Р г а н и з а ц и я р а б от

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ

Лабораторные работы проводятся на стендах в лаборатории

«Теоретические основы электротехники» с использованием реального оборудования. Возможно также проведение работ на компьютере с использованием моделирующих программ WorkBench Electronics или Multisim, при этом содержание работ остается неизменным.

Для выполнения лабораторных работ учебная группа (подгруппа) разбивается на бригады по 2-4 человека.

Перед проведением работы студенты должны ознакомиться с ее описанием и заданиями, изучить соответствующий раздел теоретического курса, подготовить (начертить) электрические схемы и таблицы для результатов измерений и вычислений.

Допуск студентов к лабораторной работе осуществляется на основе

индивидуальной беседы преподавателя со студентом или при условии положительных ответов студента на вопросы автоматизированных средств контроля. Допуск к очередной работе может производиться при условии предварительной защиты предыдущих работ. При недопуске студент обеспечивается индивидуальным учебным заданием и должен находиться до окончания занятий в учебной лаборатории.

Прежде чем приступить к сборке схемы лабораторной работы, нужно подобрать необходимые приборы, вспомогательную аппаратуру (реостаты, шунты, магазины сопротивлений, емкостей и т.п.).

Сборку электрической схемы следует начинать с основных силовых цепей, включающих нагрузки, амперметры, токовые обмотки ваттметров. После этого подключить вольтметры и обмотки напряжений ваттметров. После окончания сборки схемы следует предъявить ее для проверки преподавателю. Включать схему под напряжение только с разрешения преподавателя!
ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ЗАЩИТА

После оформления экспериментальной части лабораторной работы студенты обрабатывают результаты и составляют отчет о проделанной работе. Отчет оформляется в тетради или на специальных бланках выполнения лабораторных работ.

Схемы, таблицы, графики выполняются карандашом в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД. Допускается применение средств компьютерной графики.

Защита лабораторной работы производится непосредственно после ее выполнения и оформления на данном или следующем занятии в лаборатории.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Цель работы

1. Ознакомление с устройством и принципом действия электрических машин на примере генератора постоянного тока.

2. Экспериментальное исследование основных характеристик генератора параллельного возбуждения.

1. Краткие теоретические сведения


Рис.1.1
Принцип действия генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Сущность этого явления в применении к генератору постоянного тока состоит в том, что в обмотке, расположенной на стальном сердечнике, находящемся в магнитном поле и приведенном во вращение внешней силой двигателя, наводится ЭДС (рис1.1).

Величину ЭДС обмотки генератора можно определить следующим образом. В каждом проводнике обмотки якоря в процессе работы генератора постоянного тока наводится ЭДС.

е = В  l  ,

где B – индукция в воздушном зазоре машины; l – длина проводника (l равна отрезку aa^');

– линейная скорость проводника.

Магнитная индукция в разных точках воздушного зазора неодинакова и отличается по величине и по знаку. Среднее значение ЭДС в проводниках обмотки:

Е_ср = В_ср  l  .

ЭДС обмотки якоря Е_я определяется произведением среднего значения ЭДС одного проводника на число последовательно соединенных проводников одной параллельной ветви обмотки якоря:



где N - число проводников обмотки якоря; 2а - число параллельных ветвей, т.е. групп последовательно соединенных витков (секций), ток в которых имеет одинаковое направление.

Воспользовавшись выражением линейной скорости , получим:

.

Здесь D - диаметр якоря (отрезок a^'b^'), n - частота вращения якоря, об/мин. Расстояние, измеренное по окружности якоря между соседними полюсами машины, называют полюсным делением τ, а число пар полюсов машины обозначено p. Учитывая, что полюсное деление , то D=  2р и для ЭДС обмотки якоря получим:



Произведение l   представляет площадь, через которую проходит магнитный поток полюса Ф, поэтому

В_ср  l   = Ф.

Обозначив постоянную величину через С_е - конструктивную постоянную машины, окончательно получим:

Е_я = С_е  Ф  n.

Уравнение электрического равновесия генератора (уравнение для электрической цепи якоря) постоянного тока:

Е = U + I_я  R_ям + 2U_щ ,

где Е - ЭДС генератора; U - напряжение на зажимах генератора; I_я - ток якоря; R_ям - сопротивление последовательно соединенных обмоток якоря и дополнительных полюсов; 2U_щ - падение напряжения на сопротивлении R_щ щеточных контактов.

Обозначив через R_я сопротивление цепи якоря R_я = R_ям + R_щ, получим уравнение в более простом виде:

 Е = U + I_яR_я  (1.1)

Умножив обе части равенства (1.1) на ток якоря, получим уравнение баланса мощностей:

ЕI_я = UI_я + I_я²R_я. (1.2)

Для генератора с параллельным возбуждением

I_я = I + I_в, (1.3)

где I - ток нагрузки, I_в - ток возбуждения.

Уравнение баланса мощностей принимает вид:

ЕI_я = UI + UI_в + I_я²R_я , (1.4)

где ЕI_я = Р_эм - электромагнитная мощность генератора; UI = Р₂ - полезная мощность; UI_в - потери в цепи возбуждения; I_я²R_я - потери в цепи якоря.

При подключении нагрузки ток якоря I_я создает в генераторе электромагнитный момент М_эм, соответствующий его электромагнитной мощности, Р_эм который выражается формулой:

, где

или

(1.5)

где - конструктивная постоянная машины;  - угловая скорость вала генератора.

Этот момент является тормозным по отношению к моменту М_I, приложенному к валу генератора со стороны первичного двигателя. М_I больше М_эм на величину момента холостого хода генератора М_о, соответствующего механическим потерям Р_мех и потерям в стали Р_с,

М_I = М_эм + М_о. (1.6)

Мощность, подведенная к генератору, равна:

Р₁ = Р_эм + Р_мех + Р_с = Р_эм + Р_о.

Коэффициент полезного действия (КПД) генератора определяется соотношением:

,

где: Р₁ – мощность, подводимая к генератору; Р₂ – полезная мощность, отдаваемая генератором, – сумма потерь.

Максимум КПД наступает при равенстве суммы Р_мех + Р_с электрическим потерям в обмотках Р_э.

Кроме перечисленных потерь в машинах постоянного тока возникают также добавочные потери, вызываемые пульсациями магнитного потока, магнитными полями коммутируемых секций якоря, искажением основного потока, действием реакции якоря. Они составляют примерно 1% от полезной мощности генератора.

Генераторы постоянного тока обычно классифицируют по способу подключения обмотки возбуждения, т.к. от этого существенно зависят характеристики генераторов. На рис.1.2 показаны основные схемы генераторов.



Рис.1.2. Схемы генераторов: а) с независимым возбуждением; б) параллельным; в) последовательным; г) смешанным.

На рисунке обозначены: w_в – обмотка возбуждения; w_пар, w_пос – соответственно параллельная и последовательная обмотки возбуждения.
1.1. Характеристики генератора параллельного возбуждения

Магнитные и электрические свойства генераторов оцениваются по их основным характеристикам.

1) Характеристика холостого хода (рис. 1.3, а) представляет зависимость ЭДС Е генератора от тока возбуждения при постоянных значениях частоты вращения и токе нагрузки I, равном нулю, т.е.

Е = f(I_в) при n = const и I = 0.

Особенностью характеристики холостого хода является наличие остаточной ЭДС - Е_ост и относительно широкой петли гистерезиса. За практическую характеристику холостого хода принимается средняя (пунктирная) линия между восходящей и нисходящей ветвями.


2) Внешняя характеристика (рис.1.3,б) генератора представляет зависимость напряжения U от тока нагрузки I (тока якоря) при постоянных значениях частоты вращения n и сопротивления цепи возбуждения R_в, т.е. U=f(I_в) при n = const и R_в = R_вном. С ростом нагрузки напряжение генератора падает сначала за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины I_яR_я и уменьшения тока возбуждения из-за снижения напряжения, а также за счет размагничивающего действия поперечной реакции якоря, вызывающей уменьшение результирующего магнитного потока. При перегрузках вследствие большего размагничивания машины поле генератора с параллельным возбуждением опрокидывается и установившийся ток при коротком замыкании I_{к уст} определяется остаточным магнитным потоком. Несмотря на то, что I_{к уст} может быть меньше номинального, короткие замыкания опасны из-за того, что переходный ток короткого замыкания значителен. Кроме того, длительное протекание установившегося тока I_{к уст} может привести к размагничиванию машины.

3) Регулировочная характеристика (рис. 1.3, в) представляет зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I при постоянной частоте вращения n и напряжении U

I_в = f(I) при n = const и U = const.

Регулировочные характеристики показывают, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы напряжение оставалось постоянным.

4) Нагрузочная характеристика (рис. 1.3, г) представляет зависимость напряжения генератора U от тока возбуждения при постоянных значениях частоты вращения n и тока нагрузки I (ток якоря I_я), не равного нулю

U = f(I_в) при n = const и I = const.

По характеристике холостого хода и нагрузочной строится характеристический треугольник "авс", в котором катет "ав" равен падению напряжения в цепи якоря (I_яR_я), другой катет "вс" выражает магнитодвижущую силу (МДС) реакции якоря (в масштабе тока возбуждения), а гипотенуза "ас" пропорциональна току нагрузки. Падение напряжения "bd", равное разности между характеристикой холостого хода (Е_о) и внутренней (Е), вызывается размагничивающим действием реакции якоря.

5) Характеристика короткого замыкания (рис. 1.3, д) представляет зависимость тока якоря I_я от тока возбуждения I_в при постоянных значениях частоты вращения и напряжении, равном нулю

I_я = f(I_в) при n = const и U = 0.

Снятие характеристики приводится по схеме с независимым возбуждением при пониженном токе возбуждения. Магнитная система машины при этом не насыщена.

1.2. Самовозбуждение генератора

В генераторе параллельного возбуждения обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, для питания ее не требуется постороннего источника питания. Напряжение на обмотку возбуждения подается с зажимов якоря генератора. Ток в обмотке возбуждения:

.

Вольтамперная характеристика цепи возбуждения I_вR_в = f(I_в) при R_в = соnst представляет собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 1.4).

Самовозбуждение генератора происходит вследствие того, что магнитная система машины, будучи однажды намагниченной, сохраняет небольшой магнитный поток за счет остаточного магнетизма Ф_ост. При вращении якоря этот поток наводит в обмотке якоря небольшую ЭДС - Е_ост, под действием которой в цепи возбуждения возникает небольшой ток I_в. Если МДС возбуждения I_вW_в создает поток, направленный согласно с потоком Ф_ост, то произойдет увеличение магнитного потока машины. Это приведет к дополнительному увеличению ЭДС Е₀₁ генератора. Увеличение ЭДС генератора приведет к увеличению тока возбуждения I_в и т.д. Процесс постоянного нарастания ЭДС продолжается, пока напряжение генератора не достигнет определенной величины, зависящей от параметров генератора. Величина ЭДС Е_о, до которой самовозбудится генератор, зависит от угла наклона вольтамперной характеристики, т.е. от сопротивления цепи возбуждения R_в. Следовательно, чем больше R_в, тем меньше ЭДС Е_о, до которой самовозбудится генератор. При R_в > R_кр генератор вообще не самовозбуждается.

Поэтому самовозбуждение генератора с параллельным возбуждением возможно лишь при соблюдении следующих условий:

1) магнитная цепь машины должна иметь поток остаточного магнетизма;

2) магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен быть направлен согласно с потоком остаточного магнетизма;

3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического.