Лабораторная работа № 18 изучение генератора постоянного тока

Цель работы: изучение характеристик генератора постоянного тока (ГПТ) и методик определения ее параметров.

Краткие теоретические сведения.

ГПТ преобразуют механическую энергию в электрическую. Основными харак­теристиками ГПТ являются мощность, величина напряжения, ток якорной обмотки, частота вращения, коэффициент полезного дей­ствия, ток возбуждения, схемы соединения обмоток якоря и возбуждения.

ГПТ также состоит из неподвижного статора (станины) с явно выраженными главными полюсами (N и S, четное число). На полюсах намотаны обмотки воз­буждения (ОВ), создающие основной магнитный поток Ф. Имеется ротор (якорь), выполненный из электротехнической стали на валу с подшипниками. В пазах ротора расположена якорная обмотка. Ток к обмотке подводят посредством коллекторно-щеточного механизма. Для устранения для устранения реакции

якоря имеются добавочные полюсы. Основной магнитный поток Ф замыкается через магнитопровод якоря с обмоткой, станину и воздушные зазоры между ними. Поток называют продольным (вдоль главных полюсов). На рис. 18.1 схематично представлен ГПТ.

По отношению к якорной обмотке ОВ включают параллельно, независимо, последовательно, смешанно. При смешанном (компаундном) включении магнитные потоки различных ОВ могут усиливать или ослаблять общий магнитный поток через якорную обмотку.

Якорная обмотка (ЯО) обычно двухслойная, замкнутая на себя с отводами, соединенными с пластинами коллектора. Часть обмотки между двумя отводами называется секцией.

При вращении в магнитном поле в обмотке якоря возникает эдс Е, которая передается во внешнюю цепь через коллекторно-щеточный механизм. Коллекторно-щеточный механизм выполняет также функцию меха­нического преобразователя переменного напряжения секций якорной обмотки в напряжение постоянного тока ГПТ. В якорной обмотке возникает пульсация ЭДС. При 20 коллекторных пластинах пульсация составляет 0.62% от ЭДС.

При отсутствии нагрузки ток в ЯО близок к нулю, так как эдс параллельных ветвей(участков ЯО между ближайшими щетками) взаимно компенсируются

Эдс якорной обмотки описывается уравнением:

Е=Се n (Ф1 + Ф2 + Ф ост) 18.1.

где Е- эдс якорной обмотки на выводах Я1, Я2 ГПТ. В ГПТ лабораторного стенда Е=200-250 В; n- частота вращения, об/мин. В работе n=1400-1500 об/мин;

Се- конструктивный коэффициент обмотки определяется по формуле:

Се = р N / (60 а); N-число активных проводников обмотки якоря, р -число пар полюсов, а- число параллельных ветвей.

Ф1-магнитный поток, Вб, создаваемый параллельной ОВ, не зависит от тока якоря. (Обмотка с выводами Ш1, Ш2);

Ф2- магнитный поток, создаваемый током якорной об­мотки I я при протекании по последовательной ОВ. (Обмотка с выводами С1, С2).

Ф2= С Iя. 18.2.

В магнитопроводе статора имеется остаточный магнитный поток Фост. Поэтому в ЯО вращающегося якоря наводится эдс около 10 -20 В при отсутствие тока в ОВ. Ф1, Ф2, Фост складываются с учетом знака.

Напряжение на выходе генератора U зависит от тока наг­рузки Iя и собственного сопротивления якорной обмотки Rя.

U=Е-Iя Rя 18.3.

Более точно U=С е n (Ф1 +С Iя)-Iя Rя - U 18.4.

где U-падение напряжения из-за реакции якоря, в щетках, контактах и т. д.

В зависимости от величины и направления тока Iя в последова­тельной ОВ эдс Е может уменьшаться или, наоборот, увеличиваться, компенсируя падение напряжения в якорной обмотке Iя Rя и U.

При протекании тока в ЯО возникает по­перечное магнитное поле, приводящее к размагничиванию одной части главных полюсов и насыщению другой части полюсов - реакция якоря. Реакция якоря приводит к сильному искрению в щетках и нежелательна. Для устранения реакции якоря применяют добавочные полюсы, на которых расположены обмот­ки, соединенные последовательно с якорной обмоткой и замыкающие поперечное магнитное поле якоря на себя в обход главных плюсов.

В процессе работы из-за потерь в обмотках и потерь в магнитопроводе якоря на, а также трения в механических узлах ГПТ нагревается. Потери энергии в обмотках (как и в трансформаторах) зависят от режима работы и называются переменными потерями. Потери в магнитопроводе (как и в трансформаторах), не зависят от режима работы и называются постоянными потерями.

Охлаждение обмоток принудительное.

Кпд ГПТ зависит от режима работы и достигает максимума при равенстве потерь в магнитопроводе и якорной обмотке.

Существенно на работе ГПТ сказывается правильная коммута­ция в коллекторно-щеточном механизме. Наилучшей считается прямо­линейная коммутация (с одинаковой плотностью тока в щетках) или немного ускоренная. Замедленная коммутация нежелательна из-за усиленного искрения.

Эдс ветвей Е равна векторной сумме эдс секций. Напряжение между коллекторными пластинами зависит от их углового положения в данный момент в соответствии с потенциальной кривой. Щетки устанавливают в точках наименьшей крутизны потенциальой кривой (геометрическая нейтраль). В точках наибольшей крутизны потенциальной кривой возможно возникновение разряда с распространением его по поверхности статора (круговой огонь) при средней разности напряжения 15-18 В.

Генератор с самовозбуждением.

При вращении якоря генератора - даже без подачи внешнего напряже­ния возбуждения- в якорной обмотке наводится эдс за счет остаточ­ного магнитного поля статора.

Е=Се n Фост. 18.5.

При подключении Вращающейся ЯО к параллельной ОВ может произойти лавинообразный процесс возрастания напряжения в ЯО -генератор самовозбуждается. Существуют кри­тические значения частот вращения и сопротивлений цепи ОВ при которых самовозбуждение невозможно.

Если у ОВ изменить полярность подключения к выводам ЯО машина размагни­тится без самовозбуждения. То же самое произойдет при смене направления вращения ГПТ. Обычно в ГПТ с самовозбуждением используют комбинацию включения шунтовых (параллельных) и сериесных (последовательных) ОВ.

В ГПТ с самовозбуждением с параллельной ОВ допускается короткое замыкание ЯО. При наличии последовательной ОВ или доба­вочных полюсов КЗ в ЯО недопустимо.

Генератор с независимым (внешним) возбуждением (ГПТНВ).

В ГПТНВ на независимую ОВ подают напряжение от отдельного источника питания. При этом последовательную ОВ можно включить в цепь якоря для увеличения (или уменьшения) суммарного магнитного потока и выходного напря­жения при изменении тока нагрузки.

Характеристики ГПТ.

Существуют пять основных характеристик генераторов: характеристика холостого хода (ХХ), короткого замыкания (КЗ), внешняя, регулировочная и нагрузочная.

Характеристика ХХ- зависимость напряжения на зажимах якорной обмотки от напряжения ОВ при нулевом токе якоря.

Внешняя характеристика-зависимость напряжения ГПТ от тока нагрузки при постоянном токе возбуждения.

Регулировочная характеристика-зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном напряжении ГПТ.

Нагрузочная характеристика-зависимость выходного напряжения от тока возбуждения при фиксированном токе нагрузки.

Характеристика короткого замыкания- зависимость тока короткого замыкания предварительно размагниченной машины от тока возбужде­ния.

Рис.18.1. Схематичное изображение простейшего двухполюсного ГПТ. Якорь генератора содержит две ветви, отмеченных цифрами 1-2-3-4-5 и 1-8-7-6-5.

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Изучите конструкцию машины постоянного тока. Найдите ее основные узлы: станину, якорь, коллекторно-щеточный механизм, обмотки возбуждения, вентилятор системы охлаждения.

2. Найдите выводы обмоток машины постоянного тока. Измерьте их сопротивление и занесите в таблицу 18.1.

Таблица 18.1.

С1-С2 Я1-Я2 Ш1-Ш2

R= Ом R= Ом R= Ом

3. Соберите схему для исследования генератора с независимым возбуждением. Измерьте зависимость напряжения холостого хода на ЯО от тока возбуждения Iв в режиме холостого хода при постоянной частоте вращения (характеристику холостого хода). Измерения провести дважды: при увеличении тока возбуждения от 0 до максимального значения а затем при уменьшении тока от максимального з начения до нуля. Обратите внимание на расхождение прямой и обратной ветвей характеристики холостого хода. Результаты занести в таблицу 18.2.

Рис.18.2. Схема генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Таблица 18.2.Характеристика холостого хода

Iв, А

Uн, В

Iв, А

Uн, В

4. Исследовать зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и постоянном напряжении (регулировочная характеристика). Результаты занести в таблицу 18.3.

Т аблица 18.3. Регулировочная характеристика

Iн, А

I в, А

5. Исследовать зависимость напряжения от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и постоянном токе нагрузки (нагрузочную характеристику). Результаты занести в таблицу 18.4.

Т аблица 18.4. Нагрузочная характеристика.

U, В

I, А

6. Снимите зависимость напряжения генератора от тока нагрузки при постоянной частоте вращения и постоянном токе возбуждения (внешняя характеристика).

Таблица 18.5.Внешняя характеристика

U, В

I, А

7. Соберите схему для исследования генератора с параллельным возбуждением. Исследуйте процесс самовозбуждения генератора.

Рис.18.3. Схема ГПТ с параллельным возбуждением.

8. Исследуйте зависимость напряжения генератора от тока нагрузки.

Таблица 18.6. Внешняя характеристика генератора.

U, В

I, А

9. Соберите схему для исследования ГПТ с последовательным возбуждением.

Исследуйте зависимость напряжения на нагрузке от тока.

Рис.18.4. Схема ГПТ с последовательным возбуждением.

Таблица 18.7. Зависимость напряжения на нагрузке от тока.

U, В

I, А

9. Соберите схему для исследования генератора со смешанным возбуждением. Исследуйте зависимость напряжения от тока при различном сочетании включения шунтовой и сериесной обмоток.

Рис.18.5. Схемы ГПТ со смешанным возбуждением.

Таблица 18.7. Внешняя характеристика при сложении и вычитании потоков возбуждения

U, В

I, А

U, В

I, А

Рис.18.6. Распределение ЭДС в соответствии с потенциальной кривой.

Точки 1,2….8- контакты коллектора.

Выводы