Генераторы постоянного тока

Лабораторная работа № 1

Цель работы: ознакомление с конструкцией генератора постоянного тока, аппаратурой измерения и управления, характеристиками, методами испытания.

Основные формулы и понятия

Электрические машины, которые преобразуют механическую энергию, подводимую к их валу от первичного двигателя, в электрическую энергию постоянного напряжения, называют генераторами постоянного тока. Работа этих генераторов основана на законе электромагнитной индукции, согласно которому при пересечении проводником магнитных силовых линий в проводнике индуктируется электродвижущая сила (ЭДС).

Различают несколько способов возбуждения машин постоянного тока: независимое возбуждение (рис. 1.1, а) – питание обмотки возбуждения от независимого источника и самовозбуждение – питание обмотки возбуждения от обмотки якоря самого генератора.

Самовозбуждение в генераторах постоянного тока может быть осуществлено при соединении обмоток возбуждения с обмоткой якоря: параллельном (рис. 1.1, б), последовательном (рис. 1.1, в) и смешанном согласном или встречном (рис.1.1, г).

Самовозбуждение генератора происходит при наличии трёх условий:

1. остаточного магнитного потока, создающего остаточную ЭДС (E_ост) (рис. 1.2);

2. совпадения направления поля обмотки возбуждения с направлением остаточного магнитного потока;

3. сопротивление обмотки возбуждения (при параллельном возбуждении) меньше критического, т.е. когда ток возбуждения способен достигнуть значения, обеспечивающего на характеристике холостого хода заданное значение ЭДС (E).

Последнее вытекает из равенства R_вI_в = E–R_яI_я, которое на рис. 1.2 соответствует точке пересечения A зависимостей E=f(I_в) и U_в= I_вR_в. А при увеличении сопротивления (R_в) точка A будет перемещаться по кривой (E) вниз, и когда (R_в) достигнет критического значения, т.е. R_в=R_кр, генератор практически не самовозбудится.

Рис. 1.1. Схемы возбуждения генераторов постоянного тока: а – независимое; б – параллельное; в – последовательное; г – смешанное

Рис. 1.2. Самовозбуждение генератора постоянного тока

В данной работе исследуются генераторы с независимым, параллельным и смешанным возбуждением. Основными величинами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются: мощность генератора P, напряжение на выводах U, ток возбуждения I_в, ток якоря I_я или ток нагрузки I_н и частота вращения n (как правило n=const).

Зависимости между отдельными величинами, характеризующими свойства генератора, обычно даются в виде характеристик. Основными характеристиками являются: характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики.

Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения:

U=f(I_в) при I_н=0 и n=const,

где I_н – ток нагрузки; n – частота вращения.

При холостом ходе машины, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение на зажимах обмотки якоря равно ЭДС: E=С_EФ_nn. Так как n=const, напряжение при холостом ходе зависит только от магнитного потока Ф_n, т.е. тока возбуждения I_в. Поэтому характеристика U=f(I_в) подобна магнитной характеристике Ф=f(I_в) (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Характеристики холостого хода генератора

Расхождение восходящей и нисходящей ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины.

Внешняя характеристика – зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки:

U=f(I_н) при n=const и R_в=const;

где R_в – сопротивление параллельной обмотки возбуждения.

В генераторе параллельного возбуждения при увеличении тока нагрузки I_н ток якоря увеличивается, так как I_я=I_в+I_н, а напряжение на зажимах уменьшается U=E–R_яI_я.

Уменьшение напряжения приводит к снижению тока возбуждения, так как , что в свою очередь ещё больше уменьшит напряжение. Кроме того, с увеличением тока повышается реакция якоря, которая ведет к снижению напряжения (рис. 1.4).

Чтобы скомпенсировать такое нежелательное падение напряжения, в генераторах добавляют ещё одну обмотку возбуждения, включаемую последовательно с нагрузкой. Такой генератор называется генератором смешанного возбуждения. Через последовательную обмотку возбуждения проходит ток нагрузки, при его возрастании поток возбуждения увеличивается, следовательно, становится больше и ЭДС генератора.

Такое соединение обмоток называется согласным включением. Можно так рассчитать последовательную обмотку, что увеличение падения напряжения скомпенсируется и величина напряжения на зажимах будет постоянной или даже немного увеличится (см. рис. 1.4, кривая 3).

Рис. 1.4. Внешние характеристики генераторов: 1 – при смешанном соединении (встречное соединение обмоток возбуждения); 2 – при параллельном возбуждении; 3 – при смешанном соединении (согласное соединение обмоток возбуждения).

Если же включить последовательную обмотку возбуждения встречно с параллельной, то увеличение тока нагрузки приведёт к резкому падению напряжения (см. рис. 1.4, кривая 1). Такое встречное (несогласное) включение делают, например, в сварочных генераторах для ограничения тока короткого замыкания.

Регулировочная характеристика генератора– это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки:

I_в=f(I_н) при U=const; n=const.

Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменении тока нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным.

Из внешней характеристики генератора параллельного возбуждения (см. рис. 1.4, кривая 2) видно, что с увеличением тока нагрузки напряжение на его зажимах понижается, чтобы вновь восстановить его прежнее значение, необходимо увеличить ток возбуждения. Регулировочные характеристики генераторов приведены на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Регулировочные характеристики генератора: 1 – при смешанном соединении (согласное соединение обмоток возбуждения); 2 – при параллельном возбуждении; 3 – при смешанном соединении (встречное соединение обмоток возбуждения).

Методика выполнения лабораторной работы (лаборатория № 221)

1. Ознакомиться на демонстрационном стенде «Машины постоянного тока» с устройством генератора постоянного тока, а на лабораторном стенде – с приборами, аппаратами и подлежащим испытанию генератором.

Записать в отчёт по лабораторной работе технические паспортные данные генератора.

2. На рабочей панели стенда «Генератор постоянного тока» в соответствии с принципиальной схемой (рис. 1.6) собрать электрическую цепь для снятия характеристики холостого хода генератора независимого возбуждения.

В качестве независимого источника электрической энергии для питания обмотки возбуждения генератора используется блок постоянной регулировки напряжения +110 В (ручка «Регулировка возбуждения» синхронной машины и генератора постоянного тока). В случае генератора с параллельным возбуждением изменение тока возбуждения осуществляется резистором R_в «Регулировка возбуждения». Нагрузка генератора изменяется ступенчатым нагрузочным реостатом, переводя ручку из положения «1» в положение «7». Все необходимые электроизмерительные приборы показаны на электрической схеме и на передней панели стенда «Машины постоянного тока».

Рис. 1.6. Принципиальная электрическая схема генератора постоянного тока

Монтаж электрической цепи производить согласно монтажной схеме, указанной на рис. 1.7.

Перед пуском исследуемого генератора необходимо убедиться в том, что:

а) нагрузка генератора отключена (ручка нагрузочного реостата находится в крайнем левом положении «1»;

б) сопротивление реостата в цепи обмотки возбуждения генератора полностью выведено (ручка реостата «Регулировка возбуждения» на панели «Машины постоянного тока» находится в крайнем правом положении;

в) напряжение на обмотке возбуждения генератора равно нулю (ручка «Регулировка возбуждения» синхронной машины и генератора постоянного тока находится в крайнем левом положении).

3. Произвести пуск генератора независимого возбуждения. Для этого необходимо:

а) нажать кнопку «ВКЛ» на нагрузочной панели стенда;

б) нажать кнопку «ВКЛ» на панели «Машины постоянного тока» (загорится лампа «Сеть»);

в) нажать кнопку «ВКЛ» – включение синхронной и асинхронной машин на панели «Синхронная машина».;

г) нажать кнопку «ВКЛ» возбуждения синхронной машины и генератора постоянного тока;

д) плавно изменяя ток возбуждения ручкой «Регулировка» на панели «Синхронная машина», снять характеристику холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения.

Рис. 1.7. Монтажная схема лабораторной работы

При этом ток возбуждения I_в увеличивайте ступенями от нуля до I_в =

I_{в max}, а затем уменьшайте ток возбуждения до нуля. Полученные результаты запишите в табл. 1.1.

Таблица 1.1

№ п/п	Iв, А	E, В (увеличение)	E, В (уменьшение)
× × ×

4. Снять внешнюю характеристику генератора независимого возбуждения, U=f(I) при неизменных частоте вращения n=n_н=const и токе возбуждения I_в=I_вн=const.

Для этого в режиме холостого хода установить номинальное напряжение U=U_н, воспользовавшись рекомендациями п. 3 а, б, в, г.

Ток нагрузки увеличивать ступенями, переводя ручку нагрузочного реостата генератора из положения «1» в положение «7».

Полученные данные записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Iн, А
U, В

5. Снять регулировочную характеристику генератора независимого возбуждения I_в=f(I) при условии поддержания постоянных напряжения на выводах генератора (U=const) и частоты вращения якоря n=n_н=const.

Изменяя нагрузку генератора нагрузочным реостатом, напряжение генератора поддерживайте постоянным при помощи ручки «Регулировка» на панели «Синхронная машина».

Полученные данные записать в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Iн, А
Iв, А

6. На рабочей панели стенда «Генератор постоянного тока» собрать электрическую цепь генератора постоянного тока параллельного возбуждения. Для этого необходимо перемычки из положения А–А переставить в положение А–Б (см. монтажную схему лабораторного стенда).

Перед пуском генератора необходимо убедиться в том, что:

а) нагрузка генератора отключена (ручка нагрузочного реостата находится в крайнем левом положении «1»;

б) сопротивление реостата в цепи обмотки возбуждения генератора полностью введено (ручка реостата «Регулировка возбуждения» на панели «Машины постоянного тока» находится в крайнем левом положении;

в) напряжение на обмотке возбуждения генератора равно нулю (ручка «Регулировка возбуждения» синхронной машины и генератора постоянного тока находится в крайнем левом положении).

7. Снять внешнюю характеристику генератора параллельного возбуждения.

Для этого, воспользовавшись рекомендациями п. 3 а, б, установить номинальное напряжение U=U_н, изменяя сопротивление реостата в цепи обмотки возбуждения (ручка реостата «Регулировка возбуждения» на панели «Машины постоянного тока»).

Ток нагрузки увеличивать ступенями, переводя ручку нагрузочного реостата генератора из положения «1» в положение «7».

Полученные данные записать в табл. 1.4 аналогичную предыдущей (см. табл. 1.2).

8. Снять регулировочную характеристику генератора параллельного возбуждения.

Изменяя нагрузку генератора нагрузочным реостатом, напряжение генератора поддерживать постоянным при помощи ручки реостата «Регулировка возбуждения» на панели «Машины постоянного тока».

Полученные данные записать в табл. 1.5 аналогичную предыдущей (см. табл. 1.3).

9. По данным табл. 1.1 – 1.5 построить характеристику холостого хода, внешние и регулировочные характеристики. Внешние и регулировочные характеристики для разных видов возбуждений построить в одной системе координат.

10. Рассчитать:

а) ток якоря генератора при номинальной нагрузке:

I_я=I_н для генератора независимого возбуждения,

I_я=I_н+ I_вн для генератора параллельного возбуждения;

б) номинальную мощность генератора: P_н=U_нI_н;

в) изменение напряжения генераторов независимого и параллельного возбуждений при номинальной нагрузке, воспользовавшись внешними характеристиками:

;

г) мощность на валу первичного двигателя генераторов независимого и параллельного возбуждений:

(механические и магнитные потери составляют 4% от P_н);

д) коэффициент полезного действия генератора: .

11. Сделать и записать выводы по работе.

Описание лабораторного стенда (лаборатория № 421)

В нижней части стенда установлены генератор постоянного тока и асинхронный двигатель, приводящий через ременную передачу во вращение якорь генератора. В закрытой части стенда также размещены нагрузочные реостаты, пускатель асинхронного двигателя.

Все необходимые коммутации осуществляются путём переключений тумблеров, размещённых на рабочей панели стенда. Здесь же находятся измерительные приборы РА1, РА2, PV, регулировочный реостат генератора R1, нагрузочный реостат R6.

Подключение стенда осуществляется автоматом на распределительном пункте.

Включение и выключение электродвигателя осуществляется кнопками «Пуск» и «Стоп», расположенными на рабочей панели стенда.

Подключения необходимого вида возбуждения осуществляются путём переключения SA2 в положение «параллельное» (позиция 1) или «смешанное» (позиция 2); в случае смешанного возбуждения переключателем SA3 устанавливается «согласное» (позиция 1) или «встречное» (позиция 2) включение.

Цепи возбуждения включаются выключателем SA1.

Нагрузка осуществляется последовательным включением выключателей SA4, SA5, SA6, SA7, SA8.

Из схемы (рис. 1.8) видно, что при отключении нагрузки цепь обмотки возбуждения L2 (сериесная) разомкнута, поэтому опыт холостого хода проводится только для генератора с параллельным возбуждением.

Реостат R6 позволяет плавно выводить нагрузку до нуля и закоротить цепь обмотки возбуждения.

Ток в обмотке возбуждения L1 (шунтовая) измеряется амперметром РА1, ток нагрузки – амперметром РА2, напряжение – вольтметром PV.

Ток якоря I_я=I_в+I_н.

Рис. 1.8. Схема лабораторного стенда для исследования генератора постоянного тока

Методика выполнения лабораторной работы

1. Запишите паспортные данные генератора.

2. Объясните назначение элементов схемы (см. рис. 1.8).

3. Снимите характеристику холостого хода генератора.

При этом ток возбуждения I_в при помощи регулировочного реостата R1 увеличивайте ступенями от нуля (цепь возбуждения разомкнута) до I_в=I_{в max}, а затем уменьшайте ток возбуждения ступенями до нуля.

При токе возбуждения I_в=0 ЭДС Е¹0, так как машина обладает остаточным магнетизмом. Восходящая и нисходящая кривые не совпадут друг с другом из-за явления гистерезиса (см. рис. 1.3).

Полученные данные запишите в табл. 1.6

Таблица 1.6

№ измерения	Iв, А	Е, В (увеличение)	Е, В (уменьшение)
× × ×

4. Снимите внешние характеристики генератора при различных видах возбуждения (параллельное, смешанное согласное, смешанное встречное).

Для этого в режиме холостого хода установите номинальное напряжение U=U_н. Выбрать и подключить нужный вид возбуждения (переключатели SA2, SA3, выключатель SA1). Ток нагрузки увеличивать ступенями, подключая нагрузочные реостаты R2...R6. выключателями SA4...SA8. Последний замер произведите при закороченной внешней цепи (вывести реостат R6), т.е. I_я= I_к.з., при этом U=0.

Полученные данные генератора параллельного возбуждение запишите в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Iн, А
U, В

Полученные данные генератора смешанного согласного возбуждение запишите в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Iн, А
U, В

Полученные данные генератора смешанного встречного возбуждение запишите в табл. 1.9.

Таблица 1.9

Iн, А
U, В

5. Снимите регулировочные характеристики генератора при различных видах возбуждения.

Напряжение во время опыта поддерживайте постоянным при помощи регулировочного реостата R1. (В связи с особенностями лабораторных стендов при выполнении п. 5 рекомендуется установить напряжение ниже номинального на 20 – 25%.)

Полученные данные генератора параллельного возбуждение запишите в табл. 1.10.

Таблица 1.10

Iн, А
Iв, А

Полученные данные генератора смешанного согласного возбуждение запишите в табл. 1.11.

Таблица 1.11

Iн, А
Iв, А

Полученные данные генератора смешанного встречного возбуждение запишите в табл. 1.12.

Таблица 1.12

Iн, А
Iв, А

6. По данным табл. 1.6…1.12 постройте характеристику холостого хода, внешние и регулировочные характеристики. Внешние и регулировочные характеристики для разных видов возбуждений строить в одной системе координат.

7. Проанализируйте полученные кривые, и объяснить их ход.

8. Рассчитайте:

а) ток якоря генератора параллельного возбуждения при номинальной нагрузке: I_я=I_н+ I_вн;

б) номинальную мощность генератора: P_н=U_нI_н;

в) изменение напряжения генераторов параллельного и смешанного возбуждений при номинальной нагрузке, воспользовавшись внешними характеристиками:

;

г) мощность на валу первичного двигателя генераторов параллельного и смешанного возбуждений:

(механические и магнитные потери составляют 4% от P_н);

д) коэффициент полезного действия генератора: .

9. Сделайте и запишите выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия генератора постоянного тока и назначение его основных частей.

2. Объясните назначение щеточно-коллекторного узла.

3. Назовите условия самовозбуждения генератора.

4. От каких величин зависит напряжение на зажимах генератора?

5. Какие системы возбуждения применяются в генераторах постоянного тока?

6. Реакция якоря и её влияние на работу генератора?

7. От каких величин зависит ЭДС, наводимая в якоре, величина противодействующего и электромагнитного моментов?

8. Напишите уравнение электрического состояния для генератора.

Литература

[1, с. 386-464 с. 2, с. 332 – 359].

Лабораторная работа № 2