Согласно закону электромагнитной индукции

,

(4)

где –коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных данных генератора, –скорость вращения, –магнитный поток, следовательно, .

Характеристика холостого хода показывает намагниченность машины и имеет вид кривой намагничивания стали, но с менее резко выраженным насыщением, т.к. на своём пути магнитный поток проходит через воздушный зазор, имеющийся между полюсами и якорем (рис.2.).

Восходящая (при намагничивании) и нисходящая (при размагничивании) кривые из-за явления гистерезиса не совпадают друг с другом. В расчет обычно принимают среднюю кривую.

Рис. 2. Характеристика холостого хода

Внешняя характеристика

Внешней характеристикой называется зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной скорости вращенияn.

В генераторе параллельного возбуждения при увеличении тока нагрузки, ток якоря будет увеличиваться, т.к. , а напряжение на зажимах уменьшаться.

Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока возбуждения, т.к. , что в свою очередь ещё больше уменьшит напряжение. Кроме того, с увеличением тока увеличивается реакция якоря, которая также ведет к снижению напряжения (рис. 5,а)

Чтобы скомпенсировать такое нежелательное падение напряжения в генераторах добавляют ещё одну обмотку возбуждения, включаемую последовательно с нагрузкой. Такой генератор называется генератором смешанного возбуждения (рис. 3)

Через последовательную обмотку возбуждения будет проходить ток нагрузки и при его возрастании поток возбуждения увеличивается, а следовательно, становится больше и ЭДС генератора.

Рис. 3 Схема генератора смешанного возбуждения при согласном включении обмоток возбуждения. – последовательная обмотка возбуждения

Рис.4 Схема генератора смешанного возбуждения при встречном соединении обмоток возбуждения.

Такое соединение обмоток называется согласным.

Можно так рассчитать последовательную обмотку, что увеличение падения напряжения скомпенсируется и величина напряжения на зажимах будет оставаться постоянной или даже немного увеличиваться (рис.5,б)

Если включить последовательную обмотку возбуждения встречно с параллельной (рис.4), то увеличение тока нагрузки приведет к резкому падению напряжения (рис.5, в). Такое встречное (несогласное) включение делают, например, в сварочных генераторах для ограничения тока короткого замыкания.

Рис.5 Внешние характеристики генератора

Регулировочная характеристика

Она даёт зависимость тока возбуждения от нагрузки при постоянстве напряжения на зажимах генератора:

при ; .

Из внешней характеристики генератора видно, что с увеличением тока нагрузки напряжение понижается. Чтобы вновь восстановить прежнее напряжение, необходимо повысить ток возбуждения. Характер этих кривых приведен на рис. 6.

Рис.6 Регулировочные характеристики генератора а – при параллельном возбуждении б – при смешанном возбуждении (согласное соединение обмоток) в – при смешенном возбуждении (встречное соединение обмоток)

ХОД РАБОТЫ

Записать паспортные данные генератора:

Таблица 1.

Тип	Мощность	Ток	Напряжение	Скорость вращения якоря	Заводской номер
	P	I	U	n
	Вт	А	В	об/мин

Собрать схему рис.1.

Снять характеристику холостого хода генератора

Ток возбуждения при помощи регулировочного реостата увеличивать ступенями по от нуля (при разомкнутой цепи возбуждения) до макс., затем уменьшать ступенями до нуля.

Заполнить таблицу 2.

Таблица 2.

№ п/п	,А	,В	,В
		увеличение	уменьшение

Снять внешнюю характеристику генератора параллельного возбуждения , т.е. зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянной скорости вращения якоря и неизменном сопротивлении цепи возбуждения .

На холостом ходе установить номинальное напряжение

С помощью реостатов изменять ток нагрузки.

Последнее измерение произвести при закороченной внешней цепи, т.е.

, при этом .

Заполнить таблицу 3.

Таблица 3.

№
,
,

Снять регулировочную характеристику генератора параллельного возбуждения , т.е. зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при . Напряжение поддерживать при помощи регулятора тока возбуждения.

Заполнить таблицу 4

Таблица 4.

№
,
,

6. Собрать схему генератора смешанного возбуждения при согласном соединении параллельной и последовательной обмоток возбуждения (рис.3)

7. Снять внешнюю характеристику генератора. Ток нагрузки изменять с помощью реостатов.

Заполнить таблицу 5.

Таблица 5.

№ п/п
,
,

8. Снять регулировочную характеристику генератора смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения. Заполнить таблицу 6.

Таблица 6.

№ п/п
,
,

9. Собрать схему генератора смешанного возбуждения при встречном соединении параллельной и последовательной обмотки возбуждения (рис.4)

10. Снять внешнюю характеристику генератора. Ток нагрузки изменять с помощью реостатов.

Заполнить таблицу 7.

Таблица 7.

№ п/п
,
,

11. Снять регулировочную характеристику генератора.

Заполнить таблицу 8.

Таблица 8.

№ п/п
,
,

12. Построить кривую характеристики холостого хода.

13. В одной системе координат построить внешние характеристики.

14. В одной системе координат построить регулировочные характеристики.

15. Сделать выводы по работе.

Лабораторная работа №9

ИСПЫТАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО

ВОЗБУЖДЕНИЯ.

Цель работы: практическое ознакомление с двигателем постоянного тока, аппаратурой защиты и управления, способом пуска, реверса и регулирования скорости вращения, характеристиками и методами испытания двигателя постоянного тока.

Оборудование:

1. Одноякорный преобразователь «двигатель-генератор».

2. Амперметр постоянного тока 1.5А – 2 шт.

3. Реостат 160Ом, 0.2А.

4. Реостат 30Ом, 5А.

5. Вольтметр переменного тока 150В

6. Амперметр переменного тока 2А.

7. Выпрямитель ВСА-110

8. Выпрямитель ВСА-4

9. Школьная модель динамомашины.

Контрольныевопросы

1. Объяснить принцип действия двигателя постоянного тока

2. Чем объяснить возрастание пускового тока по сравнению с номинальным током в двигателях постоянного тока?

3. Как осуществляют пуск двигателя?

4. Как зависит вращающий момент двигателя от тока якоря?

5. Каким путем регулируют скорость вращения двигателя?

6. Каким путем осуществляется реверсирование двигателя?

7. Начертить характеристики двигателя.

8. Определить по паспортным данным двигателя его номинальный вращающий момент.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения нашли широкое применение в разного вида электроприводах благодаря простоте, плавности, значительному диапазону и экономичности регулирования скорости вращения.

Для двигателя справедливо уравнение электрического равновесия:

,

(1)

где – напряжение, приложенное к двигателю (В)

- противоэлектродвижущая сила якоря (В)

- ток в якоре двигателя (А)

- сопротивление обмотки якоря (Ом)

Согласно закону электромагнитной индукции

,

(2)

где - число пар полюсов,

– число пар параллельных ветвей обмотки якоря,

– число проводников обмотки якоря,

– скорость вращения об./ мин,

– магнитный поток возбуждения.

Учитывая, что , а и для конкретной машины величины постоянные и обозначив , можно записать:

(3)

Откуда скорость вращения

(4)

Потеря напряжения в якоре обычно величина небольшая (2-7 % при нормальной нагрузке), поэтому можно считать

Напряжение сети , как правило, является величиной постоянной , следовательно, .

Изменением магнитного потока, т.е. тока возбуждения , который и создает магнитный поток, можно регулировать скорость вращения двигателя.

Вращающий момент, как известно, равен:

(5)

Откуда ясно видно, что вращающий момент машины прямо пропорционален магнитному потоку и току якоря.

Для увеличения пускового момента необходимо иметь большой магнитный поток , для чего двигатель запускают с выведенными сопротивлением регулировочного реостата (рис.4) в цепи возбуждения.

Ток в якоре из (1 )

Пусковой ток якоря при пуске двигателя может оказаться недопустимо большим поскольку при пуске , так как .

Поэтому для ограничения пускового тока в цепи якоря при пуске вводят пусковой реостат и при этом

(6)

По мере увеличения скорости и нарастания противоэлектродвижущей силы – , сопротивление пускового реостата выводят и к концу пуска его закорачивают.

Основными характеристиками двигателя постоянного тока являются механическая и регулировочная.

МЕХАНИЧЕСКАЯХАРАКТЕРИСТИКА.

Механическая характеристика при представляет зависимость скорости вращения от вращающего момента двигателя .

При неизменном токе возбуждения ,магнитный поток двигателя можно считать постоянным. Тогда согласно уравнения (5) , т.е. вращающий момент будет пропорционален току якоря. Отсюда видно, что может быть представлена зависимостью (рис.1).

Согласно уравнению (4), скорость вращения при увеличении нагрузки будет несколько уменьшаться.

Однако, поскольку вычитаемое по отношению уменьшаемому напряжению сети невелико, то и уменьшение скорости будет незначительное.

Рис.1 Механическая характеристика двигателя постоянного тока

РЕГУЛИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Регулировать скорость вращения двигателя, как это видно из формулы (4), можно различными способами: изменением подводимого напряжения , изменением сопротивления цепи якоря (пусковым реостатом) и изменением магнитного потока.

Первый способ требует наличие источника тока с регулируемым напряжением и применяется в исключительных случаях, второй – неэкономичен, поэтому регулировку скорости вращения обычно производят изменением магнитного потока, т. е тока возбуждения , от которого зависит магнитный поток.

Ток возбуждения невелик и составляет всего лишь 2-5 % номинального тока двигателя, поэтому регулировка получается удобной и экономичной.

Кривая зависимости при имеет вид, приведенный на рис 2.

Рис. 2. Регулировочная характеристика двигателя постоянного тока.

Реверсирование двигателя осуществляется изменением направления тока в якоре или в обмотке возбуждения. Для этого необходимо остановить двигатель, произвести переключение, и вновь пустив его, убедиться в изменении направления вращения.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЯ.

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Кпд двигателя равен отношению полезной (механической) мощности к затраченной (электрической) :

.

Так как ,

где –вращающий момент двигателя, Нм;

– скорость вращения, об/мин

,то

Зависимости , , даны на рис. 3.

Рис. 3. Рабочие характеристики двигателя постоянного тока.

ХОД РАБОТЫ.

I. Произвести исследование школьной модели машины постоянного тока. Произвести пуск, регулировку скорости и реверсирование двигателя постоянного тока.Собрать электрическую схему (рис.4).

Рис.4. Электрическая схема

II. Произвести исследование двигателя постоянного тока

1. Произвести осмотр двигателя, обратив внимание на конструкцию магнитопро- вода, выводы обмотки возбуждения, якоря и т.д.

2. Записать паспортные данные двигателя.

3. Собрать электрическую цепь, изображенную на рис 5.

Рис.5. Электрическая схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

4. Снять характеристику холостого хода при .

В режиме холостого хода (ток якоря нагрузочного генератора равен его току возбуждения, цепь нагрузки генератора разомкнута) производят измерения числа оборотов якоря.

Число оборотов измеряют тахометром. Уменьшая с помощью регулировочного реостата ток возбуждения, доводят скорость якоря до номинальной. При этом производят измерение числа оборотов якоря для 7-8 значений тока возбуждения. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица1

, А
,

По данным измерений построить характеристику холостого хода двигателя .

5. Снять внешнюю характеристику при и .

На холостом ходу двигателя устанавливают ток возбуждения, соответствующий номинальной скорости ,и производят измерение тока якоря и числа оборотов. Затем, включив нагрузку генератора, нагружают двигатель, увеличивая его ток якоря от до .

Измерения произвести для 5-6 разных значений и занести в таблицу 2.

Таблица 2.

,А
,

По данным измерений построить внешнюю характеристику двигателя .

6. Снять регулировочную характеристику при .

В режиме холостого хода устанавливается номинальное число оборотов двигателя ; при этом производится первый отсчет тока якоря и тока возбуждения. Затем двигатель нагружают, замкнув ключ в цепи генератора, увеличивают ток якоря от до . При этом поддерживают номинальную скорость вращения якоря регулировкой тока возбуждения двигателя. Измерения производят для 5-6 значений тока якоря (в интервале от до ). Данные измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3.

, А
, А

По данным измерений построить регулировочную характеристику .

Сделать выводы.

Лабораторная работа № 10.

Изучение элементов автоматики, защиты и пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Цель работы: Изучение устройства, принципа действия и включения в цепь реле различных типов и магнитного пускателя.

Оборудование:

1. РНШ.

2. Сигнальная лампа.

3. Реостат 20Ом, 5А.

4. Трансформатор тока 15А, 50А.

5. Миллиамперметр переменного тока 500мА.

6. Модель магнитного пускателя.

7. Вольтметр 150-300-600В.

8. Электроплитка.

9. Магнитный пускатель.

10. Промежуточное реле МКУ-48.

11. Реле максимального тока ЭТ-523/20.

12. Реле времени ЭВ-224.

13. Тепловое реле.

14. Амперметр переменного тока на 5-10 А.

15. Электроплитка.

16. Реостат 30 Ом 5 А.

17. Электрическая лампочка.

18. Ключ.

19. Трансформатор 36/380 В.

Контрольные вопросы.

1. Объяснить устройство и принцип действия реле электромагнитного типа.

2. Объяснить устройство и принцип действия теплового реле.

3. Объяснить устройство и принцип действия реле времени.

4. Чем вызвана необходимость применения реле времени и промежуточного реле в схеме релейной защиты?

5. Почему большой пусковой ток не вызывает отключения двигателя, а сравнительно небольшой ток перегрузки приводит к отключению двигателя?

6. Объяснить работу магнитного пускателя.

7. Объяснить, как управляется магнитный пускатель с помощью кнопочной станции. Как подключается кнопочная станция к магнитному пускателю

8. Назначение блок-контактов.

Теоретические сведения.

Электрические элементы автоматики весьма разнообразны. Широко распространены электромеханические, электромашинные, ферромагнитные, электронные и другие электрические элементы. Действие их основано на использовании взаимосвязей между электрическими, с одной стороны, и механическими, тепловыми, магнитными и другими процессами с другой. Внутри каждой из перечисленных групп велико разнообразие элементов и схем Большое распространение в автоматике нашли реле.

Реле - автоматический аппарат, который служит для автоматического замыкания или размыкания вспомогательных электрических цепей при изменении какого-либо параметра главной силовой цепи.

В данной работе будут рассматриваться только реле электромагнитного типа.

Магнитная цепь аппарата состоит из неподвижной части – сердечника, и подвижной части - якоря. На сердечнике расположена катушка электромагнита, а якорь его тесно связан с подвижными контактами аппарата. Магнитопровод и катушка, составляющие магнитную систему аппарата, могут быть выполнены для работы от источника постоянного или переменного тока.

При подключении катушки к сети якорь реле, преодолев сопротивление пружины, мгновенно притягивается к сердечнику, вследствие чего контакты или замыкаются, или размыкаются. В большинстве случаев подобные реле снабжены большим числом пар контактов, часть из которых может быть нормально замкнутых, а часть нормально разомкнутых.

В тех случаях, когда необходимо размножить сигнал, т. е. произвести одновременное замыкание и размыкание в 5-7, цепях используют промежуточное реле. Это такое же реле, но с большим числом нормально открытых и нормально закрытых контактов.

В схемах автоматического управления нашли широкое применение реле времени, контакты которых могут замыкаться и размыкаться с заданной выдержкой времени Время замедления может достигаться из-за наличия медной гильзы между катушкой и сердечником.

К разновидностям электромагнитных реле для защиты аппаратов относятся реле максимального и минимального тока и напряжения. Данные реле реагируют соответственно на максимальное и минимальное значение тока или напряжения.

Для всех электромагнитных реле характерны параметры: наименьший ток, при котором происходит размыкание (замыкание) контактов реле, он называется током трогания , наибольший ток, при котором контакты реле приходят в исходное положение, называется током возврата .

Величина называется коэффициентом возврата реле.

Для реле напряжения:

Для реле с выдержкой времени основной характеристикой является зависимость времени от величины рабочего тока .

Для дистанционного управления и автоматической защиты асинхронного двигателя применяют магнитный пускатель. Он представляет собой трехполюсный контактор переменного тока , укомплектованный тепловыми реле. Длительная работа электродвигателя допустима с нагрузкой в пределах номинальной мощности, которая указывается на его паспорте.

При работе с нагрузкой двигатель потребляет из сети токи, превышающие его номинальный ток, что может привести к перегреву изоляции и к повреждению двигателя. Кроме перегрузки, опасный для трехфазного двигателя режим наступает при обрыве одного из трех проводов, соединяющих его с источником питания.

Защищаются двигатели от перегрузки и с помощью тепловых реле, которые состоят из биметаллической пластины, сваренной из металлов с различными коэффициентами теплового линейного расширения (например, латунь и инвар). Ток двигателя проходит через нагревательный элемент (нихромовую спираль), расположенный близко от биметаллической пластины. При увеличении тока возрастает количество тепла, выделяемое нагревательным элементом, что приводит к прогреву пластины и ее выгибанию. При достаточном прогибании пластины происходит поворот рычага, с помощью которого разрывается контактная система, то есть разрывается цепь питания катушки контактора.

Для защиты двигателя от перегрузки применяется два тепловых реле, которые встраиваются в контактор. Полученное устройство вместе с кнопкой называется магнитным пускателем.

Для защиты двигателя большей мощности часто применяется релейная защита, собранная из электромагнитных реле максимального типа, промежуточного и времени.

ХОД РАБОТЫ.

1. ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ РЕЛЕ МКУ-48.

У большинства основных реле, применяемых в устройствах реле защиты, контакты не рассчитаны на замыкание или размыкание цепи относительно большими токами. В ряде случаев количество контактов реле не позволяет одновременно замкнуть несколько независимых цепей. При необходимости увеличения отключающей способности и размножения контактов основных реле применяются промежуточные реле ''РП''. Промежуточные реле являются вспомогательными и самостоятельного значения не имеют.

Реле состоит из магнитопровода, с расположенной на нем обмоткой стального якоря с укрепленными на нем контактами, неподвижных контактов и противодействующей пружины. Реле работает следующим образом: при появлении тока в обмотке электромагнита якорь с закрепленными на нем подвижными контактами притягивается к сердечнику электромагнита, замыкает нормально открытые контакты и размыкает нормально закрытые контакты. При прекращении питания якорь под действием собственного веса и пружины возвращается в первоначальное положении, т.е. в положение готовности к действию.

Реле предназначено для работы на переменном токе. Номинальное напряжение 220 Вт. Разрывная мощность контактов не более 500Вт. Длительно допустимый ток не более 5 А. Собственное время срабатывания реле не более 0,03 с. Потребляемая мощность не более 5 Вт.

Контактная система промежуточного реле

Ознакомиться с устройством реле. Определить с помощью омметра выводы катушки и контактов. Собрать цепь реле напряжения (рис.1). Увеличивая напряжение заметить величину тока, при котором происходит трогание и замыкание контактов, затем, уменьшая напряжение, заметить величину тока, при котором происходит возвращение контактов в исходное положение.

Изменив напряжение трогания и напряжение возврата, вычислить коэффициент возврата.

Рис.1. Схема испытания реле напряжения.

РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА ЭТ 523/20. Пределы установок тока срабатывания: последовательное соединение катушек: 5-10А, параллельное соединение катушек: 10-20 А.

Контактная система реле максимального тока

Ознакомиться с устройством реле, произвести осмотр контактов, элементов регулировки подвижной системы. Определить с помощью омметра выводы катушки и контактов. Собрать схему реле тока. Установить указатель шкалы реле на ток установки. Собрать и включить цепь (рис.2). Постепенно увеличивая ток с помощью РНШ от минимального значения, зафиксировать величину тока, при которой реле придет в действие . Уменьшая ток, отметить наибольший ток , при котором реле возвратится в исходное положение. Повторить опыт для всей шкалы установки реле. Для каждого случая вычислить коэффициент возврата.

Рис.2. Схема испытания реле максимального тока.

Заполнить таблицу.

Результат наблюдений	Вычислено
№,

3. РЕЛЕ ВРЕМЕНИ ТИПА ЭВ-224.

Реле времени типа ЭВ-224 с часовым механизмом применяются в устройствах релейной защиты для создания выдержки времени. Реле состоит из электромагнитной системы и часового механизма с контактами.

Реле работает на переменном токе. Номинальное напряжение 380 В.

Пределы установки выдержек времени 0,25-3 с. Потребляемая мощность 15 ВА. Разрывная мощность контактов 100 Вт. Длительно допустимый ток замыкания 5 А.

Контактная система реле времени

Ознакомиться с устройством, действием и регулировкой реле. Собрать схему (рис.3). Для снятия характеристики выдержки времени необходимо произвести исследование при токах равных , , , , .

Определить предварительно ток установки для данного тока реле. Установить реле на исследуемое время.

Рис.3. Схема испытания реле времени.

Заполнить таблицу для различных токов .

	Нагрузка
№,

Постро