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 Iв, 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 = cenФ,
где ce – 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 Iа. При работе в режиме генератора электрическая машина выполняет функции источника энергии, поэтому ток якоря Iа совпадает по направлению с индуцируемой ЭДС Е.
Напряжение на зажимах генератора при работе в режиме нагрузки равно
U = E – ∑Rа Iа = Rн Iа,
где Rн – сопротивление нагрузки, ∑Rа – суммарное сопротивление обмотки якоря, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и щеточного контакта.
На якорь, по обмотке которого течет ток Iа действует электромагнитный момент Мэм, который является тормозным и преодолевается вращающим моментом Мвр приводного двигателя (Мэм = Мвр).
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 Iв не зависит от тока якоря Iа. Ток Iв зависит лишь от напряжения питания цепи ОВ Uв и значения регулировочного сопротивления Rр.в:
Iв = 
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 Iв при разомкнутой цепи нагрузки и постоянной частоте вращения, равной номинальной, т. е. зависимость
Е0 = f (Iв), при Iн = 0 и п = п н = const.
Напряжение генератора U0 при холостом ходе (Rн = ∞) машины равно ЭДС на зажимах якоря:
U0 = Е 0 = cenФ,
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 ≡ Fм ≡Iв). Поэтому характеристика Е0 = f (Iв ) будет иметь тот же вид, что и зависимость Ф = f (Iв), 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 Iв = 0 (цепь обмотки возбуждения разомкнута) ЭДС Ео ≠ 0. Она составляет 2-4% от Uном Объясняется это тем, что в магнитной системе машины имеется остаточный магнитный поток Фост, который обусловливает появление соответствующей ему остаточной ЭДС при наличии вращения якоря
Еост = cenФост.
С увеличением Iв 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 Iв прямолинейность характеристики холостого хода нарушается вследствие явления насыщения магнитной системы машины. При уменьшении Iв 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 Iв при постоянном токе нагрузки Iн и постоянной частоте вращения п, т. е. зависимость
U = f (Iв), при Iн = 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 Iн = 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 (Iн), при Iв = 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 – ∑Rа Iн,
где ∑Rа – суммарное сопротивление цепи якоря.
Согласно уравнению при Iн = 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 (∑Rа Iн);
-
 |
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 Uном.
Регулировочная характеристика
Во многих случаях на практике необходимо, чтобы с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным, т. е.
U = E – ∑Rа Iн = const
Чтобы сохранить напряжение постоянным необходимо, чтобы падение напряжения ∑Rа Iн на обмотке якоря, а также снижение ЭДС было скомпенсировано. Это достигается путем повышения тока возбуждения Iв, что приводит к увеличению основного магнитного потока и ЭДС генератора.
Регулировочной характеристикойназывается зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при постоянном напряжении на зажимах генератора, т.е.
Iв = f (Iн), при U = const и п = const.
 |
Характеристика показывает, каким образом следует регулировать Iв, чтобы поддерживать напряжение генератора постоянным. Очевидно, что с увеличением тока нагрузки Iн ток возбуждения должен возрастать: вначале медленно, а вследствие явления насыщения стали магнитопровода – значительнее (рис.6).
Рис.6. Регулировочная характеристика генератора постоянного тока
