля до необхо­ димой величины; 2) рабочий период, в течение которого работа дви­ гателя происходит при неизменном напряжении на зажимах цени

123

якоря и цепи параллельного (и независимого) возбуждения; 3) пе­ риод регулирования, в течение которого осуществляется воздействие на цепь якоря или день возбуждения с целью изменения скорости вращения якоря; 4) период остановки, в течение которого скорость вращения якоря уменьшается до нуля. Очень часто второй и третий периоды чередуются и не разграничиваются. Таким образом, для двигателей необходимо рассматривать характеристики, соответст­ вующие перечисленным периодам, т. е. пусковые, рабочие, регулиро­ вочные и тормозные характеристики.

Пусковой период характеризуется пусковым моментом, пусковым током, продолжительностью пуска, стоимостью пусковой аппаратуры и затратами энергии.

Основными характеристиками механической энергии двигателя являются вращающий момент и скорость вращения.

Рабочие характеристики представляют совокупность зависимо­ стей: скорости вращения якоря, тока двигателя, полезной мощности, подведенной мощности и к. п. д. от полезного вращающего момента при неизменном напряжении на зажимах цепи якоря и цепи парал­ лельного (и независимого) возбуждения. В некоторых случаях ве­ личины, характеризующие работу двигателя в указанных условиях, приводятся в зависимости от полезной мощности или же от тока дви­ гателя. Обычно предельной нагрузкой при построении рабочих ха­ рактеристик является наибольшая допускаемая нагрузка при ра­ боте или при испытании машины (приблизительно 1,5 номинальной) и только для двигателей малой мощности рабочие характеристики охватывают и пусковой период. Из всех перечисленных зависимостей наибольшую важность представляет зависимость скорости вращения якоря от полезного вращающего момента двигателя ^характеристика скорости вращения) или зависимость полезного вращающего момента от скорости вращения (механическая характеристика).

Регулирование скорости вращения якоря двигателя определяется способом изменения скорости вращения, пределами и ступенями изменения скорости вращения, экономичностью регулирования, т. е. стоимостью регулировочной аппаратуры и затратами энергии. Воз­ можность плавного и часто весьма экономичного регулирования ско­ рости вращения в широком диапазоне составляет одно из самых ценных свойств двигателей постоянного тока и в ряде случаев делает их незаменимыми.

Остановка якоря двигателя при отключении от сети обычно про­ исходит под влиянием сил трения в двигателе и в соединенном с ним механизме. Для ускорения остановки в крупных двигателях приме­ няется торможение, т. е. создание тормозного момента, направлен­ ного против вращения якоря.

При опытном получении характеристик необходимо, чтобы щетки занимали определенное положение на коллекторе. В двигателях с добавочными полюсами щетки устанавливаются на коллекторе так, чтобы токораздел совпадал с геометрической нейтралью. В двига­ телях без добавочных полюсов, предназначенных для обоих направле­ ний вращения, токораздел так же должен совпадать с геометрической

124

нейтралью, а в двигателях определенного направления вращения токораздел смещается с геометрической нейтрали против вращения якоря в положение наилучшей коммутации.

8-2. Энергетическая диаграмма двигателя

Ступени преобразования энергии в двигателе схематически пока­

ствуют составляющие электромагнитного момента, т. е.

Потери в двигателе, связанные с вращением якоря (механические и магнитные), обусловлены внутренним тормозным моментом Мго. Так как этот момент почти не зависит от нагрузки, то уравновеши­ вающая его часть М0 электромагнитного момента часто называется моментом холостого хода.

Полезный вращающий момент двигателя равен разности между

Нагрузочный тормозной момент Мт определяется свойствами при­ водимого во вращение механизма и характером производственного

125

процесса. В большинстве механизмов нагрузочный момент всегда направлен против вращения, например в металлорежущих станках. Иногда нагрузочный момент изменяет направление при перемене направления вращения, например в подъемных устройствах: при подъеме груза нагрузочный момент направлен против вращения, а при опускании — по вращению, в последнем случае для ограничения скорости вращения необходимо торможение механизма.

Наиболее распространены механизмы, у которых нагрузочный момент не зависит от скорости вращения. В некоторых случаях нагрузочный момент увеличивается с увеличением скорости враще­

обусловленный наличием момента J инерции вращающихся частей электропривода, главным образом якоря двигателя.

Если скорость вращения якоря уменьшается, то М} положитель­ ный, т. е. направлен по вращению якоря, при ускоренном вращении динамический момент направлен против вращения и таким образом в обоих случаях замедляет процесс изменения скорости вращения якоря.

В любых условиях работы двигателя сумма всех моментов, при­ ложенных к якорю, должна быть равна нулю, т. е.

или

В этом уравнении моменты, направленные по вращению якоря, считаются положительными и моменты, препятствующие движению,— отрицательными.

При установившейся скорости вращения Mj — 0 и

Б. Устойчивость работы двигателя. При работе двигателя про­ исходят закономерные и случайные нарушения равновесия вращаю­ щего момента двигателя и нагрузочного момента механизма, вслед­ ствие которых скорость вращения якоря изменяется. В зависимости от взаимного расположения механических характеристик двигателя и механизма это нарушение равновесия моментов может ограни­ читься малым изменением скорости вращения якоря или же сделать невозможной нормальную работу электропривода.

Обычно двигатели имеют понижающуюся механическую харак­ теристику (линия 1 на рис. 8-4, а). Для механической характери­ стики механизма, изображенной линией 2, равновесие между вращаю­ щим моментом М%и нагрузочным (— Мт) наступает в точке А при скорости вращения ид, Если под влиянием случайных причин вра­

126