Принцип действия генератора с самовозбуждением. Генератор с самовозбуждением

Генераторный режим работы асинхронной машины рассматривался в § 24-5. При этом было выяснено, что асинхронный генератор потребляет реактивный намагничивающий ток для создания магнитного потока й поэтому должен работать параллельно с сетью переменного тока, к которой присоединены другие машины или установки (например, синхронные генераторы), способные снабжать

Рис. 29-6. Схема асинхронного генератора АГ с местной нагрузкой R и конденсаторной батареей С {а) и векторная диаграмма (б)

реактивным током асинхронные генераторы идругих потребителей. Наряду с этим асинхронный генератор может работать также л режиме самовозбуждения на отдельную сеть, получая реактивный ток возбуждения от конденсаторов, прнключаемых к зажимам асинхронного генератора.

"Для выяснения некоторых положений рассмотрим схему рис. 29-6, на которой изображен асинхронный генератор АГ, работающий параллельно с сетью и потребляющий из нее реактивный (индуктивный) ток l L = / . Этот ток создает в генераторе магнитное поле, в то время как активный ток 1 а, вырабатываемый генератором АГ, полностью потребляется местным Потребителем R. Приключим теперь к зажимам, генератора конденсаторы С такой емкости, чтобы потребляемый

Рис 29-7. Схема замещения самоВоз-буждающегося асинхронного генератора с нагрузкой Z at и емкостным сопротивлением конденсаторной батареи х с

ими из сети емкостный ток / с по величине был равен току I L , Очевидно, что при этом потребляемый из сети ток

Рубильник Р можно поэтому отключить, и асинхронный генератор АГ будет работать на изолированную местную сеть с приемниками RnC. Так как при этом, с одной стороны, генератор продолжает потреблять ток I L = 1 ш, а с другой стороны, конденсаторы продолжают потреблять ток / с = l h , то можно сделать следующие выводы:

1) источниками реактивного намагничивающего тока / м = /j. для генератора теперь являются конденсаторы;

2) утверждения «конденсатор потребляет из сети (или от асинхронного генератора) емкостный ток» и «конденсатор отдает в сеть (яля асинхронному генератору) индуктнвйый ток» равноценны; 3) равноценны также утверждения «асинхронная машина потребляет из сети индуктивный ток» и «асинхронная машина отдает в сеть емкостный ток».

В практике энергетических систем термины «реактивный ток» и «реактивная мощность» принято связывать с отстающим (индуктивным) током. При этом говорят, что конденсаторы отдают в сеть реактивный ток и, реактивную мощность и являются гейераторами реактивной мощности.

Из «казааиого следует, что при чисто активной нагрузке асинхронного генератора мощность конденсаторов должна равняться реактивной (намагничивающей) мощности генератора. Если же нагрузка будет иметь смешанный активно-индуктивный характер, то мощность конденсаторной батареи необходимо соответственно увеличить, чтобы она покрывала также реактивную мощность нагрузки. При смешай-ной активно-емкостной нагрузке требуется конденсаторная батарея меньшей мощности, а при определенных условиях эта батарея становится излишней.

Схема замещениа-асинхронного генератора с самовозбуждением при помощи конденсаторов и с нагрузкой Z ST изображена на рис. 29-7. На основании этой схемы могут быть найдеды все соотношения и величины, характеризующие режим работы генератора. В частности, на основе баланса реактивных мощностей с учетом потерь реактивной мощности в сопротивлениях х Л, x" oi и х ы мождо определить необходимую мощность « необходимую емкость конденсаторов. Векторная диаграмма самого асинхронного генератора с самовозбуждением имеет обычный вид и не зависит от того, откуда генератор потребляет необходимую реактивную мощность.

Рис. 29-8. К выяснению условий самовозбуждения асинхронного генератора

Выяснив в общих чертах работу асинхронного генератора с самовозбуждением в установившемся режиме, рассмотрим процесс его самовозбуждения на холостом ходу (рис. 29-8), пренебрегая активными сопротивлениями.

Ввиду наличия потока остаточного намагничивания ротора асинхронной машины, при вращении ротора в обмотке статора индуктируется некоторая э д. с. £ост (рис. 29-8). Эта э. д. с. вызывает в конденсаторах ток 1" с, который, протекая по обмотке статора машины, усиливает его магнитный поток. В результате индуктируемая э. д. с. и ток конденсатора увеличиваются и т. д.

На рис. 29-8 зависимость индуктируемой в обмотке статора генератора э. д.с. £i от намагничивающего тока в этой обмотке / м или от тока конденсатора / с = / м изображена в виде кривой холостого хода или кривой намагничивания (ж О 1 + + х м)1 с - Прямая U = х с 1 с определяет зависимость напряжения конденсатора от его тока. Процесс самовозбуждения на рис. 29-8 условно изображен ступенчатой линией. Э. д. с. остаточного намагничивания вызывает в конденсаторе ток

Очевидно, что процесс самовозбуждения асинхронного генератора во многом аналогичен процессу самовозбуждения генератора постоянного тока (см. § 9-4).

Выше предполагалось, что первоначальный толчок тока статора при самовозбуждении возникает в результате действия потока остаточного намагничивания. Вместе с тем роль первоначального толчка может сыграть также ток разряда предварительно заряженной конденсаторной батареи, наводка тока внешним магнитным полем и флуктуация электронов в цепи обмотки статора. Последние две причины на практике часто оказываются недостаточно сильными для развития самовозбуждения.

Мощность конденсаторной батареи самовозбуждающегося асинхронного генератора достаточно велика (до 70-100% от номинальной мощности генератора), что делает установку дорогой. В связи с этим такие генераторы находят в настоящее время весьма ограниченное применение. Иногда явление самовозбуждения асинхронной машины с подключенными к ней конденсаторами используется для торможения асинхронных двигателей после отключения их от сети. Торможение при этом происходит за счет потерь, возникающих в самовозбужден-ной машине и приключенных к ней сопротивлениях.

Самовозбуждение асинхронной машины возможно также при включении конденсаторов во вторичную цепь, однако этот случай ввиду малой частоты в цепи ротора малоэкономичен.

§ 29-3. Асинхронные машины с массивным ротором

Ротор асинхронной машины можно изготовить из массивной стальной поковки и без пазов. В этом случае роль обмотки ротора играет сам массивный ротор, в котором вращающееся магнитное поле будет индуктировать токи.

Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели на высокие скорости вращения (10 000-100 000 об/мин)

строятся с массивным ротором. Такие двигатели применяются в различных установках специального характера, в частности в гироскопических навигационных устройствах, и питаются током повышенной частоты (400-1000 гц).

Активное г 2 и индуктивное х л сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае / = 50 гц при пуске (s = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только около Змм, приs= 0,02 - около 20мм, npns = = 0,001 - около 100 мм. Поэтому при пуске сопротивление г 2 весьма велико и х л мало, а с уменьшением скольжения сопротивление г 2 уменьшается и х а2 увеличивается. Вследствие подобного изменения параметров геометрическое место токов машины с массивным ротором имеет вид, изображенный на рис. 29-9 сплошной линией. Для сравнения там же

штриховой линией показана круго- fy^$=/

вая диаграмма асинхронного двигателя с постоянными- параметрами.

В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик (М а /М я = 1,5-V- 2,0). Однако двигатели малой и средней мощности с массивными роторами при /= 50гц имеют низкие к. п. д. и коэффициент мощности, так как при Рис. 29-9. Геометрическое место токов скольжении s = 0,02 -з- 0,05 глу- асинхронной машины с массивным ро-бина проникновения тока и потокатором

в сталь ротора мала, активное и

магнитное сопротивления ротора магнитному потоку велики, вследствие чего двигатель имеет большое номинальное скольжение и большой намагничивающий ток. С увеличением геометрических размеров машины, а также при увеличении номинальной скорости вращения рабочие характеристики двигателя улучшаются. Так, асинхронный двигатель с массивным ротором на / = 50 гц и Р я = = 20 000 -з- 50 000 кет имел бы номинальное скольжение значительно менее 1%. В двигателях относительно небольшой мощности на высокие скорости вращения для улучшения рабочих характеристик иногда внешнюю поверхность массивного стального ротора покрывают медью. С этой же целью применяются медные кольца, прикрепленные к торцевым поверхностям массивного ротора. Роль этих колец аналогична торцовым короткозамыкающим кольцам беличьей клетки, и активное сопротивление ротора с такими кольцами уменьшается. Иногда на цилиндрической поверхности ротора выполняют также пазы, но без укладки в них обмотки. При этом площадь внешней рабочей поверхности ^ротора, нагруженной токами, увеличивается, что приводит к уменьшению активного сопротивления ротора.

§ 29-4. Линейные и дуговые асинхронные машины

Если представить себе, что обычный круглый статор асинхронного двигателя разрезан по осевой плоскости и выпрямлен в плоскость или разогнут по дуге большего радиуса, чем радиус исходного круглого статора, то получится статор линейной (рис. 29-10, о) или дуговой (рис. 29-10, б) асинхронной машины. Трехфазная обмотка такого статора создает в воздушном зазоре в пределах сердечника статора соответственно бегущее или вращающееся магнитное поле.

Движущаяся часть линейной машины называется бегуном, а движущаяся часть дуговой машины - ротором. Бегун и ротор могут иметь конструкцию, свойственную роторам нормальных короткозамкнутых асинхронных машин, т. е. иметь сердечники из листовой электротехнической стали и обмотку

Рис. 29-9. Геометрическое место токов асинхронной машины с массивным ротором

типа беличьей клетки, расположенную в пазах сердечника бегуна и ротора. Они могут быть изготовлены также массивными - из стали или чугуна, и в этом случае роль вторичной обмотки выполняет само тело бегуна или ротора." Линейную асинхронную машину можно выполнить также в виде двух статоров, обращенных друг к другу, и бегуном при этом служит проводящее тело, расположенное в зазоре между сердечниками статоров. Проводящее вторичное тело в виде шины может быть также неподвижным, а „статор" - находиться на движущемся экипаже. Такие устройства перспективны для высокоскоростного пассажирского транспорта.

Принцип действия рассматриваемых машин одинаков с принципом действия нормальных асинхронных машин: бегущее или вращающееся поле статора индуктирует в обмотке бегуна или ротора токи, в результате взаимодействия которых с магнитным полем возникают электромагнитные силы, действующие на бегун и ротор. В установившемся режиме скольжение бегуна или ротора относительно магнитного поля обычно невелико.

Особенностью дуговой машины является то, что ее скорость вращения не связана так жестко с числом пар полюсов р и частотой fi, как в нормальной асинхронной машине. Действительно, пусть статор.машины (рис. 29-10, 6) имеет р пар полюсов" и занимает дугу с центральным углом а,-За один период тока вращающееся поле перемещается на 2т или на угол ajp, а в тече» ние одной секунды поле совершает

оборотов. Выбирая различные а, полу чаем различные скорости вращения. Щщ а = 2я имеем нормальную асинхронную машину с

«i=/i/P. об/сек.

P#c. 29-10, Линейная (а) я дуговая (б) асинхронные машины

Линейные асинхронные машины можно использовать для получения возвратно-поступательного движения. При этом производится периодическое пере* ключеиие обмотки статора (изменение чередования фаз) и. машина работает в циклическом режиме ускорения, движения и торможения. Такой режим в энергети; ческом отношении невыгоден, так как в течение каждого цикла работы при уско^ рении и торможении бегуна бесполезно теряется относительно большое количество-энергии в виде тепла, выделяемого в обмотках. Количество теряемой энергии тем больше, чем больше масса бегуна и его максимальная скорость. В связи с этим Явигатели возвратно-поступатального движения не получили заметного распространения. Применение линейных и дуговых асинхронных машин и родственных им магнитогидродинамическ"их машин (см, §29-5) в качестве электрических машин специального назначения расширяется.

В линейных и дуговых асинхронных машинах возникают краевые эффекты, вызванные "уем. что их статоры не" замкнуты в кольцо и имеют конечную длину. Вследствие этого энергетические показатели линейных и дуговых машин хуже» чем у нормальных асинхронных машин.

§ 29-5. Магнитогидродинамические машины переменного тока

Одной из разновидностей магнитогидродинамических машин переменного тока являются индукционные насосы для жидких металлов, которые подразделяются на линейные и винтовые .

Линейные индукционные насосы родственны линейным асинхронным машинам (см. § 29-4) и делятся на плоские и цилиндрические.

Плоские насосы (рис. 29-11) имеют обычно два индуктора, каждый из которых состоит из сердечник-а 1 и многофазной (обычно трехфазной) обмотки 2. Между индукторами находится плоский канал прямоугольного сеченияЗ с жидким металлом. Стенки канала в зависимости от свойств жидкого металла могут быть как металлическими, так и керамическими. Между стенками канала и индукторами в большинстве случаев имеется слой тепловой изоляции. Бегущее магнитное

Рис. 29-Я. Устройство плоского линейного индукционного насоса для жидких металлов

поле индукторов наводит в жидком металле токи, и вследствие взаимодействия этих токов с магнитным полем возникают электромагнитные силы, действующие на частицы жидкого металла. В результате развивается напор, и жидкий металл прихоцвт в движение по направлению движения поля с некоторым скольжением относительно его.

Цилиндрические насосы имеют канал кольцевого сечения, внутри которого расположен сердечник без обмотки, а снаружи - с обмоткой. Обмотка создает магнитное поле, бегущее вдоль оси канала.

Представление о винтов ом индукционном насосе можно получить, если предположить, что ротор асинхронного двигателя заторможен, зубцы ротора вместе с обмоткой срезаны и в зазоре, образовавшемся между внешним и внутренним сердечниками, навит винтовой канал.

Индукционные насосы находят применение в исследовательских, транспортных и промышленных установках с ядерными реакторами на быстрых нейтронах, в которых для отвода тевда используются жидкометаллические теплоносители (натрий, кадий, их сплавы и др.). Создаются также разные установки для металлургии и Литейного производства. Все виды индукционных насосов обратимы, и насосы могут работать в режиме асинхронного генератора, если по их каналам за счет внешнего источника прокачивать жидкий металл со скоростью выше скорости движения поля. Магнитогидродинамические генераторы с жидкими металлами, а также с парами жидких металлов имеют перспективы практического применения в разных энергетических установках, в том числе с ядерными реакторами . Предложены различные конструктивные разновидности подобных генераторов. Однако на пути их создания имеются различные трудности, из которых можно отметить проблему разгона жидких металлов за счет содержащейся в них тепловой энергии.

§ 29-6. Асинхронный преобразователь частоты

Асинхронный преобразователь частоты (рис. 29-12) состоит из трехфазной асинхронной машины AM с фазным ротором и соединенного с ней приводного двигателя Д. Одна из обмоток асинхронной машины, например обмотка статора, приключается к первичной сети с частотой f lt а вторичная обмотка питает вторичную сеть током частоты скольжения f 2 = sfj.

Асинхронная машина AM работает либо в тормозном, режиме противовклю-чения, когда s > 1 и f 2 > fi. либо в режиме двигателя, когда s < 1 и f 2 > f v В двигательном режиме ротор AM вращается в направлении вращения поля, а в тормозном - против направления вращения поля. Генераторный режим работы AM в преобразователях частоты обычно не используется.

рели пренебречь потерями, то первичная мощность AM

Pi = Pbh>

а вторичная мощность, или мощность скольжения,

Механическая мощность, развиваемая двигателем Д, Pux = P2-Pi = (s-\)P 1 .

При s > 1, когда fi>f\, приводной двигатель Д работает в режиме двигателя и Р т > 0. При s > 1 двигатель Д работает в действительности в режиме генератора и Р мх < 0.

Приводным двигателем Д обычно служит асинхронный или синхронный двигатель. Если величину вторичной частоты необходимо регулировать, то возбуждение первичной обмотки AM частотой производится от вспомогательной синхронной или коллекторной машины с регулируемой частотой. Для этой же цели в качестве двигателя Д можно, использовать машину постоянного тока и регулировать скорость ее вращения. Если / а > f u то Р 2 > Pi, и для облегчения работы контактных колец и щеток в качестве первичной обмотки с током частоты ^ используется обмотка ротора. В простейшем случае, когда регулирования величины частоты f 2 не требуется, приводной синхронный или асинхронный двигатель Д и первичную обмотку AM можно питать от общей сети с промышленной частотой Д. При этом скорость вращения приводного двигателя и всего агрегата, если в случае использования асинхронного приводного двигателя, пренебречь его скольжением, равна

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике энергии.

В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Генератор параллельного возбуждения. Схема генератора параллельного возбуждения, или шунтового генератора, изображена на рис. 7.21.

Ток якоря генератора разветвляется на ток нагрузки и ток возбуждения:

причем ток возбуждения составляет 1-3% от номинального тока нагрузки.

Характеристика холостого хода генератора параллельного возбуждения аналогична характеристике генератора независимого возбуждения. Поскольку ток возбуждения невелик, генератор можно считать ненагруженным. При необходимости получить более точную характеристику обмотку возбуждения генератора параллельного возбуждения питают от отдельного источника.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 7.22) показывает, что напряжение на его зажимах с увеличением тока нагрузки падает быстрее (кривая 1), чем при независимом возбуждении (кривая 2).

Падение напряжения на зажимах генератора объясняется тремя причинами:

• а) уменьшением среднего значения магнитной индукции в машине вследствие реакции якоря;
• б) увеличением падения напряжения внутри генератора;
• в) уменьшением (вследствие двух первых причин) напряжения, подводимого к цепи возбуждения.

Ток нагрузки генератора может быть определен по закону Ома:

где U - напряжение на зажимах генератора, равное напряжению на обмотке возбуждения; R lt - сопротивление нагрузки.

При снятии внешней характеристики увеличение тока I осуществляется за счет уменьшения сопротивления R H . Как указывалось, с увеличением тока I уменьшается напряжение U на зажимах генератора. Следовательно, при уменьшении R H одновременно уменьшается и U. При некотором значении тока нагрузки скорость уменьшения U сравнивается со скоростью уменьшения Д„ и, как очевидно из формулы закона Ома, увеличение тока прекращается. Эго максимально возможное значение тока называют критическим током 1 К . При дальнейшем уменьшении сопротивления R H напряжение U падает относительно быстрее и ток нагрузки гоже начинает уменьшаться. Поэтому для генераторов параллельного возбуждения не опасны короткие замыкания. Ток короткого замыкания / ю такого генератора обычно меньше номинального тока и создается только за счет остаточного намагничивания, поскольку напряжение на зажимах генератора, а следовательно, и напряжение, подводимое к цепи возбуждения, при коротком замыкании равно нулю.

Регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения в пределах рабочих токов нагрузки имеет такой же вид, как и у генератора независимого возбуждения. Для поддержания неизменного напряжения на зажимах генератора с возрастанием тока нагрузки необходимо увеличивать ток возбуждения, что достигается уменьшением сопротивления R B цепи возбуждения машины.

Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения находят широкое применение, особенно в качестве бортовых источников питания на подвижных объектах: кораблях, самолетах, автомобилях и т.д.

Карточка № 7.9 (177) Генераторы параллельного возбуждения

У какого генератора об- мотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря?	Независимого возбуждения
	Параллельного возбуждения
	Последовательного возбуждения
	Смешанного возбуждения
Как изменяются при па- раллельном возбуждении с увеличением нагрузки:	а) Увеличивается; б) уменьшается
	а) Уменьшается; б) уменьшается
	а) Уменьшается; б) не изменяется
	а) Не изменяется; б) не изменяется
Покажите внешнюю характеристику генератора параллельного возбуждения.	Кривая 1
	Кривая 2
Какой ток опасен для генератора параллельного возбуждения?	Ток короткого замыкания
	Критический ток
Как зависит от скоро- сти вращения якоря ток короткого замыкания генератора параллельного возбуждения?	Не зависит
	С увеличением скорости вращения якоря ток короткого замыкания генератора увеличивается

Генератор последовательного возбуждения. Генератор последовательного возбуждения, или сериесный генератор, назван так потому, что обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (схема на рис. 7.23, а). Для этого генератора / = / я = / в.

Характеристика холостого хода, характеризующая магнитные свойства системы возбуждения, может быть снята только при независимом возбуждении.

Внешняя характеристика изображена на рис. 7.23, 6. Пока магнитная система не насыщена, с увеличением тока нагрузки возрастает магнитный поток и ЭДС генератора. Однако по мере насыщения магнито про вода рост ЭДС замедляется, а размагничивающее действие реакции якоря проявляется все сильнее. Поэтому напряжение, достигнув максимального значения, начинает снижаться.

Генераторы последовательного возбуждения используются сравнительно редко.

Генераторы смешанного возбуждения. Более широкое применение находят генераторы постоянного тока, у которых магнитный поток возбуждения создается двумя обмотками: шунтовой и сериесной. Это генераторы смешанного возбуждения, или компаундные генераторы (рис. 7.24), которые могут иметь согласно или встречно включенные обмотки возбуждения.

У генераторов с согласным включением обмоток напряжение почти не изменяется при изменении нагрузки. Это объясняется тем, что магнитный поток сериесной обмотки создается током нагрузки и при увеличении нагрузки возрастает, компенсируя влияние реакции якоря и увеличение падения напряжения внутри машины. Генераторы с согласным включением обмоток применяются в тех случаях, когда требуется высокая стабильность напряжения питания при изменении нагрузки в широких пределах.

Генераторы со встречным включением обмоток имеют крутопадающую внешнюю характеристику. При увеличении тока нагрузки встречный поток сериесной обмотки размагничивает машину, и напряжение генератора резко снижается. Такие машины используются в качестве сварочных генераторов, где требуется относительное постоянство сварочного тока при изменении напряжения в широких пределах вплоть до значений, близких к нулю (когда электрод касается свариваемых деталей).

Внешние характеристики генератора смешанного возбуждения изображены на рис. 7.25, при согласном (кривая 1) и встречном (кривая 2) включении обмоток возбуждения.

Карточка № 7.10(208)

Генераторы последовательного и смешанного возбуждения

Как изменяются с увеличени- ем нагрузки при последовательном возбуждении: а) магнитный поток главных полюсов; б) результирующий магнитный поток генератора?	а) Увеличивается; б) уменьшается
	а) Не изменяется; б) увеличивается
	а) Увеличивается; б) увеличивается до максимума, затем уменьшается
Чем определяется величина ЭДС при холостом ходе генератора последовательного возбуждения?	Остаточным намагничиванием полюсов
	Скоростью вращения якоря
	Остаточным намагничиванием полюсов и скоростью вращения якоря
Какова основная причина, ограничивающая рост напряжения на зажимах генератора последовательного возбуждения при увеличении нагрузки?	Реакция якоря
	Падение напряжения на активном сопротивлении цепи якоря
	Насыщение магнитопро- вода
По приведенной внешней характеристике генератора смешанного возбуждения (рис. 7.25 кривая 2) опреде- лите, как включены обмотки возбуждения.	Согласно
	Встречно
Как надо включить обмотки возбуждения компаундного генератора, чтобы уменьшить влияние тока нагрузки на напряжение генератора?	Согласно
	Встречно

Генератор с самовозбуждением

Генератор качающейся частоты – это генератор, который вырабатывает электрические колебания. Генератор в переводе с латинского языка означает «производитель», т. е. это устройство, которое производит определенный продукт. Колебания в нем не затухают при подаче части переменного напряжения с выхода на вход генератора. В радиотехнике его называют осциллятором – системой, возбуждающей колебания относительно какого-нибудь положения равновесия.

Генератор с самовозбуждением представляет собой устройство, благодаря которому энергия постоянного тока преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, возникающих без внешнего воздействия.

Структура такого генератора содержит два основных звена. Это звено обратной связи с коэффициентом передачи и усилительное звено.

К самовозбуждению генератор подталкивает положительная обратная связь, которая позволяет генератору перейти в режим установившихся колебаний.

При включении напряжения питания в генераторе возникают малые колебания. На них влияет положительная обратная связь, действие которой увеличивается за счет усилительного каскада. Колебания передаются по цепи положительной обратной связи на выход усилителя. Сигнал постоянно возрастает при обходе усилителя и обратной связи, пока не устанавливается режим колебаний. Переход к такому режиму возможен за счет уменьшения наклона амплитуды сигнала. Усилитель должен быть нелинейным, потому что линейное звено способствовало бы возрастанию амплитуды самовозбужденных колебаний.

Генератор производит, как правило, одночастотное колебание, а нагрузкой является параллельный колебательный контур. Сопротивление контура активно, на резонансной частоте максимально.

В усилительном звене генератора применяются операционные усилители и транзисторы, биполярные и полевые. Частоту производящихся колебаний определяет баланс амплитуд на определенной частоте, в связи с соответствием усилителя с резонансной нагрузкой резонансной же частоте контура.

От выбранного рабочего режима для генератора с самовозбуждением зависит процесс генерации колебаний. Режим определяется коэффициентом обратной связи и питающим напряжением. При выборе режима важно обращать внимание на положение рабочей точки на усилительном элементе, зависящей от напряжения смещения. Самовозбуждение легко возникает при расположении рабочей точки в области большой крутизны. Обратное положение рабочей точки приостанавливает, затрудняет самовозбуждение генератора. Существует два режима возбуждения: жесткий и мягкий. При жестком режиме рабочая точка смещается в левую сторону, напряжение смещения отсутствует. В результате этого небольшие колебания контура не могут вызвать самовозбуждение. Мягкий режим возникает тогда, когда рабочая точка лежит на прямолинейном участке усилительного элемента.

Процесс самовозбуждения проходит беспрепятственно, увеличивается амплитуда тока базы и в то же время возрастает амплитуда выходного напряжения.

Для эксплуатации генератора с самовозбуждением необходимо использовать оба перечисленных режима возбуждения, т. е. комбинированную схему смещения. В момент включения удобен мягкий режим, но в дальнейшем он приводит к большим потерям в схеме генератора, поэтому после установления мягкого надо перейти к жесткому режиму.

Одним из главнейших параметров генератора с самовозбуждением считается стабильность частоты. Ее количественной оценкой выступает обратная величина. Эта обратная величина представляет собой относительную нестабильность частоты. Под влиянием дестабилизирующих факторов параметры генератора меняются, в результате чего изменяются и фазовые углы. Любопытно, что после этой операции в генераторе устанавливается другой стационарный режим колебаний и сумма фазовых углов снова соответствует соотношению.

Повысить стабильность, так необходимую генератору с самовозбуждением, можно с помощью нескольких приемов. Путем параметрической стабилизации – при поддержке постоянства колебательной системы и нужных параметров генератора. Для осуществления такой стабилизации необходимо поддерживать постоянство питающих напряжений и защищать колебательную систему от влияния внешних воздействий. Повысить стабильность можно и другим путем. Для этого необходимо выбрать такие схему и режим работы генератора, при которых фазовые углы изменялись бы незначительно. Еще один вариант повышения стабильности заключается в компенсации изменений температуры элементов генератора, причем они должны быть противоположными другим изменениям по своему характеру. Этим элементом может быть колебательный контур, который увеличивается с повышением температуры. И, наконец, последний способ добиться стабилизации – с использованием кварцевых резонаторов, которые обладают высокой стабильностью как колебательные системы.

Существуют синхронные генераторы с самовозбуждением серии SJ, которые предназначаются для долгого режима работы как источник переменного тока. Они работают в составе передвижных и стационарных агрегатов. Такие генераторы могут работать автономно, параллельно с другими генераторами, а также с жесткой сетью.

Двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели и различные турбины используются в качестве привода такого генератора.

Генератор с самовозбуждением применяется в радиопередающих устройствах, где он генерирует энергию постоянного и переменного тока в энергию радиочастотных колебаний.

Имя изобретателя: Филиппов А.Н.; Ермилов Н.Г.
Имя патентообладателя: Филиппов Алексей Николаевич
Адрес для переписки: 450078 Башкорстостан Уфа, ул.Алтайская 64-16, Филиппову А.Н.
Дата начала действия патента: 1996.07.23

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к электромашиностроению и может быть применено в производстве машин постоянного тока.

Существующие машины постоянного тока в своем устройстве имеют коллекторные узлы с щетками, как средство коммуникации, с преобразованием переменного тока в постоянный.

Наличие скользящих контактов во вращающейся обмотке выходного напряжения существенно снижает их надежность и усложняет эксплуатацию .

Одно из возможных исполнений содержит неподвижный индуктор, щеточно-контактный аппарат и вращающийся якорь с валом, снабженный обмоткой и коллекторным узлом.

К недостаткам описанных аналогов следует отнести:
- подвижность рабочей обмотки выходного напряжения с наличием в ней коллекторного узла с токосъемными щетками, что снижает надежность работы устройства,
- отсутствия системы самовозбуждения.

Униполярный генератор, выбранный в качестве прототипа /3/, содержит статор с зубчатым магнитопроводом, якорь с обмоткой выходного напряжения, соединенной в последовательную цепочку и индуктор.

Последовательное соединение медных стержней вращающейся обмотки выходного напряжения в устройстве прототипа выполнено посредством многочисленных щеток, установленных на каждой коллекторной пластине.

Недостатками устройства прототипа являются:
- подвижность, размещенной на валу якоря рабочей обмотки выходного напряжения с наличием в ней множественных коллекторных узлов с коммутационными пластинами и щетками токосъема,
- отсутствие устройства самовозбуждения генератора.

С целью повышения надежности и обеспечения самовозбуждения генератора предлагается новое устройство с превращением подвижной рабочей обмотки в неподвижную и с исключением на ее цепи множественных скользящих контактов. Это достигается тем, что в известном униполярном генераторе - прототипе, содержащем статор с зубчатым магнитопроводом, якорь с обмоткой выходного напряжения, соединенной в последовательную цепочку и индуктор, внесены следующие изменения:
- в устройстве установлено два индуктора, закрепленных на одном валу,
- постоянные магниты обоих индукторов установлены встречно одноименными полюсами,
- в межполюсном пространстве стационарно установлен сдвоенный зубчатый статор с кольцеобразным полым магнитопроводом,
- обмотка выходного напряжения и кольцевой пустотелый магнитопровод имеют вид тороидальной катушки с прямоугольным поперечным сечением сердечника,
- пустотелость магнитопровода выполнена для образования воздушной изоляции между магнитными потоками,
- в устройстве отсутствуют щеточно-контактные узлы как в цепи возбуждения, а также и в схеме выходного напряжения,
- устройство представляет из себя спаренные два генератора.

На фиг. 1 представлен в продольном разрезе общий вид предлагаемого устройства.

На фиг. 2 изображен магнитопровод статора с обмоткой выходного напряжения, вид сбоку.

На фиг. 3 представлен узел крепления магнитопровода статора к корпусу генератора и являющейся частью магнитопровода.

На фиг. 4 приводится электрическая схема рабочей обмотки выходного напряжения.

На фиг. 5 изображена та же электрическая схема в сечении машины.

На фиг. 6 приводится магнитопровод статора и одновитковая схема рабочей обмотки выходного напряжения.

На фиг. 7 показан индуктор генератора.

На продольном разрезе (фиг. 1) представлена конструктивная схема предлагаемого устройства, содержащего корпус генератора 1, съемные боковые щиты корпуса 2, вентиляционные прорези в щитах 3, прокладки регулирования воздушного зазора 4, вал генератора 5, вентилятор охлаждения 6, магнитопровод индуктора 7, путь магнитного потока в индукторе и статоре 8, постоянные магниты индуктора 9, воздушный зазор 10, узел крепления магнитопроводов инжекторов 11, сдвоенный сборно-разборный магнитопровод статора 12, узел крепления магнитопровода статора к корпусу 1 и являющегося его частью 13, воздушная изоляция между магнитопроводами 14, элементы активных аксиальных проводников обмотки выходного напряжения 15, выводные концы обмоток 16, болты крепления статора к корпусу генератора 17, соединительные проводники активных элементов обмотки выходного напряжения, установленные горизонтально 18, узел крепления и разъема сборно-разборного магнитопровода статора 19.

На фиг. 2 изображен магнитопровод статора 12 с обмоткой выходного напряжения 15 и выводными концами 16, пазы для укладки активных элементов обмотки выходного напряжения 20, их горизонтальные соединительные проводники 18 не видны, но их видно на чертеже по малому диаметру статора, где они расположены коаксиально валу 5. Цифрой 21 указаны отверстия для крепления магнитопровода.

На фиг. 3 показан чертеж узла крепления корпуса генератора и магнитопровода статора 13, цифрой 22 указана резьба для болтового крепления к корпусу, а цифрой 23 отверстия крепления с магнитопроводом статора 12.

На фиг. 4 показана электрическая схема последовательного соединения обмотки выходного напряжения, где цифрой 15 обозначены ее активные проводники, 16 выводные концы, соединительные проводники 18.

На фиг. 5 приводится электрическая схема последовательного соединения обмотки выходного напряжения 15 для дополнительного пояснения к фиг. 1. Скрешивание соединительных проводников 18 по малому диаметру магнитопровода показано условно, т.к. в разрезе генератора невозможно полностью изобразить схему, а фактически его не будет. Это видна по фиг. 4. На фиг. 5 под цифрой 7 указаны магнитопроводы, 8 - путь магнитного потока, 9 - постоянные магниты, 12 - магнитопровод статора, цифрой 19 указан узел крепления и разъема двух частей магнитопровода.

На фиг. 6 изображена схема обмотки выходного напряжения 15 совместно с магнитопроводом 12. Как видно, мы имеем дело с тороидальной катушкой, но с той лишь разницей, что она имеет пустотелый сердечник в виде кругового кольца и не круглого сечения, а прямоугольного. Цифрой 24 указан путь магнитного потока в магнитопроводе 12 от обмотки выходного напряжения.

На фиг. 7 изображен индуктор генератора. Цифрой 7 обозначен кольцевой магнитопровод, а 9 - дискретно рассредоточенные постоянные магниты.

Поверхности соединительных проводников 18 (фиг. 5). уложенных горизонтально в пазах 20 под прямым углом к магнитному потоку являются поверхностями равного электрического потенциала, определяемого уравнением:

U(X, Y, Z)=const,

(см. Л.Р.Нейман и П.Л.Калантаров, ТОЭ. ч. 1 ГЭИ, М.Л. 1959 г. стр. 90). Вдоль любой линии на этой поверхности имеем:

Следовательно разность потенциалов любых двух точек на участках А-С и В-G, лежащих на этой поверхности, будет равна нулю. (см. Л.Р.Нейман и П.Л. Калантаров, ТОЭ, ч. 1. ГЭИ. 1959 г., стр. 40). В отличие от поверхности проводников 15 активной части обмотки на участке A-D, которые пересекаются магнитным потоком с разной линейной скоростью в точках А и D, т.е. изменяемым магнитным потоком, поверхности соединительных проводников 18 в точках А и С, а также B-G пересекаются не изменяемым магнитным потоком и при равной линейной скорости в этих точках, т.е. в этих точках не может быть разности потенциалов, а следовательно не будет возникать и ЭДС. Потенциалы в точках А-С и B-G будут равными.

В изотропной, в отношении проводимости, среде линии тока совпадают с линиями напряженности поля, т.к. в любой точке такой среды векторы плотности тока и напряженности электрического поля, связанные соотношением d = UE имеют одно направление. Поэтому в изотропной среде линии тока пересекают поверхности равного потенциала под прямым углом (см. там же стр. 90).

Поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной поверхностью (см. "Справочник по элементарной физике", Наука, 1988 г. , Н.И.Кошкин и М.Г. Ширкевич, стр. 119). Работа электрических сил при перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, перемещение зарядов не будет.

В замкнутом контуре выходной обмотки предлагаемого генератора будет действовать ЭДС, т. к. линейный интеграл напряженности электрического поля вдоль замкнутого контура не будет равен нулю по причине наличия разности потенциалов, причем этот линейный интеграл и равен ЭДС, действующий в контуре.

Разность потенциалов в предложенном устройстве обеспечивается за счет разности линейных скоростей пересечения проводников активной части обмотки, что вызовет изменение потокосцепления, т.к. точки проводников, удаленные от оси ротора будут пересекаться с большей линейной скоростью, нежели точки проводников, находящихся ближе к оси ротора. Встречное направление магнитных потоков в магнитопроводах 12, разделенных воздушным промежутком 14 не имеет отрицательных последствий, т. к. магнитные цепи индуктора разделены. В предложенном устройстве генератора наведение встречной ЭДС исключается, а на выходных зажимах 16 образуется постоянная по величине и однонаправленная ЭДС.

Обмотка статора, образуя тороидальную катушку, имеет не только магнитный поток в теле магнитопроводящего сердечника, но и магнитное поле во внешней среде, которое и будет взаимодействовать с однополосным магнитным потоком индуктора, что подтверждает обратимость генератора (см. рис. 34,4 и 34,6 на стр. 471 и 473, Л. Эллиот и У.Уилкокс, перевод с английского, издание 2, "Физика", издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1967 г.).

Используя правило правой руки, мы убедимся, что направление ЭДС от правостороннего индуктора будет во всех элементах от центральной оси, а от левостороннего индуктора, наоборот, в сторону оси. Это дает возможность создать последовательную цепочку из всех элементов обмотки выходного напряжения. Скрещивание соединительных проводников 18 по малому диаметру магнитопровода показано условно, т.к. в разрезе генератора невозможно полностью изобразить схему, а фактически его не будет. Это видно по фиг. 4.

Магнитное поле, создаваемое одноименнополюсными постоянными магнитами, будет вращающимся, т. к. каждый из них имеет свою ось намагничивания и совершает круговое движение во времени и пространстве, что подтверждается а.с. N 118302 (4).

Устройство фактически состоит их двух, совмещенных в одном изделии генераторов, работающих на одну обмотку выходного напряжения. Постоянный электрический ток образуется без средств коммутации и при отсутствии скользящих контактов, как в выходной цепи, а также и в цепи возбуждения.

Генератор выполнен с однонаправленным магнитным потоком, не изменяемым по величине и по направлению. ЭДС в активных элементах обмотки возникает по закону электромагнитной индукции в трактовке М.Фарадея, т.е. в зависимости от разности скоростей пересечения проводника по его длине магнитным потоком согласно формулы:

Все величины в этой формуле, как магнитная индукция - В, длина проводника - l и скорость - V являются постоянными величинами. Работа встречных одноименных магнитных потоков, магнитопроводы которых разделены воздушным промежутком, в практике применяется и вполне возможна (4).

Предлагаемый генератор может быть изготовлен мощностью до 10 кВт, напряжением до 500 В. Получаемое постоянное напряжение будет тем больше, чем больше последовательно соединенных активных элементов обмотки. Замена подвижных обмоток выходного напряжения на неподвижные с исключением из них множественных контактных колец с щетками токосъема существенно повышает надежность работы устройства, а замене кольцевых катушек возбуждения на постоянные магниты обеспечивает самовозбуждение генератора и создает лучшие условия для увеличения МДС с обеспечением равномерности магнитной индукции. В качестве первичного двигателя может быть использована энергия ветра, воды, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель.

Устройство может быть использовано в промышленности для электросварки, электролиза, зарядки аккумуляторных батарей, питания электродвигателей, для целей электротяги и на другие цели. Изложенные выше примеры не исчерпывают всех случаев применения предлагаемого генератора, а являются лишь иллюстрацией.

Устройство работает следующим образом: при вращении вала 5 генератора постоянные магниты 9 создают ЭДС в рабочей обмотке выходного напряжения. Таким образом, происходит самовозбуждение генератора. С набором оборотов генератор переходит из пускового режима в нормальный рабочий режим.

Предложенное устройство имеет существенное преимущество как перед традиционными коллекторными, а так же и перед униполярными машинами, т.к. не имеет контактов и коллекторных узлов в выходной цепи и в схеме возбуждения. Является простым, более удобным для разборки и сборки. Изменение устройства прототипа согласно принятому техническому решению обеспечивает возможность осуществления изобретения с получением положительного эффекта, а именно: повысить надежность работы генератора за счет устранения скользящих контактов с щетками как из выходной электрической цепи, а так же и из схемы возбуждения и выполнить самовозбуждение генератора. Дополнительным положительным эффектом является улучшение эксплуатации, т.к. не требуются профилактические мероприятия по контролю за щеточно-контактными узлами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Самовозбуждающийся бесколлекторный , содержащий статор с зубчатым магнитопроводом, якорь с обмоткой выходного напряжения, соединенной в последовательную цепочку, и индуктор, отличающийся тем, что обмотка выходного напряжения выполнена неподвижной, а ее активные элементы размещены аксиально в пазах кольцевого магнитопровода статора, выполненного полым, а индуктор выполнен сдвоенным и снабжен обращенными встречно одноименнополюсными постоянными магнитами.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1:

Выполнил: студент гр. ЭТ-21-10

Шоглев Р.Г.

Преподаватель:

Пичугин Ю.П.

Чебоксары 2012

Лабораторная работа №1

«Исследование генератора постоянного тока»

Цель работы: исследование генератора постоянного тока с различными видами возбуждения, снятие и изучение различных характеристик, в частности нагрузочная и характеристика холостого хода.

Необходимые исходные сведения

Устройство и принцип действия

На статоре машин постоянного тока (рис. 6) имеются об­мотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, а так­же обмотка якоря, расположенная на роторе.

В установившемся режиме полюсная система статора созда­ет неизменное по направлению магнитное поле, которое прони­зывает якорь. При вращении якоря в этом поле в его проводни­ках наводится переменная ЭДС. Специальное устройство - кол­лектор и щетки, которые можно рассматривать как механиче­ский выпрямитель, позволяет получить на выводах обмотки яко­ря практически постоянную во времени ЭДС.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Генераторы с независимым возбуждением

Если независимая обмотка возбуждения L1G (см. рис.1) по­лучает питание от стороннего источника постоянного тока, воз­буждение называется независимым. Обычно у крупных генера­торов таким источником служит вспомогательный генератор небольшой мощности, называемый возбудителем.

В учебной лаборатории независимая обмотка возбуждения питается от внутренней сети постоянного тока.

Генераторы с параллельным возбуждением

Обмотку возбуждения L1G можно питать от выводов об­мотки якоря самого генератора (см. рис. 2). В этом случае отпа­дает надобность в дополнительном источнике постоянного тока, что является существенным преимуществом генератора с парал­лельным возбуждением. Недостатком параллельного возбужде­ния является значительное уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки генератора.

Генераторы со смешанным возбуждением

Генераторы со смешанным возбуждением снабжаются дву­мя обмотками возбуждения: параллельной L1G и последова­тельной L2G (см. рис.З).

Применение последовательной обмотки, МДС которой про­порциональна току нагрузки, обеспечивает автоматическое уве­личение потока возбуждения с ростом нагрузки и позволяет поддерживать достаточно стабильное напряжение при измене­нии тока нагрузки в широких пределах.

Самовозбуждение генераторов

В генераторах с параллельным, последовательным и сме­шанным возбуждениями источником питания обмоток возбуж­дения является якорь самой машины (см. рис. 2, 3).

Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора с парал­лельным возбуждением на холостом ходу. Магнитная система машины, будучи однажды намагниченной, сохраняет неболь­шой поток остаточного магнетизма. При вращении якоря в поле остаточного магнетизма в его обмотке возникает ЭДС Е ост, ко­торая создает в обмотке возбуждения первоначальный ток. Этот ток усиливает магнитное поле машины, вследствие чего напря­жение на зажимах якоря и обмотке возбуждения возрастает, что приводит к увеличению тока возбуждения и т.д. Таким образом, процесс самовозбуждения есть одновременное нарастание на­пряжения на выводах обмотки якоря и тока возбуждения гене­ратора. Пренебрегая сопротивлением якоря, можно считать, что ЭДС в обмотке якоря уравновешивается ЭДС самоиндукции и падением напряжения на активном сопротивлении обмотки воз­буждения:

где e о - мгновенное значение ЭДС в обмотке якоря; i в - мгно­венное значение тока в обмотке возбуждения; R B , L B – активное сопротивление и коэффициент самоиндукции обмотки возбуж­дения.

Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки возбуждения и R в = i B R B с ростом тока i в растет линейно и изобра­жается (см. рис. 4) прямой ОА. Зависимость e 0 =f(i в) представля­ет собой характеристику холостого хода генератора.

При значении тока возбуждения, равного i в (рис. 5), произ­водная

Это означает, что ток i в увеличивается во время переходного про­цесса при самовозбуж­дении. В точке А пере­сечения характеристики холостого хода и пря­мой ОА , ток i в в этой точке перестает нарастать (i в =const ) и процесс самовозбужде­ния заканчивается.

Процесс самовоз­буждения ( ) возможен при выполнении следующих ус­ловий:

а) в машине должен быть поток остаточного магнетизма. При отсутствии остаточного магнетизма магнитную систему машины следует намагнитить, пропустив постоянный ток по обмотке возбуждения от постороннего источника;

б) направления потока остаточного магнетизма и потока возбу­ждения должны быть одинаковыми. Если ток в обмотке возбуж­дения создает магнитный поток, направленный встречно оста­точному, то генератор не возбуждается, нужно изменить на­правление тока в обмотке возбуждения, изменив полярность присоединения ее зажимов к обмотке якоря;

в) сопротивление в цепи возбуждения должно быть меньше критического. Крити­ческому сопротивления цепи обмотки возбуждения соответст­вует зависимость и R в = i B R B .КР представляющая собой касатель­ную О В к характеристике холостого хода.

Реакция якоря

Магнитное поле в машине постоянного тока создается при холостом ходе только обмоткой возбуждения (рис. 6, а). При вращении ротора по направлению стрелки в проводниках об­мотки якоря наводится ЭДС (на рис. 6, а направления ЭДС по­казаны знаками «+» и « ».

При нагрузке по обмотке якоря протекает ток. В проводни­ках обмотки якоря генератора направление тока совпадает с на­правлением ЭДС. Такое распределение тока в проводниках об­мотки якоря имеет место, когда щетки располагаются на гео­метрической нейтрали (их расположение совпадает с попереч­ной осью q). В результате возникает поле якоря. Воздействие МДС обмотки якоря на поле машины, созданное обмоткой воз­буждения, называется реакцией якоря. Пояснить, как изменяется поле машины в результате этого воздействия, мы можем с по­мощью рис.6. Поле машины при ее холостом ходе (рис, 6, а) соз­дается только МДС обмотки возбуждения. Поле якоря (рис. 6, 6) получается в машине при наличии тока только в обмотке якоря. Его поле имеет ось, совпадающую с линией расположения ще­ток. Из сопоставления рис 6,а и 6,б видно, что МДС обмотки возбуждения и обмотки якоря складываются в пределах одной половины полюса и вычитаются в пределах другой половины полюса. Из-за насыщения ферромагнитных участков, располо­женных близко к воздушному зазору (это в основном зубцы ро­тора), увеличение МДС на половине полюса не приводит к про­порциональному увеличению индукции в воздушном зазоре. В то же время на другой половине полюса, где МДС меньше, на­сыщение отсутствует. Магнитная индукция здесь уменьшается практически пропорционально уменьшению МДС. В результате при нагрузке магнитный поток Ф уменьшается. Таким образом, поперечная реакция якоря является размагничивающей.