Регулировочная характеристика

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «Электрические машины»

 

к лабораторным работам

для студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов»

очной и заочной форм обучения

 

 

Председатель РИС _____________ Пашкин Д.А.     Подписи и контактные телефоны авторов Шаталова Н.В. 41-70-22 _________ Савиных Ю.А. 41-70-22

Зам. директора по учебно-методической работе   ________________ Дебердиева Е.М.   «______» ______________2006 г.     Зав. кафедрой ЭЭ   ________________ Кицис С.И.   «_____» ______________2006 г. Протокол №9 от 15.05.2006     Председатель учебно-методического совета ИНиГ   _________________Аксенова Н.А. (подпись) «_____» ______________2006 г.

 

 

Тюмень 2007 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт нефти и газа

 

Кафедра «Электроэнергетика»

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «Электрические машины»

 

к лабораторным работам

для студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов»

очной и заочной форм обучения

 

 

Тюмень 2007 г

Утверждено редакционно-издательским советом

 

Тюменского государственного нефтегазового университета

 

 

Составители:

Ст. преподаватель Шаталова Н.В. Доцент, к.т.н., член-корреспондент Международной Академии «Нефть и газ» Савиных Ю.А.

 

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Методические указания

к лабораторной работе

«Исследование генератора постоянного тока»

1. Цель работы:

1. Изучить конструкцию, принцип действия и характеристики генератора постоянного тока

2. Приобрести практические навыки в сборке схем и опытном исследовании генератора при снятии показаний и построении основные характеристики

3. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о генераторах постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

 

2. Основные теоретические сведения

Генератор постоянного тока – электрическая машина, в которой механическая энергия преобразуется в энергию постоянного тока. Основными конструктивными элементами генератора являются: индуктор, якорь и коллектор (рис.1).

Рис. 1. Устройство машины постоянного тока

Индуктор предназначен для создания основного магнитного поля машины. Он расположен на неподвижной части машины – статоре (1) и состоит из полюсов (2), и обмоток возбуждения (3). Обмотка, в которой наводится ЭДС, называется якорной (5). Ротор с якорной обмоткой называется якорем (4). Коллектор (6), расположенный валу, – механический выпрямитель, – служит для уменьшения пульсаций ЭДС. Важным элементом конструкции является щеточный аппарат, который служит для соединения коллектора с внешней электрической цепью.

Способ создания основного магнитного потока машины называется возбуждением. Для этого на полюсах индуктора имеются обмотки возбуждения (ОВ), по проводникам которых течет токвозбуждения I_в, который составляет 2-5% от номинального тока машины.

Принцип действия генераторов постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции. При вращении якоря каким-либо первичным двигателем, проводники обмотки якоря пересекают магнитное поле полюсов, и в каждом из них наводится ЭДС. Эта ЭДС является переменной е =f(t), так как она изменяется во времени по величине и направлению и зависит от положения проводников в межполюсном пространстве. Благодаря использованию коллектора с системой неподвижных щеток на зажимах генератора получают ЭДС, постоянную во времени.

Суммарная ЭДС проводников обмотки якоря определяется уравнением

Е = c_enФ,

где c_e – конструктивная постоянная машины;

п – частота вращения якоря, об/мин;

Ф – результирующий магнитный поток машины, (Вб).

Когда к зажимам генератора подключена нагрузка, по цепи якоря течет ток I_а. При работе в режиме генератора электрическая машина выполняет функции источника энергии, поэтому ток якоря I_а совпадает по направлению с индуцируемой ЭДС Е.

Напряжение на зажимах генератора при работе в режиме нагрузки равно

U = E – ∑R_а I_а = R_н I_а,

где R_н – сопротивление нагрузки, ∑R_а – суммарное сопротивление обмотки якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и щеточного контакта.

На якорь, по обмотке которого течет ток I_а действует электромагнитный момент М_эм, который является тормозным и преодолевается вращающим моментом М_вр приводного двигателя (М_эм = М_вр).

В зависимости от схемы подключения обмотки возбуждения к обмотке якоря (т.е. от способа питания обмотки возбуждения) различают генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от постороннего источника, а у генераторов с самовозбуждением – непосредственно от зажимов якоря самой машины. В зависимости от способа включения обмоток возбуждения генераторы постоянного тока с самовозбуждением разделяют на генераторы с параллельным, последовательным и со смешанным возбуждением.

Генератор независимого возбуждения

Рис. 2. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением.

В генераторах этого типа (рис.2) ток возбуждения I_в не зависит от тока якоря I_а. Ток I_в зависит лишь от напряжения питания цепи ОВ U_в и значения регулировочного сопротивления R_р.в:

I_в =

Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов постоянного тока, являются:

- характеристика холостого хода,

- нагрузочная характеристика,

- внешняя характеристика,

- регулировочная характеристика.

Характеристика холостого хода – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения I_в при разомкнутой цепи нагрузки и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость

Е₀ = f (I_в), при I_н = 0 и п = п _н = const.

Напряжение генератора U₀ при холостом ходе (R_н = ∞) машины равно ЭДС на зажимах якоря:

U₀ = Е ₀ = c_enФ,

Поскольку частота вращения якоря п = const, напряжение зависит только от величины магнитного потока Ф. Магнитный поток зависит от намагничивающей силы (ампер-витков) обмотки возбуждения, а, следовательно, от тока возбуждения (Ф ≡ F_м ≡I_в). Поэтому характеристика Е₀ = f (I_в ) будет иметь тот же вид, что и зависимость Ф = f (I_в), т.е. магнитная характеристика машины.

 

Рис.3. Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (рис.3) представляет собой совокупность двух расходящихся ветвей восходящей 1 и нисходящей 2. При I_в = 0 (цепь обмотки возбуждения разомкнута) ЭДС Е_о ≠ 0. Она составляет 2-4% от U_ном Объясняется это тем, что в магнитной системе машины имеется остаточный магнитный поток Ф_ост, который обусловливает появление соответствующей ему остаточной ЭДС при наличии вращения якоря

Е_ост = c_enФ_ост.

С увеличением I_в ЭДС вначале интенсивно возрастает почти по прямолинейному закону. Наклон начальной прямолинейной части характеристики зависит от величины воздушного зазора машины, причем меньшему зазору соответствует больший угол наклона. С последующим увеличением I_в прямолинейность характеристики холостого хода нарушается вследствие явления насыщения магнитной системы машины. При уменьшении I_в обнаруживается расхождение ветвей, которое объясняется явлением гистерезиса в магнитопроводе машины. По характеру расхождения ветвей можно судить о качестве магнитного материала магнитной системы машины. У генераторов, изготовленных из высококачественных электротехнических сталей, расхождение ветвей незначительно.

Нагрузочнаяхарактеристика –это зависимость напряжения на зажимах генератора U от тока возбуждения I_в при постоянном токе нагрузки I_н и постоянной частоте вращения п, т. е. зависимость

U = f (I_в), при I_н = const и п = const.

 

 

Рис.4. Нагрузочная характеристика

На рис.4 нагрузочная характеристика (график 2) проходит ниже характеристики холостого хода (график 1), которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при I_н = 0. Снижение напряжения генератора под нагрузкой обусловлено падением напряжения на внутреннем сопротивлении машины и размагничивающим действием реакции якоря.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянном сопротивлении в цепи обмотки возбуждения и постоянной частоте вращения, т.е.

U = f (I_н), при I_в = const и п = const.

Уравнение, описывающее внешнюю характеристику генера­тора, можно получить исходя из уравнения электрического равновесия, записанного по второму закону Кирхгофа для цепи нагрузки,

U = E – ∑R_а I_н,

где ∑R_а – суммарное сопротивление цепи якоря.

Согласно уравнению при I_н = 0 (режим холостого хода) U = E

При увеличении тока нагрузки происходит уменьшение напряжения на зажимах генератора (рис.5). Причинами уменьшения напряжения являются:

- увеличение падение напряжения на суммарном сопротивлении цепи якоря с увеличением нагрузки (∑R_а I_н);

-

уменьшение результирующего магнитного потока, а следовательно, и ЭДС Е вследствие реакции якоря.

 

Рис.5. Внешняя характеристика генератора постоянного тока

Для генераторов с независимым возбуждением снижение напряжения ∆U составляет 5-15% от U_ном.

Регулировочная характеристика

Во многих случаях на практике необходимо, чтобы с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным, т. е.

U = E – ∑R_а I_н = const

Чтобы сохранить напряжение постоянным необходимо, чтобы падение напряжения ∑R_а I_н на обмотке якоря, а также снижение ЭДС было скомпенсировано. Это достигается путем повышения тока возбуждения I_в, что приводит к увеличению основного магнитного потока и ЭДС генератора.

Регулировочной характеристикойназывается зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при постоянном напряжении на зажимах генератора, т.е.

I_в = f (I_н), при U = const и п = const.

Характеристика показывает, каким образом следует регулировать I_в, чтобы поддерживать напряжение генератора постоянным. Очевидно, что с увеличением тока нагрузки I_н ток возбуждения должен возрастать: вначале медленно, а вследствие явления насыщения стали магнитопровода – значительнее (рис.6).

Рис.6. Регулировочная характеристика генератора постоянного тока