ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НЕЗАВИСИМОГО И ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы.Исследование рабочих свойств генераторов постоянного тока путем снятия опытных характеристик.

 

Задачи работы:

- изучить схему для экспериментального исследования генератора постоянного тока (в дальнейшем изложения ГПТ), состав и назначение модулей, используемых в работе.

- в лаборатории собрать схему для каждого опыта и провести пробное включение.

- снять внешнюю характеристику ГПТ параллельного возбуждения (с самовозбуждением) U_Я = f (I_я) при регулировочном сопротивлении в цепи возбуждения r_РГ = 0.

- снять характеристику короткого хода ГПТ независимо возбуждения     U_Я  = f (i_В) при I_Я = 0 и n = const.

- снять характеристику короткого замыкания ГПТ независимого возбуждения I_Я = f (i_Я) при U_Я = 0 и n = const.

- снять внешнюю характеристику ГПТ независимого возбуждения U_Я = f (i_Я) при i_Я = const.

- снять регулировочную характеристику ГПТ незаменимого возбуждения i_В = f (i_Я) при U_Я = const.

- обработать результаты экспериментов и составить отчет по работе.

 

Подготовка к работе:

1. Пройти инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.

2. Ознакомиться с описанием работы.

3. Выполнить практическую часть лабораторной работы: изучить имеющееся оборудование, собрать схему, провести необходимые исследования.

 

Приборы и принадлежности: модуль питания стенда (МПС), модуль питания (МП), модуль добавочных сопротивления № 1 (МДС1), модуль добавочных сопротивления № 2 (МДС2), силовой модуль (СМ), модуль измерительный (МИ).

Примечание: генератор постоянного тока (М2) входит в состав электромашинного агрегата, включающего в себя асинхронную машину переменного тока (М1), а также импульсный датчик частоты вращения (М3).

 

Краткие теоретические сведения

Генератор постоянного тока – электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Принцип действия генераторов тока

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции – индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

 

Рисунок 1 – В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит.

 

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

 и

где е₁ и е₂ – мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

В – магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

l – длина каждой из активных сторон контура в метрах;

v – линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду;

t – время в секундах;

ωt и ωt + π – углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна е = 2∙В∙l∙v∙sinωt, то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Характеристики генератора показывают его рабочие свойства. Они представляют собой зависимости между основными величинами – э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в якоре I_я, ток возбуждения I_в и число оборотов якоря n.

Каждая из характеристик показывает зависимость между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянном числе оборотов якоря, так как при изменении скорости вращения значительно изменяются все характеристики генератора, а нормально большинство генераторов работает при постоянной скорости.

Характеристика холостого хода генератора показывает зависимость между э. д. с. в якоре и током возбуждения Е = f (I_в), снятую при отсутствии нагрузки (I_н = 0) и постоянном числе оборотов (n = соnst).

Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю (I_я = 0). Так как э. д. с., индуктированная в обмотке якоря, равна Е = С∙n∙Φ, то при постоянной скорости вращения э. д. с. окажется прямо пропорциональной магнитному потоку. Поэтому в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет собой магнитную характеристику машины.

Рисунок 2 – Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения: а – при изменении направления тока в обмотке возбуждения,

б – при изменении скорости вращения якоря.

 

При I_в = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет некоторый остаточный магнитный поток Φ_ост, который индуктирует в обмотке якоря э. д. с. В_ост (рис. 2, а). Эта э. д. с. составляет несколько процентов (2–5 %) от номинального напряжения машины. С увеличением тока в обмотке возбуждения возрастает как магнитный поток, так и э. д. с., индуктированная в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постепенном увеличении I_в увеличивается и э. д. с. (кривая 1). Если после снятия восходящей ветви этой зависимости до точки А начать постепенно уменьшать ток возбуждения I_в, то э. д. с. также уменьшится, но под действием остаточного намагничивания стали нисходящая ветвь (кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики. Изменяя I_в не только по величине, но и по направлению, можно определить весь цикл перемагничивания стали машины.

Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют часто незначительное расхождение и за основную характеристику можно принять среднюю зависимость (кривая 3).

На рис. 2, б показаны характеристики холостого хода, снятые при различных скоростях вращения якоря генератора.

Кривая 1 соответствует вращению якоря машины с номинальной скоростью n_я, указанной в паспорте генератора. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится на перегибе магнитной характеристики, что соответствует наиболее удачным рабочим и регулировочным свойствам генератора.

Выбор точки номинального напряжения на линейном ненасыщенном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения на зажимах генератора при изменениях нагрузки, так как незначительные приращения намагничивающей силы вызывают резкие изменения э. д. с. Выбор этой точки на насыщенном пологом участке магнитной характеристики приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах генератора, так как для изменения э. д. с. требуются очень большие изменения тока возбуждения.
При изменении скорости вращения якоря генератора изменит свое положение характеристика холостого хода, так как э. д. с. пропорциональна скорости. При n′ > n_н характеристика холостого хода пойдет выше (кривая 2), а при n″ < n_н – ниже (кривая 3), чем при номинальной скорости.

Следовательно, при изменении скорости вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В), либо на пологом (точка С) участке магнитной характеристики, что вызовет изменение всех характеристик генератора. Поэтому скорость первичного двигателя для вращения якоря генератора надо выбрать так, чтобы она была близкой к номинальной скорости генератора.

Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе ток в якоре равен току возбуждения (I_я = I_в). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машин при холостом ходе будет примерно равным э. д. с. и характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения. Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного возбуждения снять нельзя, так как при изменении направления тока в обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно потоку остаточного магнетизма и самовозбуждение генератора окажется невозможным.

Для генератора последовательного возбуждения характеристика холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть снята только по схеме независимого возбуждения. Для этого обмотка возбуждения генератор, а должна быть включена в сеть какого-либо независимого источника тока.

Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного возбуждения.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора оттока нагрузки:

U = f (I)

Эта характеристика соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения r_в постоянно), и снимается при неизменном числе оборотов.

Для генераторов независимого возбуждения при постоянном r_в неизменен также и ток возбуждения I_в. Внешние характеристики такого генератора показаны на рис. 3.

Рисунок 3 – Внешние характеристики генератора

независимого возбуждения

Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику, снятую на понижение напряжения. Для снятия этой характеристики устанавливается такой ток в обмотке возбуждения (I_В), чтобы при холостом ходе генератора (I = 0) напряжение на его зажимах было равно номинальному (U_В). Затем нагрузка генератора увеличивается при неизменном токе в обмотке возбуждения. С увеличением нагрузки (тока в якоре генератора I_Я) увеличивается как падение напряжения в сопротивлении его обмотки, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает понижение напряжения. При изменении нагрузки от нуля до номинальной напряжение на зажимах генератора уменьшится на величину ΔU_ПН.

При снятии характеристики на повышение напряжения (кривая 2) устанавливается такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора (I = I_Н) напряжение на его зажимах было равно номинальному (U_Н), после чего нагрузка генератора уменьшается.

При уменьшении нагрузки (тока в якоре) также уменьшается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает повышение напряжения. При изменении нагрузки от I_н до 0 напряжение на зажимах генератора увеличится на величину ΔU_nв. За счет насыщения стали повышение напряжения будет меньше, чем понижение (ΔU_nв < ΔU_nн), так как размагничивающее действие реакции якоря будет сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали машины.

В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения r_в ток возбуждения не остается постоянным, так как он зависит от напряжения на зажимах генератора, которое при изменении нагрузки меняется. Если в генераторах независимого возбуждения увеличение нагрузки вызывает понижение напряжения за счет падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 1 на рис. 4), то в генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также уменьшается ток возбуждения, что вызывает уменьшение магнитного потока и понижение напряжения. Следовательно, при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора этого типа уменьшается в большей мере (кривая 2), чем в генераторах независимого возбуждения.

 

Рисунок 4 – Внешняя характеристика генератора

параллельного возбуждения

 

Уменьшение сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения I_макс, не превышающего номинальный ток более чем в 2–2,5 раза. При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального (I_к < I_н). Уменьшение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то э. д. с. уменьшается в большей степени, чем сопротивление нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.

При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток I_в равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного потока. Поэтому в обмотке якоря будет э. д. с. только от остаточного магнитного потока Е_ост, имеющая малое значение, и, следовательно, ток короткого замыкания I_к будет также мал.

Несмотря на малое значение установившегося тока короткого замыкания, нельзя сказать, что для генератора этого типа режим короткого замыкания не представляет опасности.

При внезапном коротком замыкании такого генератора ток в обмотке возбуждения мгновенно уменьшиться до нуля не может, так же как и магнитный поток. Поэтому в обмотке якоря в момент короткого замыкания индуктируется большая э. д. с. и протекает ток во много раз больше номинального, вследствие чего создается интенсивное искрение под щетками, переходящее в круговой огонь, разрушающий коллектор, и машина может быть выведена из строя.

Внешняя характеристика на повышение напряжения у генератора параллельного возбуждения (кривая 3) имеет такой же вид, как у генератора независимого возбуждения.

Для генератора последовательного возбуждения внешняя характеристика показана на рис. 5. В генераторах этого типа ток возбуждения равен току якоря (I_в = I_я) и при холостом ходе (I_я = 0) в обмотке якоря создается э. д. с. за счет остаточного магнетизма E_ост. С увеличением нагрузки также увеличится ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение э. д. с. (кривая 1). Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше э. д. с. вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции якоря (кривая 2).

Рисунок 5 – Внешняя характеристика генератора последовательного

возбуждения

 

Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения, напряжение резко меняется с изменением нагрузки поэтому они не нашли широкого применения.

В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и встречное включение последовательной и параллельной обмоток.

При согласном включении обмоток возбуждения результирующая намагничивающая сила, создающая магнитный поток, равна сумме намагничивающих сил параллельной и последовательной обмоток, а при встречном включении – разности этих намагничивающих сил.

На рис. 6 показаны внешние характеристики генераторов смешанного возбуждения.

Рисунок 6 – Внешние характеристики генератора смешанного

возбуждения: 1 – при нормальном возбуждении, 2 – при недовозбуждении,

3 – при перевозбуждении, 4 – при встречном включении

обмоток возбуждения.

Увеличение нагрузки такого генератора вызывает уменьшение напряжения на его зажимах за счет падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря. Однако с увеличением нагрузки увеличивается также ток в последовательной обмотке возбуждения. Поэтому при согласном включении обмоток с увеличением нагрузки увеличивается магнитный поток и э. д. с. обмотки якоря. Если э. д. с. с увеличением нагрузки возрастает на величину, равную понижению напряжения генератора за счет падения напряжения в его сопротивлении и реакции якоря, то результирующее напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (кривой 1). Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует изменения тока возбуждения при изменениях нагрузки. При уменьшении числа витков последовательной обмотки э. д. с. с возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени и не будет компенсировать понижения напряжения, так что напряжение на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2), т. е. генератор недовозбужден. Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше, чем-то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то генератор окажется перевозбужденным и напряжение на его зажимах повысится с увеличением нагрузки (кривая3).

 

Порядок выполнения работы

1. Изучить схему, представленную на рисунке 7.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость U_Я = f (I_Я) при r_РГ = 0 и n = const и снимается на положении напряжения. Схема для снятия характеристики приведена на рисунке 7.

 

 

Рисунок 7 – Схема для снятия внешней характеристики ГПТ

 параллельного возбуждения

 

В качестве приводного двигателя используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором М1, записываемый трехфазным напряжением 3х380 В.

Якорная цепь генератора постоянного тока подключается к регулируемым сопротивлением МДС1. Обмотка возбуждения LM включается параллельно якорной цепи.

Для контроля тока статора I_С приводного двигателя, тока нагрузки I_Я и напряжения генератора U_Я используются стрелочные приборы модуля измерительного ~A, =A, =V.

Собрать схему и предоставить ее для проверки преподавателю.

2. Установите переключатель SA1 МДС1 в положение «∞». Включите автоматы QF1 и QF2 модулей питания. Генератор приводится во вращение при отключенной нагрузке. Контролируйте напряжение на зажимах генератора. Если напряжение U_Я отсутствует, то это означает, что магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения, направлен навстречу потоку остаточной индукции и следует поменять полярность обмотки возбуждения машины постоянного тока при отключении автоматов QF1 и QF2. Напряжение генератора при нагрузке I_нагр = I_Я = 0. Измеренные показания приборов занесите в таблицу 1.

3. После снятия точки холостого хода переключателем SA1 модуля МДС1 изменяйте сопротивления в сторону уменьшения, увеличивая ток нагрузки. Изменяйте ток нагрузки до 1,5 А, и данные опыта занесите в таблицу 1.

Примечание: не переводить SA1 в положение «0»!

 

 

Таблица 1 – Результаты измерений

 

UЯ, B
IЯ, A
IС, A

 

После проведения опыта установить все переключения модуле в исходное положение.

4. Изучить схему, представленную на рисунке 8.

Характеристика холостого хода ГПТ независимого возбуждения представляет собой зависимость E_Я = f (i_B), I_Я = 0, n = const. Схема для снятия характеристики холостого хода ГПТ независимого возбуждения представлена на рисунке 8.

 

Рисунок 8 – Схема для снятия характеристик ГПТ

независимого возбуждения

 

В качестве приводного двигателя выступает асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором М1, запитываемый трехфазным напряжением 3х380 В. Обмотка возбуждения машины постоянного тока включается через последовательно соединенные сопротивления RP1 и RP2 модуля МДС2 к «=220». У модуля МП в якорную цепь двигателя постоянного тока вводятся сопротивления МДС1.

Собрать схему и предоставить её для проверки преподавателю.

5. При включенных автоматах QF1, QF2 установите все модули в начальное состояние:

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»

- переключатель SA2 модуля МДС2 устанавливается в положение «0»

6. Включите автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП. Когда генератор постоянного тока приводится во вращение, при i_В = 0 измерьте напряжение от потока остаточной индукции. Данные занести в таблицу 2;

7. Переключатель SA1 модуля МДС2 выведите в положение «0». Переключателем SA2 модуля МДС2 изменяйте ток возбуждения. Данные опыта занести в таблицу 2.

 

Таблица 2 – Результаты измерений

 

iВ, A
UЯ, B

 

После проведения опыта установите все переключатели модулей в исходное положение, отключите автоматы QF2, QF1.

8. Рассчитайте данные:

ток возбуждения генератора, А.

9. По данным опыта постройте характеристику холостого хода и определите степень насыщения магнитной цепи ГПТ при номинальной ЭДС:

E_ЯН =U_н + I_ЯН ∙ r_{Я ,}

где U_н – номинальное напряжение;

 r_Я – сопротивление цепи якоря (Приложение Б).

Коэффициент насыщения К_µ определяется отношение отрезков АС к АВ (рис.3):

где АС – МДС всей магнитной цепи,

АВ – МДС воздушного зазора.

 

Рисунок 9 – Характеристика холостого хода ГПТНВ

 

При К_µ ˂ 1,2 магнитная цепь слабо насыщена, при К_µ=1,2…1,35 – умеренно насыщена и при К_µ˃1,35 – сильно насыщена.

10. Снимите характеристику короткого замыкания ГПТ независимого возбуждения. Она представляет собой зависимость I_Я = f (i_В) при U_Я = 0 и n = const и снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко.

11. Установите модули в исходное состояние:

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»;

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»;

- переключатель SA2 модуля МДС2 устанавливается в положение «1100».

12. Включите автоматы QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно, запустится приводной двигатель. При i_В = 0 снимите значение I_Я (из-за наличия остаточного магнитного потока ток якоря может быть отличен от нуля), данную точку занести в табл.3.

13. Переключателями SA1 и SA2 модуля МДС1 увеличивайте ток возбуждения до тех пор, пока I_В не станет равен I_Н (I_В = I_Н). Полученные данные занести в таблицу 3.

 

Таблица 3 – Результаты измерений

 

iВ, A
IЯ, A

 

После проведения опыта установите все переключатели моделей в исходное положение, отключить автоматы QF2, QF1.

14. Снимите внешнюю характеристику ГПТ независимого возбуждения. Эта характеристика U_Я = f (I_Я) снимается на понижение напряжения при постоянном токе возбуждения i_В = const.

Чтобы сравнить внешние характеристики ГПТ параллельного и независимого возбуждения нужно, чтобы они выходили из одной точки, т.е. при I_Я = 0 напряжение U_Я были одинаковыми.

15. Установите модули в исходное состояние:

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»;

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»;

- переключатель SA2 модуля МДС2 устанавливается в положение «1100».

16. Включите автоматические выключатели QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно. Переключателями SA1 и SA2 модулями МДС2 установить такой ток возбуждения, при котором U_Я было бы равно напряжению генератора параллельного возбуждения при I_Я = 0 (табл. 1) и этот ток возбуждения поддерживать постоянным.

17. Изменяя переключателем SA1 модуля МДС1 сопротивление, увеличивать ток нагрузки или ток генератора до I_Я = 1,3А. Данные опыта занесите в таблицу 4.

Примечание: SA1 не выводить в положение «0»!

 

 

Таблица 4 – Результаты измерений

 

IЯ, A								iВ=
UЯ, B

 

После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное состояние, отключить автоматы QF1, QF2.

18. Снимите регулировочную характеристику ГПТ независимого возбуждения. Эта характеристика представляет собой зависимость i_В = f (I_Я) при                U_Я = const и n = const.

19. Привести модули в исходное состояние:

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»;

- переключатель SA1 модуля МДС1 устанавливается в положение «∞»;

- переключатель SA2 модуля МДС2 устанавливается в положение «1100».

20. Включить автоматические выключатели QF1 и QF2 модулей МПС и МП соответственно. Переключателями SA1 и SA2 модулями МДС2 установить U_Я, которое было при номинальном токе I_ЯН при снятии внешней характеристики (табл.4). Эту точку заносите в таблицу 5.

21. Изменяя положение переключателя SA1 модуля МДС1 от положения «∞» в сторону уменьшения, увеличивают ток якоря, при этом напряжение генератора должно быть постоянным. Это достигается увеличением тока возбуждения. Данные опыта заносятся в табл. 5.

Примечание: SA1 модуля добавочных сопротивлений № 2 не выводить в положение «0»!

Таблица 5 – Результаты измерений

 

IЯ, A								UЯ =
iВ, A

 

После проведения опыта установить все переключатели модулей в исходное положение, отключит автоматы QF2, QF1.

 

Контрольные вопросы

1. При каких условиях происходит самовозбуждение ГПТ параллельного возбуждения?

2. Почему внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения более мягкая, т.е. напряжение на зажимах генератора значительно уменьшается с нагрузкой по сравнению с генератором независимого возбуждения?

3. Определить коэффициент насыщения магнитной системы ГПТ при напряжении, которое соответствует номинальному току генератора независимого возбуждения.

 

 

Лабораторная работа № 3

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 3237; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!