Drukuj

Każda maszyna elektryczna pracująca jako prądnica musi mieć w obwodzie wzbudzenia opornik, nazywany nastawnikiem wzbudzenia , przeznaczony do nastawiania prądu wzbudzenia. Ponieważ regulator wzbudzenia przez zmianę prądu wzbudzenia umożliwia zmianę napięcia, często nazywany jest też nastawnikiem napięcia. Jeden zacisk nastawnika, zacisk q, jest nazywany zaciskiem przeciwiskrowym i służy do rozładowania energii pola magnetycznego uzwojenia bocznikowego, o dużej liczbie zwojów. Prąd wzbudzenia w uzwojeniach bocznikowych i obcych powinien być wyłączany przez nastawnik wzbudzenia, który ogranicza stopniowo wartość tego prądu.

Gwałtowna zmiana prądu spowodowana rozwarciem styków wy-łącznika wywołuje w uzwojeniu charakteryzującym się dużą indukcyjnością, siłę elektromotoryczną samoindukcji o znacznej wartości, która może spowodować uszkodzenie izolacji maszyny.

Z wzoru wynika, że jest ona funkcją dwóch zmiennych, to jest prędkości kątowej wirnika to oraz strumienia magnetycznego Zmieniając prędkość kątową i utrzymując stałą wartość strumienia, można wyznaczyć charakterystykę E = f(co). Do wyznaczenia takiej charakterystyki należy za pomocą nastawnika wzbudzenia nastawić dowolną wartość prądu wzbudzenia, a następnie za pomocą silnika napędowego zmieniać prędkość wirowania. Odczytując wartość napięcia U równą E wykreśla się charakterystykę. Próbę można powtórzyć przy różnych wartościach prądu wzbudzenia, należy jednak pamiętać, że przy mniejszych wartościach prądu wzbudzenia otrzymuje się mniejszą siłę elektromotoryczną. Charakterystyka E = f(co) przy $ = const jest linią prostą. Tę własność prądnicy obcowzbudnej wykorzystuje się przy pomiarach prędkości obrotowej. Prądnica obcowzbudna jest wtedy wykorzystywana jako przetwornik prędkości obrotowej w sygnał elektryczny proporcjonalny do prędkości obrotowej.

W zastosowaniach przemysłowych prądnic prądu stałego zwykle utrzymuje się stałą wartość prędkości obrotowej n, natomiast siłę elektromotoryczną nastawia się przez zmianę prądu wzbudzenia.

Zależność indukowanej w uzwojeniu twornika siły elektromotorycznej od prądu wzbudzenia, przy stałej prędkości obrotowej wirnika, określa charakterystyka biegu jałowego nazywana również charakterystyką magnesowania. Charakterystykę biegu jałowego wyznacza się również przy otwartym obwodzie twornika. Utrzymując stałą prędkość obrotową, prąd wzbudzenia zwiększa się od zera do wartości, przy której napięcie na zaciskach twornika osiąga wartość około 1,3 napięcia znamionowego, a następnie zmniejsza wartość prądu do zera. Rejestrując wartość napięcia, równą sile elektromotorycznej, odpowiadającą poszczególnym wartościom prądu wzbudzenia otrzymuje się charakterystykę. Próbę można powtórzyć przy innych wartościach prędkości obrotowej, przy czym mniejszym prędkościom odpowiadają mniejsze wartości indukowanych sił elektromotorycznych. Siedząc charakterystykę biegu jałowego widać, że indukowana w tworniku siła elektromotoryczna jest liniową funkcją prądu wzbudzenia tylko przy małych jego wartościach. Przy wzrastających wartościach prądu wzbudzenia następuje wyraźne zakrzywianie się charakterystyki spowodowane nasycaniem się obwodu magnetycznego maszyny. Po zmniejszeniu prądu wzbudzenia do zera, czyli po tzw. od wzbudzeniu prądnicy, na zaciskach twornika utrzymuje się napięcie o wartości dochodzącej do 10% napięcia znamionowego maszyny. Napięcie to nazywane siłą elektromotoryczną szczątkową Esz pochodzi od magnetyzmu szczątkowego magnetycznego obwodu maszyny. Maszyna nie użytkowana przez dłuższy czas traci magnetyzm szczątkowy. Istnienie siły elektromotorycznej pochodzącej od magnetyzmu szczątkowego warunkuje działanie prądnicy samo-wzbudnej.

Po nadaniu prądnicy prędkości obrotowej znamionowej i po wzbudzeniu jej do napięcia znamionowego, można prądnicę obciążać. W celu obciążenia prądnicy należy zamknąć wyłącznik w obwodzie twornika oraz zmniejszać stopniowo rezystancję odbiornika R0. Malejącej wartości rezystancji odbiornika odpowiada wzrost prądu obciążenia I.

 

Jeśli przy zwiększaniu obciążenia prądnicy nie zmieniać wartości prądu wzbudzenia można zaobserwować stopniowe zmniejszanie się napięcia U. Prąd, przy którym napięcie maleje do zera jest bardzo duży i nazywa się prądem zwarcia (Iz). Zależność napięcia prądnicy od prądu obciążenia przy stałej wartości prądu wzbudzenia i stałej prędkości obrotowej nazywa się charakterystyką zewnętrzną prądnicy . W przypadku prądnicy obcowzbudnej, w której przyjmuje się, że napięcie zasilające obwód wzbudzenia pozostaje stałe, utrzymanie stałej wartości prądu wzbudzenia sprowadza się do utrzymania stałego położenia nastawnika wzbudzenia. Tak więc dla utrzymania stałej wartości prądu wzbudzenia rezystancja obwodu wzbudzenia nie może się zmieniać, czyli Rw' — const.

Zmniejszenie się napięcia przy wzroście obciążenia prądnicy obcowzbudnej, mimo utrzymywania stałej wartości prądu wzbudzenia, spowodowane jest wzrastającym spadkiem napięcia w Obwodzie twornika prądnicy oraz narastającym wraz z prądem obciążenia oddziaływaniem pola twornika. Oba te zjawiska można opisać wzorami.

W maszynach prądu stałego, strumień wywołany przez oddziaływanie twornika ma charakter osłabiający, dlatego przy wzroście prądu twornika strumień wypadkowy (główny) maleje, a tym samym maleje indukowana przez niego siła elektromotoryczna E.

Przy wzrastającym prądzie twornika maleje indukowana siła elektromotoryczna, a jednocześnie wzrastają spadki napięć, dlatego napięcie na zaciskach prądnicy maleje. Zmniejszenie napięcia w stosunku do napięcia na biegu jałowym, jest w zakresie prądu znamionowego stosunkowo nieznaczne. Uważa się to jako zaletę prądnicy obcowzbudnej. Przy zwarciu prądnicy, czyli przy R0 = 0, siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu twornika kompensuje tylko spadek napięcia w obwodzie twornika. Ponieważ rezystancja obwodu twornika jest względnie mała, prąd zwarcia prądnicy obcowzbudnej jest duży. Duża wartość prądu zwarcia jest wadą prądnicy obcowzbudnej. W niektórych prądnicach dużych mocy mogą być zastosowane uzwojenia kompensacyjne. Jeśli uzwojenie kompensacyjne jest tak dobrane, że całkowicie kompensuje oddziaływanie twornika, charakterystyka zewnętrzna przebiega wzdłuż prostej spadku napięcia na rezystancjach obwodu twornika.

Dla prądnic prądu stałego, szczególnie obcowzbudnych, wyznacza się jeszcze charakterystykę wewnętrzną obciążenia, jest to zależność napięcia na zaciskach maszyny od prądu wzbudzenia przy stałej wartości prądu obciążenia (I = const) oraz stałej wartości prędkości obrotowej. Charakterystykę obciążenia otrzymuje się graficznie z charakterystyki magnesowania po uwzględnieniu spadków napięcia oraz oddziaływania twornika. Efekt oddziaływania twornika uwzględnia się po określeniu wartości prądu wzbudzenia niezbędnego dla skompensowania oddziaływania twornika. Dla wyznaczenia wartości prądu wzbudzenia kompensującego oddziaływanie twornika buduje się trójkąt charakterystyczny nazywany też trójkątem zwarcia.

Charakterystykę wewnętrzną obciążenia prądnicy otrzymuje się odejmując od charakterystyki magnesowania spadek napięcia oraz oddziaływanie twornika reprezentowane przez boki trójkąta charakterystycznego .