Что такое возбуждение и система возбуждения

В электротехнике возбуждение — способ создания магнитного поля в электрической машине с помощью электрического тока, проходящего через обмотку катушки.

Возбуждение — это процесс создания магнитного поля из электрического тока, который используется в электрических машинах  (генераторах или двигателях), ротор которых вращается в магнитном поле.

Это магнитное поле может исходить от постоянного магнита или катушек возбуждения. В случае электрической машины с катушками возбуждения ток должен течь к катушке для создания магнитного поля, чтобы катушки возбуждения могли действовать как «магнит», как в случае электрической машины с постоянным магнитом. Устройство, в котором происходит возбуждение, называется возбудителем.

Изменяя возбуждение (то есть изменяя ток, проходящий через катушку), можно изменять размер магнитного поля и, таким образом, можно регулировать обороты или постоянную мощность электрической машины. Если магнитное поле в двигателе создается постоянными магнитами, такое регулирование невозможно. Существует также гибридное возбуждение, в котором используются как катушки, так и постоянные магниты.

Система, которая используется для подачи необходимого тока на обмотку ротора синхронной машины, называется системой возбуждения. Другими словами, система возбуждения определяется как система, которая используется для создания потока путем пропускания тока в обмотке возбуждения.

Основным требованием к системе возбуждения является надежность при любых условиях эксплуатации, простота управления, простота обслуживания, стабильность и быстрая переходная характеристика.

Типы системы возбуждения генераторов

Система возбуждения представляет собой единый блок, в котором каждый генератор переменного тока имеет свой возбудитель. Централизованная система возбуждения имеет два или более возбудителей, питающих шину. Централизованная система очень дешева, но сбой в системе негативно влияет на генераторы переменного тока на электростанции.

Требуемая величина возбуждения зависит от тока нагрузки, коэффициента нагрузки и скорости электрической машины. Большее возбуждение требуется в системе, когда ток нагрузки велик, скорость ниже и коэффициент мощности системы становится отстающим.

Системы возбуждения генераторов в основном делятся на три типа:

• Системы возбуждения постоянного тока;
• Системы возбуждения переменного тока;
• Статические системы возбуждения.

Для генератора отслеживают зависимость напряжения от тока возбуждения и изменение напряжения под нагрузкой.

Система возбуждения постоянного тока имеет два возбудителя, основной возбудитель и вспомогательный возбудитель. Выход возбудителя устанавливается автоматическим регулятором напряжения (АРН) для управления выходным напряжением генератора. Вход трансформатора тока в АРН обеспечивает ограничение тока генератора в случае неисправности.

Главный и вспомогательный возбудители могут приводиться в действие либо главным валом, либо двигателем с отдельным приводом.

Возбудители с прямым приводом обычно предпочтительнее, потому что они поддерживают работу единой системы, а возбуждение не возбуждается внешними помехами.

Номинальное напряжение главного возбудителя составляет около 400 В, а его мощность составляет около 0,5 % от мощности генератора.

Система возбуждения переменного тока состоит из генератора переменного тока и тиристорного выпрямителя, непосредственно соединенного с главным валом генератора переменного тока. Основной возбудитель может быть как возбужденным, так и отдельным.

В статической системе питание берется от самого генератора через трехфазный понижающий трансформатор, соединенный по схеме звезда/треугольник. Первичный трансформатор подключен к шине генератора, а их вторичный источник питает выпрямитель, а также подает напряжение питания на цепь управления сетью и другое электрооборудование.

Эта система имеет очень короткое время отклика и обеспечивает отличные динамические характеристики. Эта система снизила эксплуатационные расходы за счет устранения потерь на возбудителе и обслуживания обмотки.

Основные типы машин постоянного тока

Для двигателя важна зависимость крутящего момента и скорости от нагрузки.

При вращении якоря в магнитном поле в обмотке индуцируется напряжение, которое действует против напряжения на клеммах. Ток, подаваемый на двигатель, пропорционален разнице между напряжением на клеммах и индуктивным напряжением. Величина индуцированного напряжения зависит от магнитного потока и скорости вращения двигателя.

Скорость двигателя без нагрузки прямо пропорциональна напряжению на клеммах. Сопротивление якоря мало, поэтому падение напряжения даже под нагрузкой невелико, и указанное выше соотношение для скорости вращения грубо применимо даже к нагруженному двигателю.

Скорость вращения двигателя постоянного тока обратно пропорциональна магнитному потоку. При подаче питания обороты уменьшаются, при обесточивании повышаются.

Когда двигатель работает на холостом ходу, его скорость наибольшая. С нагрузкой скорость вращения двигателя уменьшается. Наведенное напряжение уменьшается, и через двигатель протекает больший ток.

Очевидно, что мощность двигателя автоматически адаптируется к его производительности.

Также можно управлять скоростью вращения двигателя в небольшом диапазоне, изменяя напряжение на щетках сопротивлением в цепи якоря. Однако регулирование неэкономично, так как значительная часть подводимой мощности превращается в тепло в сопротивлении.

Направление вращения зависит как от направления тока в проводниках. При изменении направления тока в проводниках якоря или в обмотке возбуждения изменяется и направление силы, действующей на проводники. Отсюда следует, что направление вращения двигателя постоянного тока изменяется за счет изменения направления тока либо в якоре, либо в обмотке возбуждения.

Путем различных комбинаций возбуждений могут быть достигнуты такие свойства машины постоянного тока.

 

По возбуждению различают:

• Двигатели с внешним возбуждением - обмотка возбуждения основных полюсов подключается к отдельному источнику постоянного тока, к аккумулятору, выпрямителю или возбудителю. Другие машины имеют собственное возбуждение.
• Двигатели с параллельным возбуждением - магниты соединены параллельно с якорем. При постоянном напряжении на клеммах происходит постоянное возбуждение.
• Двигатели с последовательным возбуждением - обмотка возбуждения последовательно с якорем. Ток возбуждения такой же, как ток якоря, а возбуждение пропорционально нагрузке машины.
• Составные машины (комбинированные) - имеют как параллельные, так и последовательные катушки на магнитах. Его свойства аналогичны двигателям, перечисленным в двух предыдущих пунктах, в зависимости от того, какая обмотка возбуждения преобладает.

Упомянутые машины имеют разные характеристики.

У двигателя постоянного тока параллельного возбуждения меньшему наведенному напряжению соответствует меньшая скорость при постоянном возбуждении, но ненамного, так как с нагрузкой возрастает и реакция якоря, что ослабляет магнитный поток и падение почти выравнивается.

Изменение скорости вращения с нагрузкой очень мало.

Такой двигатель поддерживает скорость в широком диапазоне нагрузок. Если пренебречь реакцией якоря, то скоростная характеристика будет линейной.

Скорость двигателя регулируется реостатом в цепи обмотки возбуждения (магнитов). Поскольку ток возбуждения относительно мал, потери энергии в реостате также невелики, и такое регулирование скорости экономично.

Нельзя прерывать возбуждение слабонагруженного двигателя, потому что магнитный поток ослабнет до остаточного потока, скорость опасно увеличится, и двигатель может быть поврежден.

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения не должен работать на холостом ходу, так как ослабление магнитного потока может опасно увеличить скорость и повредить двигатель из-за центробежной силы.

Такой двигатель только там, где он напрямую соединен с нагрузкой либо с помощью фиксированной муфты, либо с помощью редуктора.

Скорость вращения также можно регулировать последовательным сопротивлением и сопротивлением, включенным параллельно обмотке возбуждения.