Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением

У генератора с параллельным возбуждением часть тока якоря слу­жит для возбуждения основного магнитного поля машины (рис. 13.27). Эти генераторы наиболее часто применяются для получения постоян­ного тока, так как они не требуют дополнительного источника электро­энергии для цепи возбуждения, что существенно упрощает обслужи­вание машины; вместе с тем напряжение таких генераторов мало изме­няется из-за колебаний нагрузки.

При пуске в ход генератора с параллельным возбуждением для создания магнитного потока в магнитопроводе используется выше описанное явление самовозбуждения.

Характеристика холостого хода генератора при параллельном возбуждении практически не отличается от характеристики при неза­висимом возбуждении, так как влияние на эту характеристику изме­нения напряжения r_в1_в и реакции якоря оттока возбуждения ничтожно. Это совпадение вида характеристик имеет место и для регулировочной характеристики.

Но внешняя характеристика при параллельном возбуждении гене­ратора (а) идет значительно ниже, чем при независимом возбуждении () (рис. 13.28). Причиной этому является уменьшение тока возбужде­ния при понижении напряжения, так как I_в = U/r_B. При независимом возбуждении понижение напряжения между выводами генератора при увеличении тока якоря вызывается двумя причинами: увеличением напряжения на активном сопротивлении якоря и реакцией якоря. При параллельном возбуждении к этим двум причинам добавляется третья — уменьшение тока возбуждения. Пока этот ток соответствует условиям насыщения магнитной цепи генератора (пологой части маг­нитной характеристики), уменьшение ЭДС якоря меньше уменьшения тока возбуждения (рис. 13.29). В таких условиях при уменьшении сопротивления цепи нагрузки ток якоря возрастает. Но условия резко изменяются, когда в результате увеличения тока якоря и вызванного этим понижения напряжения ток возбуждения уменьшается настолько, что магнитная цепь генератора оказывается в ненасыщенном состоянии. В условиях линейной части магнитной характеристики уменьшение тока возбуждения вызывает пропорциональное уменьшение потока и ЭДС якоря, что вызывает дальнейшее уменьшение тока возбуждения, а это в свою очередь обусловливает новое по­нижение ЭДС и т. д. Имеет место своеобразное саморазмагничивание генератора, заканчиваю­щееся тем, что в машине при коротком замыкании якоря сохраняется только остаточная намагниченность, под­держивающая ограниченный (меньше номинального) ток короткого замыкания.

Ток якоря, при котором машина переходит в режим саморазмагни­чивания, называется критическим I_кр. Его значение больше номиналь­ного в 2—2,5 раза. Участок внешней характеристики ниже I_кр (штри­ховая линия на рис. 3.28) соответствует неустойчивому режиму.

Номинальное изменение напряжения у генератора при параллель­ном возбуждении значительно больше, чем при независимом, и состав­ляет 8—15 %.

В генераторе с последовательным возбуждением якорь соединен последовательно с обмоткой возбуждения, благодаря чему ток нагрузки является вместе с тем током возбуждения (рис. 13.30). Обмотка воз­буждения w такой машины выполняется из провода, рассчитанного на большой ток якоря; число витков такой обмотки мало.

При холостом ходе генератора с последовательным возбуждением ЭДС в обмотке его якоря будет индуктироваться только потоком оста­точного намагничивания. Следовательно, у этого генератора нельзя снять характеристику холостого хода. Отсутствует также у него и регулировочная характеристика.

Напряжение этого генератора (рис. 13.31) сначала возрастает с увеличением тока якоря. Затем вид характеристики начинает изме­няться из-за магнитного насыщения (ЭДС якоря перестает увеличи­ваться, в то время как продолжает возрастать напряжение на активном сопротивлении якоря) и размагничивающего действия реакции якоря. В результате напряжение генератора при дальнейшем возрастании нагрузки уменьшается. Из-за непостоянства напряжения генераторы с последовательным возбуждением применяются лишь в немногих специальных случаях.

Генератор со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбужден ния: параллельную w _пар и последовательную w _пос (рис. 13.32). У такого генератора напряжение остается практически постоянным при изме­нениях нагрузки в определенных пределах. Это достигается путем использования последовательного возбуждения для компенсации уве­личения падения напряжения на активном сопротивлении якоря и уменьшения тока в параллельной обмотке возбуждения, а также для компенсации размагничивающего действия якоря при увеличении тока нагрузки. Благодаря наличию обмотки последовательного воз­буждения

главный магнитный поток генератора и вместе с ним ЭДС Е_я возрастают g увеличением нагрузки. Соответствующим подбором числа витков обмотки последовательного возбуждения можно достичь равенства напряжений генератора при холостом ходе и при номинальной на­грузке (кривая а на рис. 13.33).

Генератор со смешанным возбуждением удобен в установках относительно небольшой мощности для предупреждения возникнове­ния значительных изменений напряжения при отключениях отдельных потребителей. Но использование таких генераторов для параллельной работы обычно неудобно: случайное понижение частоты вращения первичного двигателя генератора может снизить ЭДС генератора до уровня, меньшего напряжения сети, из-за этого ток в якоре генератора и в его последовательной обмотке возбуждения изменит свое направле­ние, что может вызвать перемагничивание генератора и тяжелую ава­рию установки.

1 3.11. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ГЕНЕРАТОРОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

В ряде случаев для более рационального использования мощности установки в различное время дня, для обеспечения бесперебойности работы и т. п. целесообразно питать нагрузку от двух или более рабо­тающих параллельно генераторов. Рассмотрим условия такой парал­лельной работы для простейшего случая — генераторе» с парал­лельным возбуждением.

Если нужно включить второй генератор (рис. 13.34) в сеть, на шинах которой генератор Г1 поддерживает напряжение U, то нужно сначала раскрутить якорь подключаемого генератора с помощью первичного двигателя (турбины, дизеля и т. п.) до заданной частоты вращения, а затем посредством регулирования тока возбуждения I_в2 генератора Г2 сделать его ЭДС Е₂ равной напряжению сети. Затем необходимо проверить соответствие полярностей генератора и сети, для чего служит вольтметр V_k. Если его показание равно нулю, то можно замкнуть однополюсный выключатель S. Таким образом осуществляется включение генератора в сеть. Так как ЭДС генератора уравновешивает­ся напряжением сети, то его ток после включения

I₂ = (E₂-U)/r_я2 = 0.

Рис.13.34

Чтобы нагрузить второй генера­тор, нужно увеличить его ток воз­буждения. Это приводит к увеличе­нию ЭДС Е₂ генератора Г2. Возрастание ЭДС Е₂, с одной стороны, на­гружает генератор током I₂, с другой стороны, повышает напряже­ние сети U. ЭДС первого генератора Г1, несшего ранее всю на­грузку сети, не изменилась. Поэтому увеличение напряжения сети приведет к частичной разгрузке этого генератора.

Ток I₂ в обмотке якоря генератора Г2, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает тормозной момент, вследствие чего частота вращения якоря генератора уменьшается. С помощью регулятора частоты вращения первичного двигателя увеличивается приток рабо­чего вещества: пара, воды, нефти и т. п. и заданная частота вращения восстанавливается. Таким образом, генератор Г2 и его двигатель взяли на себя часть нагрузки сети. В обратном направлении протекает процесс для генератора Г1, у которого уменьшение тока 1₁ разгружает первичный двигатель.

В случае, когда нужно перевести всю нагрузку полностью на второй генератор Г2, достаточно постепенно уменьшать возбуждение первого генератора Г1 и увеличивать возбуждение второго генератора Г2, следя за тем, чтобы напряжение сети U оставалось постоянным. Когда ЭДС генератора Г1 станет равной напряжению сети, его ток умень­шится до нуля, вся нагрузка будет с него снята и его можно будет отключить. Регуляторы частоты вращения первичных двигателей дополнят эту работу по переводу нагрузки.

Но если оставить генератор Г1 включенным и дальше уменьшать его ток возбуждения, то ток в якоре изменит направление:

Ii = (U-E₁)/r_я1

и вместо тормозного момента создаст вращающий момент; машина пе­рейдет в режим двигателя. Однако при этом может тяжело пострадать первичный двигатель, поэтому все параллельно работающие генера­торы снабжаются аппаратом — реле обратного тока, автоматически отключающим генератор при изменении направления тока.

Рис. 13.35.

Следовательно, воздействуя на возбуждение параллельно работающих генераторов, можно любым образом перераспределять между ними нагрузку.

Рассмотрим, как распределяется нагрузка между двумя генераторами, имеющими внешние характеристики различной крутизны (рис.13.35). Если путем регулирования возбуждения они были нагружены одинаково, то, следовательно, их рабочий режим при установленном напряжении (/соответствовал точке пересечения а их внешних харак­теристик. Но когда ток нагрузки возрастает, то должен возрасти и ток каждого из генераторов, а следовательно, должны увеличиться в каждом из них напряжение на активном сопротивлении обмотки якоря и реакция якоря. Вследствие этого напряжение сети должно понизиться на At/. Но этому пониженному напряжению

U' = U- U

согласно внешним характеристикам генераторов соответствуют раз­личные значения токов 1'₁ и 1'₂. Генераторы разделят изменившуюся нагрузку не поровну, большую долю ее 1'₁ возьмет на себя генератор с более пологой (более жесткой) внешней характеристикой. Конечно, эту неравномерность нетрудно исправить (например, повысив возбужде­ние второго генератора), однако это усложняет работу обслуживаю­щего персонала и при быстрых колебаниях нагрузки довольно трудно осуществимо. Желательно поэтому для параллельной работы иметь генераторы с одинаковыми внешними характеристиками или же соот­ветствующее автоматическое регулирование.