2. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

Магнитное поле в генераторах создается, как мы говорили в § 167, электромагнитами, через обмотки которых должен проходить постоянный ток. В генераторах переменного тока ток для обмоток индуктора получают либо от отдельной аккумуляторной батареи, либо – чаще – от отдельного генератора постоянного тока, укрепленного на одном валу с главным генератором (рис. 326). Такого рода генераторы, в которых ток для создания магнитного поля берется от отдельного источника, называются генераторами с независимым возбуждением.

В генераторах постоянного тока можно использовать для создания постоянного магнитного поля постоянный ток, вырабатываемый самим генератором. Такого типа генераторы называют генераторами с самовозбуждением.

Соединить цепь индуктора, цепь якоря и сеть можно двумя различными способами, которые схематически показаны на рис. 339 и 340.

Рис. 339. Схема соединения индуктора, якоря и сети в генераторе с последовательным возбуждением

Рис. 340. Схема соединения якоря, индуктора и сети в генераторе с параллельным возбуждением:   – регулировочный реостат в цепи индуктора,   – пусковой реостат в цепи якоря

На рис. 339 изображен так называемый генератор с последовательным возбуждением, или, как его иногда называют, сериесный генератор. Здесь цепь индуктора, цепь якоря и сеть соединены последовательно, так что весь ток, индуцированный при работе генератора в якоре, проходит последовательно через индуктор и через сеть. Ток через индуктор равен току в сети.

В генераторе с параллельным возбуждением, называемом также шунтовым генератором (рис. 340), цепь якоря и цепь индуктора соединены параллельно, и к ним присоединена сеть (нагрузка).

Таким образом, ток, возникающий в цепи якоря, разветвляется: часть его проходит через сеть, а другая часть ответвляется и проходит через обмотки индуктора, создавая магнитное поле, необходимое для работы генератора. В этом случае ток в индукторе составляет лишь часть – обычно небольшую – тока в сети.

Таким образом, зависимость напряжения на зажимах генератора с последовательным возбуждением от силы тока, который он посылает во внешнюю сеть, имеет вид, изображенный на рис. 341 (за 100% приняты нормальные значения напряжения на зажимах генератора и силы тока в сети). Эта кривая, называемая внешней характеристикой генератора, показывает, что с ростом нагрузки напряжение сначала круто растет, достигая нормального значения при нормальном токе, а затем спадает до нуля. Ясно, что такая резкая зависимость напряжения генератора от силы потребляемого тока практически очень неудобна. Поэтому генераторы с последовательным возбуждением на практике в качестве генераторов постоянного тока применяются чрезвычайно редко.

Рис. 341. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет совершенно иной вид (рис. 342). По мере того как мы уменьшаем сопротивление сети, т. е. увеличиваем ток в ней, напряжение на зажимах генератора падает. Нетрудно понять, чем это обусловлено. Когда уменьшается сопротивление сети (растет нагрузка), то все большая часть тока в якоре ответвляется в сеть и все меньшая – в индуктор, так как отношение силы тока в этих параллельно по отношению к якорю включенных цепях обратно пропорционально их сопротивлениям (§ 50). Поэтому с ростом нагрузки уменьшается ток в цепи индуктора, а следовательно, и его магнитный поток и индуцированная в якоре э. д. с. Однако вначале, пока железо индуктора находится в состоянии насыщения, это падение происходит довольно медленно, и при изменении тока от нуля до нормального значения, принятого на рисунке за 100%, не превышает 10-15 % от нормального значения напряжения, на которое генератор рассчитан. Таким образом, в довольно широком интервале изменений нагрузки напряжение генератора изменяется очень мало.

Рис. 342. Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением

Если в генераторе с параллельным возбуждением мы будем еще больше уменьшать сопротивление сети, то ток сначала будет продолжать расти, несмотря на уменьшение напряжения на зажимах генератора. При некоторой нагрузке, примерно вдвое превышающей нормальную, на которую генератор рассчитан, ток достигает максимального значения   и потом начинает падать, потому что, после того как железо индуктора выйдет из состояния магнитного насыщения, падение напряжения, вызванное уменьшением тока в обмотках индуктора, происходит очень круто, и влияние этого фактора пересиливает влияние уменьшения сопротивления сети. При коротком замыкании сети ток упадет до относительно небольшого значения (  на рис. 342), так что для генератора с параллельным возбуждением короткое замыкание не опасно.

Еще большего постоянства напряжения при изменениях силы тока в сети можно добиться в генераторах с так называемым смешанным возбуждением или компаунд-генераторах. В этих генераторах на полюсных наконечниках индуктора имеется по две обмотки. Одна из них соединена с якорем по схеме последовательного соединения, а другая – по схеме параллельного соединения. Так как при увеличении нагрузки э. д. с., обусловленная первыми обмотками, возрастает, а э. д. с., связанная со вторыми, падает, то при надлежащем расчете можно осуществить почти полное постоянство напряжения на зажимах генератора при очень больших изменениях силы тока в сети.

 

Схема включения генератора независимого возбуждения представлена на рис. 3.9.

Рис. 3.9 Схема включения генератора независимого возбуждения.

Свойства генератора определяются его характеристиками (рис 3.10).

Рис. 3.10. Характеристики генератора независимого возбуждения

1. Характеристика холостого хода , , , рис. 3.10, a.

Характеристика х.х. представляет собой в ином масштабе характеристику намагничивания машины. При уменьшении тока возбуждения до I_в=0, изменяя его направления, можно получить кривую 2, называемую нисходящей ветвью характеристики. Она располагается в первом квадранте выше кривой – 1 вследствие увеличения остаточного магнитного потока. Если же повторить опыт изменения тока возбуждения в обратном направлении, то получим кривую 3, называемую восходящей ветвью характеристики х.х. Нисходящая и восходящая ветви образуют петлю гистерезиса, определяющую свойства стали полюсов и ярма. Проведя между кривыми 2 и 3 среднюю линию 4, получим расчетную характеристику х.х. Прямолинейная часть характеристики х.х. соответствует ненасыщенному состоянию магнитной системы. При значительных токах возбуждения сталь машины насыщается и характеристика приобретает криволинейный характер.

2. Нагрузочная характеристика , рис. 3.10, б.

Для снятия нагрузочной характеристики возбуждают генератор и устанавливают требуемый ток нагрузки I_a при помощи нагрузочного реостата R_н. Затем постепенно уменьшают ток возбуждения I_в, но при этом также уменьшают величину сопротивления нагрузки таким образом, чтобы при каждом отсчете параметров I_в, и U ток нагрузки оставался неизменным. При нагрузке напряжение генератора снижается вследствие падения напряжения в цепи якоря I_aR_я и размагничивающего действия реакции якоря. Поэтому нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики х.х., причем тем ниже, чем больше нагрузочный ток I_a. Величина отрезка ab=I_в.ном – I'_в.ном характеризует размагничивающее действие реакции якоря, а величина отрезка bс изображает падение напряжения I_номR_я. Прямоугольный треугольник аbс называют характеристическим треугольником.

3. Внешняя характеристика , , рис. 3.10, в

Снижение напряжения генератора при нагрузке происходит по двум причинам: 1) вследствие падения напряжения в сопротивлении цепи якоря I_aR_я и 2) из-за размагничивающего действия реакции якоря. Степень наклона внешней характеристики к оси абсцисс, т. е. жесткость внешней характеристики, оценивается изменением напряжения генератора при номинальной нагрузке, называемым поминальным изменением напряжения генератора. Относительное изменение напряжения равно разности напряжения при х.х. и напряжения при номинальной нагрузке в долях номинального напряжения:

(3.16)

При коротком замыкании (к.з.) генератора напряжение при его зажимах падает до нуля (U=0), а ток короткого замыкания во много раз превосходит номинальный. Поэтому к.з. генератора независимого возбуждения – чрезвычайно опасно.

4. Регулировочная характеристика , , , рис. 3.10, г.

Если регулировать ток возбуждения генератора так, чтобы при увеличении тока нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным и равным номинальному, то соответствующая кривая зависимости тока возбуждения I_в от нагрузочного тока I_a будет представлять собой регулировочную характеристику машины.