Некоторые положения теории. Генераторы параллельного и смешанного возбуждения относятся к группе генераторов с самовозбуждением

 

Генераторы параллельного и смешанного возбуждения относятся к группе генераторов с самовозбуждением. Отличительной особенностью их является включение обмотки возбуждения параллельно якорю. В этом случае ток возбуждения оказывается в зависимости от напряжения на зажимах генератора:

(28)

где R _в – полное сопротивление цепи возбуждения;

r _в – собственное сопротивление обмотки возбуждения;

R _р – сопротивление регулировочного реостата в цепи возбуждения.

Принцип самовозбуждения заключается в том, что под действием слабого остаточного магнитного потока в обмотке якоря наводится незначительная остаточная ЭДС, которая вызывает появление незначительного тока возбуждения. Этот ток, в свою очередь, вызывает увеличение магнитного потока и, следовательно, ЭДС и тока возбуждения. В связи с этим напряжение на зажимах генератора лавинообразно нарастает.

Процесс самовозбуждения протекает лишь при соблюдении определенных условий. Причинами отказа могут быть:

– обрыв цепи возбуждения;

– слишком большое сопротивление в цепи возбуждения, больше критичес-кого для данной частоты вращения;

– слишком большая нагрузка, малое сопротивление в цепи якоря;

– недостаточная частота вращения при данном сопротивлении цепи возбуждения;

– неправильное включение обмотки возбуждения, магнитный поток возбуж-дения направлен встречно остаточному;

– отсутствие остаточного потока.

Зависимость тока возбуждения от напряжения на зажимах генераторов пос-тоянного тока с параллельным возбуждением приводит к большему процентному изменению напряжения. Внешние характеристики имеют меньшую жесткость, чем у генераторов с независимым возбуждением. Для компенсации этого фактора в цепь якоря часто включается подмагничивающая обмотка последовательного возбуж-дения. В этом случае говорят о генераторах со смешанным возбуждением, ЭДС которых

E _а = C_еn(Ф _ш ± Ф _с ), (29)

где Ф _ш и Ф _с – соответственно магнитные потоки параллельной (шунтовой) и пос-ледовательной (сериесной) обмоток возбуждения.

Знак плюс в (29) говорит о согласном включении обмоток возбуждения. При этом основную роль в создании потока возбуждения играет шунтовая обмотка, сериесная же является вспомогательной, для компенсации снижения напряжения с ростом тока якоря.

Встречное включение обмоток (знак минус в (29)) приводит к более резкому снижению напряжения. Это явление используют лишь в некоторых специальных машинах.

 

Экспериментальная часть

 

1) Ознакомиться с рабочим местом, приборами, испытуемой машиной и запи-сать паспортные данные.

2) Собрать схему, приведенную на рис. 25.

3) Снять характеристику х.х. E _а = f(i _в ) при I _а = 0.

4) Снять внешнюю и регулировочную характеристики при параллельном возбуждении.

5) Снять внешние и регулировочные характеристики при смешанном воз-буждении с разной полярностью подключения последовательной обмотки.

 

Расчеты и построения

 

1) Построить характеристику х.х., определить остаточную ЭДС, коэффициент насыщения и собственное сопротивление цепи шунтовой обмотки возбуждения.

2) Построить на одном графике внешние характеристики для генераторов неза-висимого, параллельного и смешанного возбуждения при согласном и встречном включении последовательной обмотки возбуждения.

3) Построить на одном графике регулировочные характеристики генераторов параллельного и смешанного возбуждения.

4) Рассчитать предельно допустимое сопротивление реостата R _р в цепи возбуждения.

 

Методические указания

 

Для проведения экспериментальной части работы собирается схема, при-веденная на рис. 25. В первой части работы при испытаниях генератора с па-раллельным возбуждением ключ S должен быть замкнут. При его отсутствии в схеме обмотка последовательного возбуждения вообще не включается.

Характеристику х.х. начинают снимать с максимального тока возбуждения, который плавно снижается до нуля (отмечаются 5–6 точек). При i _в = 0 записывается значение остаточной ЭДС, и ток возбуждения также плавно увеличивается до первоначального значения (5–6 замеров).

Изменить направление тока возбуждения в данном случае невозможно.

За расчетную характеристику х.х. принимают среднюю линию полученной экспериментально петли, проводя ее через начало координат (пунктирная линия на рис. 26).

Рис. 25

 

По уравнению (27) ток возбуждения пропорционален напряжению на зажимах генератора, поэтому по характеристике х.х. можно найти сопротивление цепи воз-буждения. Если при этом ток возбуждения максимален, то R _р = 0, отсюда r _в = E ₀/ i _в.м.

Сопротивление цепи возбуждения пропорционально тангенсу угла наклона характеристики возбуждения: r _в ≈ 2tgα. Таким образом, проведя касательную к характеристике х.х. в начале координат ОН, можно определить критическое сопро-тивление, при котором процесс самовозбуждения становится невозможным:

(30)

где m_u – масштаб напряжений по оси ординат, В/мм;

m_t – масштаб токов по оси абсцисс, А/мм.

Из формулы (30) легко найти предельно допустимое сопротивление регулиро-вочного реостата:

R _р.м = R _в.кр – r _в.

Коэффициент насыщения магнитной цепи генератора можно найти по уравнению (23).

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением снима-ется по методике, изложенной в лабораторной работе 6. Отличием является лишь условие R _в = const. Для этого рекомендуется установить максимальный ток возбуж-дения и в процессе опыта больше не менять сопротивление реостата R _р. Опытные данные заносятся в табл. 11.

Рис. 26

Генераторы с параллельным возбуждением обладают более мягкой внешней характерис-тикой, процентное изменение напряжения таких генераторов составляет 15–20%. Снижение напряжения с ростом нагрузки происходит в результате одновременного дейст-вия трех факторов: 1) внутреннее падение напряжения в якор-ной цепи; 2) размагничивающее действие реакции якоря; 3) зависимость тока возбуждения от напря-жения на зажимах генератора. Для снятия регулировочной характеристи-ки в данном случае рекомендуется иной порядок работы. В режиме х.х. установите напряжение

(0,6–0,8) U _н, данные запишите в табл. 11. Затем, включив одну ступень нагрузочного

реостата R _н, изменением тока возбуждения вновь установите заданное напряжение и запишите полученные результаты. Таким образом снимается вся характеристика, пока можно поддержать заданное напряжение. Если количество экспериментальных точек слишком мало (менее трех), необходимо повторить опыт при меньшем напряжении.

Таблица 11

Таблица экспериментальных данных при параллельном возбуждении

Характеристика холостого хода E a = f (i в)	Внешняя характеристика U a = f (I a)	Регулировочная характеристика i в = f (I a) при U a =
i в, А	E a, B	i в, А	E a, B	I a, A	U a, B	i в, А	I a, A	i в, А

На этом испытания генератора параллельного возбуждения заканчиваются.

Для перехода на смешанное возбуждение в цепь якоря необходимо включить обмотку последовательного возбуждения. Для этого достаточно отключить ключ S, при его наличии в схеме. Если обмотка последовательного возбуждения СС вообще не была включена, разорвите в любом месте цепь якоря и включите ее в разрыв цепи.

Перед началом испытаний необходимо проверить полярность включения обмотки последовательного возбуждения. Для этого установите максимальное напряжение в режиме х.х. и включите все ступени нагрузочного реостата. Если при этом напряжение на зажимах генератора будет изменяться незначительно (в некоторых случаях даже повышаться), обмотка последовательного возбуждения включена согласно с шунтовой обмоткой. Если напряжение резко снижается, включение сериесной обмотки встречное. Никаких записей при этом производить не нужно.

Испытания можно начинать с любого включения, занося опытные данные в соответствующие столбцы табл. 12. Характеристика х.х. при этом будет аналогична соответствующей характеристике при параллельном возбуждении (почему?) и снимать ее нет необходимости.

Таблица 12

 

Таблица экспериментальных данных при смешанном возбуждении

Внешние характеристики	Регулировочные характеристики при U a =
согласное включение	встречное включение	согласное включение	встречное включение
I a, A	U a, B	I a, A	U a, B	I a, A	i в, А	I a, A	i в, А

 

Внешние и регулировочные характеристики снимаются по описанной выше методике. При этом необходимо выполнять лишь одно условие: все однотипные характеристики должны начинаться с одной точки. Иначе говоря, для внешних и регулировочных характеристик при I _а = 0 устанавливается то же напряжение, что и в случае параллельного возбуждения. Это позволит в дальнейшем сравнивать характеристики и сделать выводы о свойствах генераторов при различных системах возбуждения.

Для перехода от одного типа включения сериесной обмотки к другому достаточно переключить ключ S, если он имеется в схеме, или, остановив машину, изменить включение клемм СС на противоположное.

В отчете по данной работе должны быть даны письменные ответы на все контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

 

1) Что означают понятия «параллельное», «смешанное» возбуждение?

2) Какая из обмоток называется шунтовой (сериесной)?

3) Какая из обмоток возбуждения является основной (вспомогательной)?

4) Какое включение обмоток (согласное, встречное) обычно используется?

5) Какие причины вызывают снижение напряжения генераторов с парал-лельным возбуждением при возрастании нагрузки?

6) Каковы причины, вызывающие нарушение процесса самовозбуждения ге-нераторов с параллельным и смешанным возбуждением?

7) Можно ли генератор с параллельным возбуждением перевести на незави-симое возбуждение и наоборот?

 

Лабораторная работа 9

 

ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

 

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться со схемой и принципом работы электро-машинного усилителя поперечного поля, провести исследования его свойств по основным характеристикам [1, c. 321–327; 2, c. 221–224].

 

Основные положения теории

 

В настоящее время все более широкое развитие приобретает автоматизация различных производственных процессов. При этом на первый план выступают вопросы автоматического регулирования. Одним из элементов систем автома-тического регулирования является электромашинный усилитель (ЭМУ). На-ибольшее распространение нашли ЭМУ поперечного поля, исследованию которых посвящена настоящая работа.

Электромашинный усилитель поперечного поля представляет собой генератор постоянного тока с независимым возбуждением, обычно двухполюсного ис-полнения. Принципиальным отличием ЭМУ от обычного генератора является ус-тановка на коллекторе двух комплектов щеток, один из которых располагается как в обычных генераторах на продольной оси d-d, другой – на поперечной оси q-q машины (рис. 27).

К «продольным» щеткам d-d присоединена нагрузка R _н, а «поперечные» щетки q-q замкнуты накоротко.

Обмотка возбуждения, называемая в ЭМУ обмоткой управления ОУ, расположена на продольной оси. При протекании по ОУ относительно небольшого тока управления (тока возбуждения) i _у создается продольный магнитный поток Ф_{d у}.

Поскольку щетки q-q замкнуты накоротко, то даже при незначительной ве-личине наведенной ЭДС E_q по якорю и щеткам q-q потечет достаточно большой ток I_q, так как сопротивление обмотки якоря и щеточного контакта невелико. Этот ток, протекая по обмотке якоря, создает поток реакции якоря Ф_{q а}, направленный по поперечной оси машины q-q.

При вращении якоря ЭМУ в магнитном поле Ф_{d у}, созданном обмоткой уп-равления, в обмотке якоря будет индуктироваться ЭДС E_q, максимальное значение которой будет между щетками q-q, расположенными перпендикулярно к направлению магнитного потока Ф_{d у}.

 

Поскольку щетки q-q замкнуты накоротко, то даже при незначительной величи-не наведенной ЭДС E_q по якорю и щеткам q-q потечет достаточно большой ток I_q, так как сопротивление об-мотки якоря и щеточного контакта невелико. Этот ток, протекая по обмотке якоря,

Рис. 27 создает поток реакции якоря

Ф_{q а}, направленный по поперечной оси машины q-q.

В свою очередь, поток Ф_{q а} индуктирует в обмотке якоря ЭДС E _а, макси-мальное значение которой будет между щетками d-d, расположенными перпен-дикулярно к данному потоку. Поток Ф_{q а} значительно больше Ф_{d у}, следовательно, и ЭДС на щетках d-d E _а значительно больше ЭДС E_q.

Если к «продольным» щеткам подключить нагрузку R _н, то под действием ЭДС E _а по внешней цепи потечет достаточно большой ток I _а. Таким образом, на сопротивлении нагрузки выделяется мощность P _а = U _а I _а, во много раз превышаю-щая мощность P _у = U _у I _у, подведенную к обмотке управления.

Отношение выходной мощности P _а к входной Р _у называется коэффициентом усиления ЭМУ

(31)

ЭМУ является двухкаскадным усилителем мощности. Первый каскад усиле-ния – «обмотка управления – поперечная цепь», второй – «поперечная цепь – внешняя цепь». Коэффициенты усиления современных ЭМУ при правильной настройке достигают значений 10³–10⁵.

Правильная настройка ЭМУ заключается в следующем. Ток внешней цепи I _а, протекая по обмотке якоря, также создает поток реакции якоря Ф_{d а}, направленный теперь уже по продольной оси машины. Этот поток действует встречно первоначальному потоку возбуждения (управления) Ф_{d у}, причем поток Ф_{d а} во много раз больше потока управления Ф_{d у}. Следовательно, нормальная работа ЭМУ возможна лишь в случае компенсации потока продольной реакции якоря Ф_{d а}. Для этих целей служит компенсационная обмотка КО, обтекаемая током внешней цепи I _а. Компенсационная обмотка создает свой поток Ф_{d у}, направленный встречно потоку реакции якоря Ф_{d а}.

Для возможности регулирования степени компенсации продольного потока реакции якоря компенсационная обмотка выполняется с заведомо большей намагничивающей силой, величина которой затем регулируется с помощью шунтирующего реостата R _ш, изменяющего величину тока, протекающего по компенсационной обмотке.

Иногда для увеличения поперечного потока в цепь щеток q-q включается дополнительная подмагничивающая обмотка.

Как было отмечено выше, мощность на выходе ЭМУ во много раз превышает мощность на входе (подведенную к обмотке управления).

 

Экспериментальная часть

 

1) Познакомиться со схемой экспериментальной установки, назначением ее элементов и методикой проведения эксперимента.

2) Снять общую характеристику х.х. усилителя E _а = f (i _у).

3) Произвести настройку ЭМУ для условия нормальной компенсации про-дольной реакции якоря и снять внешнюю характеристику ЭМУ U _а = f (I _а).

4) Снять данные для расчета коэффициента усиления (при нормальной компенсации).

5) Снять внешние характеристики при условии недо- и перекомпенсации.

 

Расчеты и построения

 

1) Построить характеристику х.х.

2) Построить (на одном графике) снятые внешние характеристики при раз-личных условиях компенсации Ф_{d а}.

3) Построить (на одном графике) зависимости I_q = f (I _a) при различных усло-виях компенсации Ф_{d а}.

4) Рассчитать общий коэффициент усиления ЭМУ и коэффициенты усиления по каскадам.

5) Определить коэффициент насыщения магнитной цепи ЭМУ.

 

Методические указания

 

Схема экспериментальной установки приведена на лабораторном стенде. Перед началом работы необходимо ознакомиться с назначением всех коммутационных и регулировочных аппаратов и измерительных приборов.

Приводом ЭМУ на некоторых лабораторных стендах являются двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением, при пуске которых в цепь якоря необходимо ввести пусковой реостат R _п=15–30 Ом (рис. 28). После раскручивания усилителя реостат должен быть выведен.

Рис. 28 Рис. 29

 

На других лабораторных стендах приводом служат асинхронные двигатели прямого пуска.

После раскручивания ЭМУ следует проверить правильность направления вращения и при необходимости реверсировать двигатель (после полной остановки ЭМУ). Для этого нужно либо изменить полярность включения обмотки возбуждения (клеммы ШШ), либо поменять включение двух любых фаз, если приводом является асинхронный двигатель.

При снятии характеристики х.х. нагрузочный реостат должен быть выключен, поперечная цепь замкнута. Снимается только восходящая ветвь при плавном увеличении тока управления до значения E _а = (1,3–1,5) U _н. Необходимо снять не менее 6–8 точек, данные заносятся в табл. 13.

Таблица 13