2. Программа работы
1) Ознакомьтесь с устройством и принципом работы генератора постоянного тока.
2) Снять основные характеристики генератора: холостого хода, внешнюю, регулировочную, короткого замыкания.
3) Построить перечисленные характеристики по снятым экспериментальным данным.
3. Электрическая схема установки и порядок работы
1) Ознакомьтесь с устройством генератора постоянного тока.
2) Запишите номинальные данные исследуемого агрегата: Uн=28 В, Iн=12 А, nном=4000 об/мин.
3) Подберите измерительную аппаратуру для проведения исследований.
4) Соберите электрическую схему установки (рис. 1.5).
5) Подготовьте таблицы для записи результатов измерений (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5).
6) Сообщите преподавателю о готовности схемы к выполнению исследований и после его разрешения выполните программу исследований.
3.1.Снятие характеристики холостого хода Е = f(Iв) при n = const,I = 0.
1) После проверки схемы установки преподавателем возвратите схему в исходное положение: реостаты Rвг - максимальное сопротивление, реостат Rвд - минимальное сопротивление.
2) Включите источник питания электродвигателя, напряжение которого должно быть 27-28 В. После чего включите электродвигатель выключателем Q1, затем, увеличивая сопротивление реостата Rвд, установите заданную частоту вращения генератора n=nном, которая контролируется по показанию вольтметра U3 (6 В соответствует 1000 об/мин). Снимите и запишите в табл. 1.1 значения Uг и Iв по показаниям приборов.
3) Включите обмотку возбуждения генератора выключателем Q3. Запишите значения Uг и Iв. Для построения восходящей ветви плавно увеличивая ток возбуждения до максимального значения, зафиксируйте значения Uг и Iв на этом диапазоне изменения напряжения. Затем для построения нисходящей ветви, плавно уменьшите ток возбуждения до минимального значения, фиксируя значения Uг и Iв . Отключите обмотку возбуждения генератора (выключатель Q3 ) и запишите значения Uг и Iв .
4) Выключите приводной электродвигатель.
5) По измеренным данным постройте восходящую и нисходящую ветви характеристики намагничивания Uг = f(Iв), падением напряжения в цепи якоря при холостом ходе и реакцией якоря можно пренебречь, приняв Е0 U0. Проведите среднюю линию между этими ветвями. Эта линия и принимается за практическую характеристику холостого хода генератора.
Таблица 1.1
№ отсчета
|
Восходящая ветвь
|
Нисходящая ветвь
|
Среднее значение
|
Uг, В
|
IВ, А
|
Uг, В
|
IВ, А
|
Uг, В
|
IВ, А
|
|
|
|
|
|
|
|
3.2.Снятие внешней характеристики генератора Uг = f(I)
при Rв = const, n = nном = const
1) Включите двигатель (приводной) в соответствии с п. 2) раздела 3.1. Установите частоту вращения генератора n=nном и поддерживайте ее неизменной в процессе опыта.
2) Включите возбуждение генератора и реостатом Rвг отрегулируйте номинальное напряжение генератора Uг = Uном = 28 В.
3) Установите максимальное сопротивление Rн и включите нагрузку (выключатель Q2). Плавно уменьшая сопротивление Rн, установите по амперметру А1 номинальный ток генератора (Iн). Одновременно реостатом Rвг поддерживайте напряжение генератора (Uг), равное номинальному (28 В). Снимите и запишите в табл. 1.2 показания приборов I, Uг, Iв.
4) Плавно увеличьте сопротивление нагрузки до максимального значения. Запишите значения I, Uг, Iв. Отключите нагрузку (выключатель Q2), запишите значения Uг, Iв и снова включите нагрузку.
5) Выполните регулировки согласно пункта 3). После чего, плавно уменьшая сопротивление нагрузки Rн вплоть до короткого замыкания, снимите и запишите в табл. 1.2 8-10 значений показаний приборов I, Uг, Iв на этом диапазоне нагрузки.
6) Установите максимальное значение сопротивления (реостат введен полностью) и отключите нагрузку.
7) Выключите электродвигатель.
Таблица 1.2
№ отсчета
|
I, А
|
Uг, В
|
Iв, В
|
Примечание
|
1
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
.
.
.
|
|
|
|
|
3.3.Снятие регулировочной характеристики Iв = f(I) при
Uг = Uном = const, n = nном = const
1) Отключите выключателем Q2 нагрузку генератора. Включите электродвигатель и установите номинальные значения частоты вращения (реостатом Rвд) и напряжения генератора (реостатом Rвг).
2) Установите реостат Rн в положение максимального сопротивления и подключите его к генератору. Снимите и запишите в табл. 1.3 значения I,Uг,Iв,n.
3) Поддерживая постоянными частоту вращения и напряжение генератора, плавно увеличьте ток нагрузки до номинального. Через равные значения приращения тока нагрузки (6-7 точек) снимите к запишите в табл. 1.3 значения I, Uг, Iв, n.
4) Уменьшите реостатом Rн ток нагрузки до минимального значения и отключите нагрузку.
5) Выключите электродвигатель.
6) По полученным данным постройте регулировочную характеристику генератора.
Таблица 1.3
№ отсчета
|
I, А
|
IB, А
|
Uг = Uном, В
|
n = nном, об/мин
|
|
|
|
|
|
3.4.Снятие характеристики короткого замыкания Iя = f(Iв)
при n = nном = сonst, Uг = 0
1) Соберите электрическую схему генератора в соответствии с рис. 1.6, не изменяя схемы включения электродвигателя.
2) Установите ползунок потенциометра Rвг в исходное положение, обеспечивающее минимальный ток возбуждения генератора (Iв min). Включите питание цепи возбуждения. Запишите значения Iя и Iв в табл. 1.4.
3) Плавно увеличьте ток возбуждения до значения IЯ = Iном ,снимите 2-3 показания амперметра А1 и А2 (Iя, Iв).
4) Возвратите ползунок потенциометра Rвг в исходное положение, отключите питание цепи возбуждения генератора, выключите приводной электродвигатель.
5) По полученным данным постройте характеристику короткого замыкания.
Таблица 1.4
№ отсчета
|
I, А
|
IB, А
|
n=nном, об/мин
|
|
|
|
|
4. Содержание отчета
1) Номинальные данные генератора.
2) Электрическая схема установки.
3) Таблицы измерений и вычислений.
4) Расчетные формулы и примеры расчета.
5) Характеристики генератора: холостого хода, внешняя, регулировочная, короткого замыкания.
6) Выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1) Поясните устройства и принцип работы машин постоянного тока.
2) На какие группы делятся генераторы по способу их возбуждения и в чем состоит их отличие?
3) Напишите и поясните уравнение электрического равновесия генератора.
4) Напишите и поясните уравнение баланса мощностей генератора.
5) Почему с увеличением тока нагрузки напряжение на выходе генератора уменьшается?
6) В чем заключается принцип самовозбуждения и каковы условия самовозбуждения для генератора с параллельным возбуждением?
7) Почему восходящая и нисходящая ветви характеристики холостого хода генератора не совпадают?
8) Как выражается коэффициент полезного действия генератора?
9) Каково назначение добавочных полюсов и компенсационной обмотки?
10) Чем объясняется нелинейный характер регулировочной характеристики генератора с параллельным возбуждением?
11) Каково назначение коллектора в генераторе постоянного тока?
12) Что такое размагничивающее действие реакции якоря?
13) Какие участки содержит магнитная цепь машины?
14) В чем сущность явления реакции якоря машин постоянного тока?
15) Каковы причины, способные вызвать круговой огонь по коллектору?
16) Чем обусловлено падение напряжения генератора с ростом нагрузки?
17) Почему характеристика короткого замыкания имеет вид линейной зависимости?
18) Когда заканчивается процесс самовозбуждения генератора?
19) Почему ток установившегося короткого замыкания не опасен для генератора с параллельным возбуждением?
20) Чем обусловлен ток короткого замыкания Iко при токе возбуждения, равном нулю?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО РЕГУЛЯТОРА ЯРКОСТИ
Цель работы
1. Ознакомление с принципом действия резонансного регулятора яркости аэродромных огней.
2. Экспериментальное исследование основных характеристик регулятора яркости в программной среде моделирования электронных схем Multisim.
1. Краткие теоретические сведения
Светосигнальные посадочные системы должны обеспечивать необходимую яркость огней в зависимости от метеоусловий. В соответствии с нормами ИКАО существует пять ступеней яркости аэродромных огней: 100%, 30%, 10%, 3%, 1% от номинальной силы света огня. Для регулирования яркости огня изменяют величину тока, протекающего через источник света. Номинальный ток аэродромных источников света равен 6.6 А, для того чтобы обеспечить указанные ступени яркости, токи через источник света должны составлять: 6.6А, 5.36А, 4.53А, 3.86А, 3.36А. Устанавливают необходимый ток с помощью устройства, которое называется регулятор яркости. Регулятор яркости обеспечивает стабилизацию тока с погрешностью не более ±0.1 А и, кроме того, выполняет ряд дополнительных функций, например, контроль изоляции кабельных линий.
С целью обеспечения одинаковой яркости всех огней вдоль ВПП они включаются последовательно через трансформаторы тока, образуя так называемое кабельное кольцо. Трансформаторы тока обычно имеют коэффициент трансформации 1 и обеспечивают изоляцию источника света от высокого напряжения в кабельном кольце, которое может достигать нескольких киловольт.
Стабилизация тока в кабельном кольце может быть обеспечена разными способами: с помощью резонансного моста, магнитных усилителей, тиристорных регуляторов. В данной работе рассматривается работа резонансного моста.
На рис. 2.1 показана принципиальная схема резонансного моста, используемого в регуляторе яркости.
Значения индуктивности дроссельных катушек и емкостей кон денсаторов подобраны так, что индуктивные сопротивления катушек равны емкостным сопротивлениям конденсатора, т. е.
где ω — угловая частота тока питающей сети.
В данном случае мостовая схема является уравновешенной. Для вывода необходимых соотношений для резонансного моста введем следующие обозначения:
 ─ входное напряжение (напряжение сети);
 ─ напряжение на полезной нагрузке;
 ─ сила тока в питающей сети;
Рис.2.1
 ─ сила тока в катушке;
 ─ сила тока в конденсаторе;
 ─ сила тока полезной нагрузки.
Для указанных на рис.2.1 направлений мгновенных токов можно написать
 , (2.1)
откуда  (2.2)
Для падения напряжения между точками А и Д по второму закону Кирхгофа имеем:
 .
Перед вторым членом в выражении поставлен знак минус потому, что емкостный ток опережает индуктивный на 180°.
Заменив в уравнении из выражения (2.1) и из выражения (2.2), получим:
Так как мост уравновешен и вторые члены выражений равны нулю, то:
откуда
(2.3)
Это выражение показывает, что ток нагрузки при постоянных значениях входного напряжения, индуктивности и емкости моста является величиной постоянной и не зависит от сопротивления нагрузки.
Мощность же, потребляемая из сети, и мощность выходной цепи будет увеличиваться с увеличением нагрузки. В первичной цепи с увеличением нагрузки увеличивается сила тока, а в выходной цепи увеличивается напряжение.
Для напряжения в выходной цепи будет действительно уравнение
Заменив в этом уравнении его значением из выражения (2.3), получим:
 (2.4)
Это выражение показывает, что напряжение в выходной цепи резонансного моста прямо пропорционально сопротивлению нагрузки.
При минимальном значении сопротивления нагрузки, т. е. когда  , что равносильно короткому замыканию в цепи нагрузки, на пряжение на выходе моста будет иметь нулевое значение, а при  , что равносильно разрыву в цепи нагрузки, напряжение на выходе моста возрастает до бесконечности.
Таким образом, выходная цепь резонансного моста не боится короткого замыкания, но не допускает разрывов в своей цепи, т. е. обладает противоположными свойствами по сравнению с обычными схемами.
Для полной характеристики резонансного моста следует определить, от каких параметров зависит входной ток моста, т. е. ток, потребляемый резонансным мостом от сети.
Для контура ВАЕ (рис.2.1) в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать равенство
Так как мост уравновешен и справедливо равенство
будем иметь:
На основании этого уравнения и выражения (2.4) получим:
Из полученного выражения следует, что ток, потребляемый резонансным мостом из сети, прямо пропорционален сопротивлению нагрузки, включенной в выходную цепь моста.
Мы рассмотрели основные закономерности для идеального резонансного моста переменного тока, т. е. для такого случая, когда отсутствуют активные потери в индуктивных и емкостных сопротивлениях, установленных в плечах моста, и когда строго соблюдается равенство:
В реальных схемах резонансного моста нельзя обеспечить строгое соблюдение этого равенства при всех режимах работы вследствие:
а) различных активных потерь в дросселях и конденсаторах (в конденсаторах они составляют ~ 1%, а в дросселях — около 5% от реактивной мощности);
б) неточного подбора величин емкости конденсаторов и индуктивности дросселей (по техническим условиям для них имеются определенные допуски от номинального значения);
в) колебания частоты питающей сети.
В этом случае полученные выше выражения для выходного тока, выходного напряжения и тока, потребляемого из сети, будут давать результаты, несколько отличные от расчетных значений. Это приводит к тому, что выходной ток In при изменении на грузки не будет иметь постоянную величину. Выходное напряжение и входной ток при крайних значениях нагрузки, т. е. при Zn = ∞ и Zn = 0, соответственно не возрастают до бесконечно большого зна чения и не снижаются до нуля, а имеют некоторые конечные значения, но приближающиеся к этим величинам.
Чтобы избежать чрезмерного повышения напряжения при обрыве в цепи нагрузки, выходная диагональ резонансного моста подключается к нагрузке через специальный изолирующий (выходной) трансформатор. Обычно коэффициент трансформации этого трансформатора равен единице. В этом случае при обрывах в цепи нагрузки выходная диагональ резонансного моста остается замкнутой на первичную обмотку изолирующего трансформатора, а величина тока в выходной диагонали моста равна току холостого хода трансформатора. Наступающее при этом магнитное насыщение в изолирующем трансформаторе ограничивает напряжение на выходе моста.
К резонансному мосту может быть подано любое напряжение, в том числе и стандартное сетевое напряжение в 220 или 380 В. Если резонансный мост питать таким напряжением, то для получения необходимой мощности регулятора яркости потребуются конденсаторы и дроссели большой емкости и индуктивности, поэтому напряжение питания моста обычно повышают.
Повышение напряжения сети производится при помощи регулировочного трансформатора, переключение отпаек которого обеспечивает регулировку ступеней яркости огней. Схема подключения огней к резонансному регулятору яркости приведена на рис.2.2.
Рис. 2.2. Принципиальная схема питания огней ВПП при помощи регулятора яркости:
1 -регулирующий трансформатор; 2- резонансный мост; 3- изолирующий трансформатор; 4- кабельное кольцо; 5- трансформатор тока огня.
2. Программа работы
1) Ознакомьтесь с принципом работы резонансного регулятора тока.
2) Провести моделирование режимов работы резонансного регулятора с помощью программного эмулятора электронных схем Multisim 10. Снять и построить зависимости:
-выходного тока регулятора от сопротивления нагрузки, входного тока моста от сопротивления нагрузки для 1-й и 5-й ступеней яркости;
-потребляемой мощности от сети, напряжения на кабельном кольце и напряжения на конденсаторе от ступеней яркости.
3. Порядок работы
1) Ознакомьтесь с программой моделирования Multisim.
2) Запустите среду моделирования Multisim и откройте файл «Резонансный РЯ» из директории, указанной преподавателем.
3) Проверьте соответствие схемы моделирования схеме, приведенной на рис.2.3, при необходимости внесите соответствующие коррективы. Сопротивление нагрузки 25 Ом соответствует сопротивлению группы ламп входных огней ВПП (11ламп мощностью 100 Вт каждая).
4) Измерьте значения выходного тока регулятора, входного тока моста, потребляемой мощности от сети и напряжения на конденсаторе для различных ступеней яркости, данные занесите в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Ступени яркости
|
1(1%)
|
2(3%)
|
3(10%)
|
4(30%)
|
5(100%)
|
Ток ламп, А
|
|
|
|
|
|
Ток на входе моста, А
|
|
|
|
|
|
Потребляемая мощность, (кVA)
|
|
|
|
|
|
Напряжение UC, В
|
|
|
|
|
|
Для установки требуемой ступени яркости пропорционально изменяйте напряжение источника V1 (см. примечание), напряжение 220 В соответствует 5-й ступени яркости. Постройте графики для табл. 2.1.
Примечание. Для изменения какого-либо параметра элемента необходимо установить указатель мыши на элемент и нажать правую кнопку мыши, в открывшемся меню выбрать подменю «свойства» и установить требуемые параметры. Установку параметров проводить при отключенном положении выключателя моделирования.
5) Измерьте: значения выходного тока регулятора, входного тока моста, потребляемой мощности от сети и напряжения на кабельном кольце для различных сопротивлений нагрузки кабельного кольца, данные занесите в табл. 2.2. Для этого установите номинальное напряжение источника (V1=220 В) и, изменяя сопротивление R1 от 1 Ом до 1000 Ом, заполните табл. 2.2. Постройте соответствующие зависимости.
Таблица 2.2
Сопротивление нагрузки, Ом
|
1
|
2
|
4
|
8
|
16
|
32
|
64
|
128
|
256
|
612
|
1000
|
Ток ламп, А
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ток на входе моста, А
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Потребляемая мощность, кVA
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение на нагрузке, В
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6) Исследуйте влияние погрешности напряжения питания и частоты на точность стабилизации тока резонансным мостом. Для этого постройте зависимости тока нагрузки моста для трех значений напряжения (200, 220, 240 В) и трех значений частоты (49, 50,51 Гц). Сопротивление нагрузки должно быть 25 Ом.
Рис.2.3. Схема моделирования резонансного РЯ
4. Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Электрическая схема моделирования.
3. Таблицы измерений и вычислений.
4. Построенные зависимости.
5. Выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1. Назовите ступени яркости аэродромных огней.
2. Нарисуйте схему соединения аэродромных огней одного назначения.
3. Как обеспечивается постоянство яркости аэродромных огней?
4. Каким достоинством обладает резонансный мост?
5. Как изменится яркость огней кабельного кольца в случаях:
-перегорания одной или нескольких ламп?
-короткого замыкания первичной или вторичной обмоток изолирующего трансформатора лампы?
6. В чем опасность обрыва кабельного кольца?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Цель работы
1. Ознакомиться с импульсно-фазовым способом управления тиристором – основным исполнительным элементом тиристорных регуляторов яркости и вспомогательных источников электропитания.
2. Изучить принцип действия и устройство однофазного управляемого тиристорного выпрямителя.
3. Снять временные диаграммы и угловую характеристику управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку.
1. Краткие теоретические сведения
В настоящее время основным типом регуляторов яркости аэродромного светосигнального оборудования являются тиристорные регуляторы, выпускаемые на мощности от единиц до десятков киловатт. Регулирование величины тока в кабельном кольце осуществляется путем изменения времени открытого состояния тиристора в течение периода питающего напряжения. Тиристор в данном случае используется как мощный управляемый ключ, причем для управления нагрузкой на переменном токе используется встречно-параллельное включение тиристоров или их разновидность – симисторы.
Управляемые тиристорные выпрямители также применяются в бесперебойных источниках электропитания.
1.1. Описание лабораторной установки
Исследуемый однофазный управляемый выпрямитель (рис.3.1) содержит:
тиристор VS, включенный по однополупериодной схеме выпрямления;
фазосмещающее устройство - мостовой фазовращатель МФВ;
блок формирования импульсов БФИ;
блок питания схемы управления БПУ.
Управляемый выпрямитель позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Регулирование напряжения на выходе выпрямителя сводится к управлению моментом отпирания тиристора VS. Это достигается за счет изменения угла сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора.
Рис.3.1
В схеме реализован импульсно-фазовый способ управления по так называемому “горизонтальному принципу”. На управляющий электрод тиристора подаются импульсы напряжения UY (рис.3.2), которые могут сдвигаться во времени по отношению к моменту появления положительной полуволны напряжения на аноде тиристора. В результате меняется момент отпирания тиристора. Начиная с этого момента и до конца положительной полуволны анодного напряжения, тиристор находится в открытом состоянии.
Фазовый сдвиг , соответствующий моменту отпирания тиристора, называется углом управления.
При работе выпрямителя на активную нагрузку RH среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением:
|
(3.1)
|
где U0 - среднее значение напряжения неуправляемого выпрямителя.
На рис. 3.2 (а), (б), (в) изображены кривые выпрямленного напряжения
Рис.3.2
 для трех значений угла управления: = 0, = 900, = 1800.
Для четкого и надежного отпирания тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт и достаточную амплитуду. Формирование управляющих импульсов осуществляется блоком БФИ.
Для изменения времени прихода импульсов на управляющий электрод тиристора необходимо смещать фазу напряжения, поступающего на вход БФИ. Если это напряжение, оставаясь неизменным по амплитуде, перемещается вдоль оси абсцисс, то такой принцип управления называют “горизонтальным”.
На схеме рис. 3.1 напряжение в цепь управления тиристора VS подается через блок БФИ от мостового фазовращателя (МФВ). Фазовращатель состоит из трансформатора TV1 с выводом средней точки вторичной обмотки, конденсатора С1 и переменного резистора R1.
При изменении R1 от нуля до максимального значения фаза напряжения на диагонали моста Ucd плавно изменяется от 00 до 1800. Для иллюстрации на рис.3.3 приведена векторная диаграмма мостового фазовращателя.
Рис.3.3
Из диаграммы видно, что при изменении сопротивления резистора в пределах 0 R1 < конец вектора Ucd перемещается по дуге окружности от точки а до точки b. При этом вектор Ucd, оставаясь неизменным по величине, поворачивается на 1800.
Если напряжения вторичных обмоток трансформатора ТV-1 и ТV-2 совпадают по фазе, то фаза напряжения Ucd практически равна углу управления .
Из векторной диаграммы:  . (3.2)
Управляющее напряжение с диагонали фазовращателя через балластный резистор R2 поступает на блок формирования импульсов БФИ. Блок выполнен на транзисторе VТ p-n-p типа, включенном по схеме с общим эмиттером и работающем в ключевом режиме. Нагрузкой транзистора служит резистор R3.
Амплитуда синусоидального напряжения между базой и эмиттером достаточна для создания насыщенного состояния транзистора. В отрицательный полупериод, когда база транзистора приобретает более низкий потенциал, чем эмиттер, транзистор V открывается и выходит в режим насыщения. В положительный полупериод транзистор закрывается. Вследствие этого выходное напряжение на коллекторе имеет трапецеидальную форму.
После дифференцирования трапецеидального напряжения цепочкой R4 С4 формируются пикообразные импульсы с крутым передним фронтом. В момент насыщения транзистора создается импульс положительной полярности, при закрывании - отрицательной.
Для управления тиристором используются импульсы только положительной полярности. Отрицательные импульсы срезаются диодом VD1, включенным в цепь управляющего электрода тиристора Т. В ту же цепь включен резистор R5, ограничивающий амплитуду тока управления.
Визуальное наблюдение за формой управляющего импульса производится с помощью осциллографа С1-1,на вход которого подается напряжение с резистора R5.
Питание коллекторной цепи транзистора VT осуществляется от блока БПУ, состоящего из трансформатора TV3, мостового выпрямителя на диодах VD2; VD3; VD4; VD5 и сглаживающего фильтра С2 R6 С3.
Вольтметр V1 и амперметр А1 измеряют среднее значение выпрямленного напряжения и среднее значение выпрямленного тока.
Вольтметр V2 измеряет действующее значение напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора TV2.
Резистор RН служит нагрузкой управляемого выпрямителя.
|
