6.1.9. Эксплуатационные характеристики генератора постоянного тока

Режим работы генератора постоянного тока характеризуется напряжением на его зажимах U, частотой вращения n, током в обмотке якоря I_я и током возбуждения I_в. О поведении машины в разных режимах работы можно судить по ее характеристикам, которые представляют зависимость между двумя величинами при постоянных других. Основными являются: характеристика холостого хода, внешняя характеристика и регулировочная характеристика.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (х.х.х.) – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при отсутствии нагрузки (I_п=I_я=0) и постоянной частоте вращения, равной номинальной (n=n_ном=const). График характеристики холостого хода показан на рис. 6.1.17.

Как следует из уравнения электрического состояния генератора постоянного тока (6.1.7), в режиме холостой ход, когда ток якоря равен нулю напряжение определяется величиной ЭДС.

. (6.1.29)

Рис. 6.1.17. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока

В соответствии с (6.1.20) ЭДС обмотки якоря пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Пренебрегая особенностями ферромагнитных материалов в магнитных цепях можно было бы полагать, что магнитный поток пропорционален току возбуждения. Однако при разомкнутой цепи возбуждения, когда ток возбуждения равен нулю (I_в=0) магнитный поток не равен нулю. Это обусловлено остаточной намагниченностью магнитной цепи. Магнитное поле остаточной намагниченности обусловливает начальную остаточную ЭДС якоря Е_ост. Наличие остаточной ЭДС обеспечивает условия для самовозбуждения ГПТ параллельного и смешанного возбуждения. С увеличением тока возбуждения увеличивается магнитный поток и в соответствии с (6.1.20) возрастает ЭДС якоря Е_я. При дальнейшем увеличении тока возбуждения сказываются нелинейные свойства и насыщение магнитопровода генератора. При этом магнитный поток и, следовательно, ЭДС якоря увеличиваются в меньшей степени.

В целом, кривая х.х.х. определяется нелинейными свойствами стального магнитопровода и соответствует виду кривой намагничивания стали. Точка номинального режима работы находится в месте изгиба кривой.

Внешняя характеристика

Напряжение на зажимах генератора зависит от режима работы. В частности, оно меняется с изменением величины нагрузки. Внешняя характеристика это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока в приемнике (тока якоря) при неизменном токе возбуждения (магнитном потоке Ф_в) и частоте вращения n.

В генераторе независимого возбуждения ток приемника равен току якоря

. (6.1.30)

Напряжение на зажимах генератора связано с током якоря уравнением электрического состояния (6.1.7) из которого следует, что напряжение меньше ЭДС на величину падения напряжения в обмотке якоря:

. (6.1.31)

С ростом I_я это падение напряжения возрастает и напряжение на зажимах генератора уменьшается. Графически эта зависимость изображается кривой 1 на рис. 6.1.18.

Рис. 6.1.18. Внешние характеристики генераторов постоянного тока

В генераторе с параллельным возбуждением внешняя характеристика отличается от рассмотренной выше. Здесь кроме падения напряжения на сопротивлении R_я сказывается еще один фактор. Поскольку обмотка возбуждения питается от зажимов якоря генератора, то снижение напряжения на зажимах якоря уменьшает ток возбуждения и, следовательно, магнитный поток. Это дополнительно снижает ЭДС и напряжение (кривая 2 на рис. 6.1.18). При определенном токе якоря, называемом критическим, генератор переходит в неустойчивый режим саморазмагничивания.

В номинальном режиме работы напряжение на зажимах генератора меньше ЭДС E_я на 38% при независимом возбуждении и на 815% при параллельном возбуждении.

Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения зависит от взаимного включения параллельной и последовательной обмоток возбуждения. При согласном включении обмоток внешняя характеристика жесткая (кривая 3), при встречном включении – мягкая (кривая 4).

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока

Внешняя характеристика свидетельствует о том, что с изменением нагрузки напряжение генератора меняется. Нестабильность напряжения может неблагоприятно сказаться на приемниках электроэнергии. Поэтому напряжение на зажимах генератора необходимо поддерживать неизменным. Это осуществляется регулированием тока возбуждения. Зависимость тока возбуждения от тока якоря, при неизменном напряжении на зажимах генератора и постоянной частоте вращения – это регулировочная характеристика. Она показывает как необходимо регулировать ток возбуждения чтобы поддерживать напряжение на зажимах генератора неизменным при изменении нагрузки.

Как видно на внешней характеристике, с увеличением тока якоря напряжение уменьшается. Чтобы поднять его до прежнего уровня, надо увеличить ЭДС в обмотке якоря. Для этого необходимо увеличить магнитный поток возбуждения за счет увеличения тока возбуждения I_в. Таким образом, с увеличением тока якоря (увеличением нагрузки генератора) ток возбуждения необходимо тоже увеличивать. График этой зависимости показан на рис. 6.1.19.

Рис. 6.1.19. Регулировочные характеристики генераторов постоянного тока:

1 – с независимым возбуждением, 2 – с параллельным возбуждением

Характеристика генератора параллельного возбуждения выше, т.к. в этом генераторе с увеличением нагрузки напряжение уменьшается в большей степени, чем при независимом возбуждении, и требуется в большей степени увеличивать ток возбуждения.