close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

MartinovTimofeev

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург
2016
Составители: А. А. Мартынов, С. С. Тимофеев
Рецензент – канд.техн.наук, доцент Волохов М. А.
В пособие содержатся основы электромеханического преобразования электроэнергии в электрических машинах постоянного тока, излагаются конструктивные схемы электрических машин постоянного
тока, а также указания по выполнению лабораторных работ по электрическим машинам, описание экспериментов, рекомендации по
анализу результатов экспериментов и выполнению отчетов о проделанной работе. Предназначено для студентов очной формы обучения
изучающих курс электрических машин и может быть полезна студентам вечернего отделения соответствующих специальностей.
Подготовлено к публикации кафедрой электромеханики и робототехники по рекомендации методической комиссии института № 3.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка В. Н. Костиной
Сдано в набор 20.06.16. Подписано к печати 22.09.16. Формат 60×84 1/16.
Усл. печ. л. 3,3. Тираж 50 экз. Заказ № 350.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторные работы, связанные с исследованием электрических
машин, отличаются большим количеством разнообразных измерений как электрических (ток, напряжение, мощность), так и неэлектрических (момент, частота вращения) величин. Кроме того, в ходе
экспериментов выполняют различные регулировки и переключения,
связанные с пуском машины, изменением частоты вращения, нагрузочного момента и т. п. Поэтому заданная программа лабораторной
работы может быть успешно выполнена в отведенное для этого время
только при условии тщательной подготовки и продуманных действий
всей бригады студентов при выполнении работы. При этом имеется в
виду не только проведение экспериментов, но и обработка полученных результатов и составление отчета по лабораторной работе.
Получив разрешение преподавателя, бригада приступает к выполнению лабораторной работы. Вначале необходимо ознакомиться и записать в рабочую тетрадь номинальные данные исследуемого объекта (электрических машин, трансформаторов), а затем
выяснить расположение измерительных приборов и пускорегулирующей аппаратуры, предназначенных для выполнения эксперимента. При выборе измерительных приборов необходимо руководствоваться не только соответствием предела измерения прибора
наибольшему значению измеряемой величины, но и соответствием
системы прибора роду измеряемых токов и напряжений.
Пусковые и регулировочные реостаты, необходимые для выполнения работы, расположены на лабораторном стенде или вблизи него, поэтому следует лишь установить назначение каждого из них.
При сборке схемы целесообразно придерживаться следующего правила: сначала выполнить все соединения в последовательной (токовой)
цепи, т. е. соединить все элементы схемы, предназначенные для последовательного включения (амперметры, последовательные катушки
ваттметров, последовательные обмотки возбуждения машин постоянного тока, фазные обмотки статоров машин переменного тока и т. п.), а
затем присоединить элементы схемы параллельного включения (вольтметры, параллельные катушки ваттметров, параллельные обмотки
возбуждения машин постоянного тока с регулировочными реостатами
и т. п.). Такой прием позволяет сознательно подойти к оценке назначения каждого элемента схемы и тем самым избежать ряда ошибок при
сборке схемы, например, элемент схемы, предназначенный для последовательного включения, присоединить параллельно, и наоборот.
3
Если электрическая схема включает в себя большое количество
измерительных приборов и регулировочных реостатов, то одновременно со сборкой схемы следует провести маркировку измерительных приборов и регулировочных реостатов (на бумажных или картонных бирках записать обозначение элементов схемы и прикрепить к ним). Эта мера наиболее целесообразна в начальный период
работы студентов в лаборатории электрических машин и электропривода. Необходимо правильно подбирать провода с учётом величины тока, который будет протекать по ним. Токовые цепи необходимо собирать проводами большего сечения, а параллельные цепи,
например, вольтметровые, проводами малого сечения.
При сборке схемы нужно по возможности избегать перекрещивания проводов и на один зажим присоединять не более трех проводов. Все соединения проводов должны быть надежными. Следует
помнить, что отыскание нарушенного контакта часто отнимает
больше времени, чем тщательное присоединение проводов.
После сборки схемы ее проверяют, при этом если сборку схемы
выполнял один член бригады, то проверять ее должен другой. При
этом необходимо рукоятки пусковых и регулировочных реостатов
поставить в положение, соответствующее пуску машины: рукоятку
пускового реостата установить на отметке «СТОП», а рукоятки регулировочных реостатов в цепи возбуждения поставить в положение,
соответствующее наибольшему значению тока возбуждения у двигателей или наименьшему значению этого тока у генераторов. Если в
схеме применен регулировочный автотрансформатор, то его рукоятку
следует поставить в положение, соответствующее нулевому значению
выходного напряжения. Следует также проверить, стоят ли стрелки
измерительных приборов на нулевом делении шкалы. При необходимости их положение следует подкорректировать с помощью отвёртки.
Собранную схему нужно показать преподавателю, и преподаватель производит пробное включение лабораторной установки. При
этом необходимо обратить внимание на показания приборов. В цепи постоянного тока при использовании измерительного прибора
магнитоэлектрической системы возможно отклонение стрелки влево от нуля. В этом случае, отключив установку, следует поменять
местами подходящие к прибору провода.
При пробном включении установки необходимо также перемещением ручек регулировочных реостатов проверить, как изменяется регулируемый параметр машины (напряжение на выходе генератора или частота вращения двигателя) и не выходят ли стрелки измерительных приборов за пределы шкалы. Если какой-либо
4
параметр машины не регулируется или прибор «зашкаливает»,
нужно отключить установку и заменить соответствующий регулировочный реостат или прибор либо изменить условия эксперимента, например, увеличить диапазон изменения сопротивления в цепи обмотки возбуждения электрической машины. Если же пробное
включение показало, что все элементы схемы работают нормально,
то можно приступить к проведению эксперимента.
Отсчеты по всем измерительным приборам следует вести по возможности одновременно. Для этого между членами бригады должны быть заранее распределены обязанности по снятию показаний
измерительных приборов и регулировке параметров. Показания
приборов снимают по команде студента, выполняющего регулировку параметров машины.
Нельзя делать перерыва в начатой серии наблюдений. Если появились сомнения в правильности показания какого-либо прибора, то необходимо повторить снятие показаний по всем приборам. Показания
записывают в заранее заготовленные таблицы с необходимым количеством граф, в точном соответствии с единицами измерений, указанными на шкале прибора. Никаких пересчетов показаний на другие
единицы или же учет коэффициента трансформации измерительного
трансформатора тока во время опыта делать не следует. Например,
если измерение ведется многопредельным измерительным прибором,
то в таблицу записывают показания в количестве делений шкалы, отмеченных стрелкой, без умножения показания на цену деления. Если
же этого правила не придерживаться, то вероятность ошибки резко
возрастает, а при обнаружении ошибки невозможно определить, когда
она допущена – при снятии показаний прибора или при их пересчете.
По окончании эксперимента, не разбирая схемы, выполняют
все необходимые расчеты и на заранее заготовленную координатную сетку наносят точки будущих графиков и соединяют их плавной кривой линией. Затем каждый студент должен внимательно
проанализировать полученные результаты эксперимента, сравнив
их с номинальными данными машины или трансформатора и с основными положениями теории исследуемого устройства, а также
проверить реальность полученных результатов. Например, если
получено значение коэффициента мощности больше единицы или
же значение КПД более 100 %, то это свидетельствует о явной ошибке. Если же результаты эксперимента не вызывают сомнения, то их
следует показать преподавателю. В зависимости от достоверности
этих результатов преподаватель дает указание либо на повторение
эксперимента, либо на переход к следующему [1].
5
2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Каждый студент должен самостоятельно обработать результаты
выполненных им опытов и составить отчет о проделанной лабораторной работе.
Этот отчет помимо номера и названия лабораторной работы, индекса учебной группы должен содержать следующие сведения:
– перечень электрических машин, трансформаторов, пускорегулирующей аппаратуры и измерительных приборов с указанием их
паспортных данных;
– программу лабораторной работы;
– электрические схемы соединений;
– таблицы с записью результатов проведенных опытов и выполненных вычислений;
– расчетные формулы, по которым выполнялись вычисления и
примеры расчётов;
– диаграммы и графики зависимостей;
– заключение о проделанной работе.
Все схемы, таблицы и графики, приводимые в отчете, должны
иметь наименования, например, «Схема», «Таблица результатов
снятия рабочих характеристик», «График зависимости КПД двигателя от нагрузки». Элементы электрических схем должны изображаться и обозначаться в соответствии с действующим стандартом.
При выполнении расчетов рекомендуется пользоваться прикладными программами (Excel, Mathcad и др.). Схемы соединений
и таблицы следует выполнять карандашом с помощью линейки с
обязательным соблюдением требований на условные изображения
и обозначения элементов схем и единиц измерения.
Особое внимание необходимо уделить выполнению графиков
зависимостей. Рекомендуется их выполнять, используя математический пакет Mathcad. Также графики могут быть выполнены на
миллиметровке.
Если в одних координатных осях строится несколько графиков,
представляющих собой функциональные зависимости ряда величин от одной независимой переменной (например, рабочие характеристики двигателя), то параллельно основной оси ординат, пресечение которой с осью абсцисс принято за начало координатах
осей, проводят дополнительные оси ординат, каждую со своим масштабом и своими единицами измерения. За начало координат всех
величин в этом случае принимают точку пересечения основных
6
осей. При построении характеристик по результатам опытов на таком совмещенном графике эти точки во избежание ошибок следует
отмечать разными условными значками – крестиками, кружочками. После нанесения точек какого-либо графика их соединяют
плавной кривой с помощью лекала. При этом возможен «разброс»
точек, т. е. некоторые из этих точек не будут лежать на кривой.
Это объясняется возможными погрешностями экспериментов: неточным снятием показания измерительного прибора, случайными
колебаниями напряжения в сети, приближенностью вычислений и
т. п. Если «разброс» точек оказался значительным, то опыт следует
повторить. Для построения криволинейного графика необходимо
иметь не менее пяти точек.
В последнем разделе отчета, в заключении о проделанной работе, студент должен дать оценку эксплуатационным свойствам объекта исследования, соответствие этих свойств паспортным данным
этого объекта, подтвердились ли экспериментально теоретические
сведения и т. п. Для составления заключения достаточно ответить
на контрольные вопросы, приводимые в конце каждой работы.
Отчет в целом должен быть лаконичным, но так, чтобы его содержание было понятным без дополнительных устных пояснений [2].
7
3. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Электрическая машина, действие которой основано на использовании явления электромагнитной индукции, предназначена для
преобразования механической энергии в электрическую, или электрической в механическую, или электрической энергии в электрическую энергию другого рода тока, другого напряжения, другой
частоты.
Электрическую машину, преобразующую механическую энергию в электрическую, называют генератором. Преобразование
электрической энергии в механическую осуществляется двигателями. Любая электрическая машина может быть использована как
в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Свойство электрических машин изменять направление преобразуемой энергии
называют обратимостью.
Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 1) N и S поместить проводник и под действием
какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникнет ЭДС.
e =Blυ sin(α)
где В – магнитная индукция в месте нахождения проводника; l – активная длина проводника (его часть, находящаяся в магнитном поле); υ – скорость перемещения проводника в магнитном поле; α – угол
между векторами максимума магнитной индукции и скорости перемещения проводника (в рассматриваемом случае α = π / 2, т. е. sinα = 1).
Направление ЭДС, индуктируемой в проводнике, определяется
согласно правилу правой руки. Если проводник замкнуть на какое-либо сопротивление приемника
энергии, то в образовавшейся цепи
под действием ЭДС протекает ток I,
N
направление которого совпадает
F1
Fэм
с направлением ЭДС проводника.
+
В результате взаимодействия тока
проводника с магнитным полем полюсов создается электромагнитная
S
сила Fэм = lBI направление, которой
определяется по правилу левой руки. Эта сила направлена встречно
Рис. 3.1. Принцип действия
электрической машины
силе F1, и при Fэм= F1 проводник
8
перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего
приемника электрической, энергии, т. е. машина будет работать в
режиме генератора.
Если от постороннего источника электрической энергии через
проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока
в проводнике и магнитного поля полюсов создается электромагнитная сила Fэм, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии, т. е. машина будет
работать как двигатель. Таким образом, в силу общности законов
электромагнитной индукции и электромагнитных сил любая электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и
в режиме двигателя.
Машина постоянного тока состоит из неподвижной части –
статора и вращающейся части – ротора, в котором происходит
процесс преобразования механической энергии в электрическую
(генератор) или обратно – электрической энергии в механическую (электродвигатель). В машинах постоянного тока ротор
является якорем. Между неподвижной и вращающейся частями имеется зазор. Неподвижная часть генератора постоянного
тока ПСТ-52 (рис. 3.2) состоит из станины 1, главных полюсов
3, предназначенных для создания основного магнитного потока,
добавочных полюсов 2, служащих для достижения безыскровой
работы щеток на коллекторе (улучшения коммутации). К станине крепят болтами подшипниковые щиты, главные и дополнительные полюсы.
1
2
3
Рис. 3.2. Неподвижная часть машины постоянного тока
9
а)
б)
Рис. 3.3. Основной (а) и добавочный (б) полюсы
Основной (главный) полюс (рис. 3.3, а) имеет сердечник, набранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 – 1 мм, стянутых шпильками. На сердечник насажены две катушки обмоток
возбуждения.
Нижнюю часть сердечника – полюсный наконечник 3 – выполняют так, чтобы воздушный зазор увеличивался от центра полюса
к его концам. Это делается для того, чтобы уменьшить искажение
поля под действием реакции якоря и рассеяние главного поля в зоне коммутации. У компенсированных машин постоянного тока в
полюсных наконечниках выштамповывают пазы для размещения
компенсационной обмотки. Число главных полюсов всегда четное,
причем северные и южные полюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек обмотки возбуждения полюсов. Катушки всех полюсов соединяют последовательно. Полюсы
крепятся к станине болтами или шпильками.
Добавочный полюс (рис. 3.3, б) состоит из сердечника, изготовляемого из стали, и обмотки, изготовляемой из медных шин прямоугольного сечения. Обмотки добавочных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря, а полюсы устанавливают между
главными полюсами и крепят к станине болтами. Воздушный зазор
под добавочными полюсами значительно больше, чем под главными. Поперечное сечение добавочных полюсов расширяется в сторону корпуса. Это увеличивает поверхность прилегания добавочного
полюса к корпусу, что дает большую устойчивость и предупреждает насыщение от большого потока рассеяния добавочных полюсов.
Для создания электрического контакта с поверхностью коллектора в машине устанавливают щетки, которые прикрепляют к щеткодержателю. Щеткодержатель (рис. 3.4) состоит из нажимных
пластин 1; пружины 2, передающей давление на щетку 3 и обоймы
4. Для присоединения элементов электрической цепи машины к
щетке последняя снабжается гибким медным тросиком. Все щет10
1
2
3
4
Рис. 3.4. Щеткодержатель
Рис. 3.5. Траверса
кодержатели одной полярности соединяют между собой сборными
шинами, присоединенными к выводам машины. Щеткодержатели
крепят на траверсе (рис. 3.5).
Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника якоря
с обмоткой, коллектора, вентилятора и вала с шарикоподшипником или роликоподшипником. Сердечник якоря (рис. 3.6) машины представляет собой пакет из листов электротехнической стали
3 толщиной 0,5 мм, которые для уменьшения потерь от вихревых
токов изолируют друг от друга лаком. Пакет запрессован на валу 1
якоря и удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами.
Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря утраивают
11
1
2
3
4
5
Рис. 3.6. Сердечник якоря
6
5
4
3
2
1
Рис. 3.7. Устройство коллектора
5
4
3
2
6
7
8
9
1
Рис. 3.8. Устройство машины постоянного тока
12
вентиляционные каналы. Каждый лист пакета имеет зубцы, пазы
и вентиляционные отверстия. В пазы сердечника укладывают проводники обмотки якоря 2, которые удерживаются с помощью клиньев 4. Обмотку якоря присоединяют к пластинам коллектора 5.
На рис. 3.7 показан коллектор, собранный из пластин 7 твердотянутой меди, изолированных друг от друга и от вала якоря миканитовыми прокладками 4 и манжетами.
Коллектор состоит из корпуса 1, болтов, нажимного кольца 4,
миканитовых прокладок. Для удобства монтажа и обеспечения
прочности крепления коллекторные пластины 6 выполняют в форме «ласточкина хвоста» или тобразного хвоста. Соединяют коллекторные пластины с проводами обмотки якоря с помощью «петушков», которые имеют прорези для укладки и запайки в них концов
секций обмотки якоря.
На рис. 3.8 показано устройство машины постоянного тока.
К станине 6 болтами 4 крепят главные полюсы, состоящие из сердечника и катушки обмотки возбуждения 5. С торцовых сторон к
станине крепят боковые щиты 7 с подшипниками, удерживающими вал машины. Якорь машины состоит из сердечника 3, обмотки 8
и коллектора 1. На валу якоря укреплен вентилятор, неподвижные
щетки 2 закрепленные в щёткодержателях, скользят по поверхности коллектора при его вращении [3, 4].
13
4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
4.1. Исследование генератора постоянного тока
В лабораторной работе исследуется генератор при трех способах
возбуждения:
– с независимым возбуждением (рис.4.1.);
– со смешанным побуждением (рис.4.2.).
– с параллельным возбуждением (рис.4.3.);
Q1
Q2
PV1
Rв,р.дв.
RЯ.Р.
Rв,р.г.
PA1
PA3
RП
PA2
G
M
PV1
Q3
PA4
Рис. 4.1. Генератор с независимым возбуждением
14
PA3
RВ.Р.
Q4
PA3
RВ.Р.
Д2Я2
G
Q4
С1
Д2Я2
G
С2
PV2
PV2
Q3
Q3
PA1
PA1
RНГ
Рис. 4.2. Генератор
со смешанным возбуждением
RНГ
Рис. 4.3. Генератор
с параллельным возбуждением
Электрическая схема для любого способа возбуждения содержит переменные сопротивления (реостаты) для регулирования тока в цепи обмотки возбуждения Rвр и в цепи нагрузки Rнг, а также
амперметры для измерения токов в этих цепях и вольтметр для намерения напряжения на якоре.
На рис. 4.4.показана схема для исследования генератора с независимым возбуждением в опыте короткого замыкания. Для
обеспечения малых напряжений на обмотке возбуждения в схеме
применены два реостата: один из которых (Rр) включен как делитель напряжения, другой (Rвр) – как переменное сопротивление.
15
Q2
RР
RВ.Р.
PA5
Ш1
Ш2
Я1(Д)
G
Я2(Д)
PА6
Рис. 4.4. Схема опыта короткого замыкания
Для измерения тока в обмотке возбуждения применяется миллиамперметр.
В качестве приводного двигателя используется двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, электрическая схема
которого показана только на рис. 4.3. Частота вращения ротора
регулируется изменением тока в обмотке возбуждения двигателя
с помощью реостата Rвр. Для пуска двигателя служит пусковой реостат Rп.
Свойства генераторов и их соответствие предъявляемым требованиям оцениваются с помощью нескольких зависимостей между
физическими величинами, характеризующими работу генераторов. Эти зависимости изображаются графически и называются характеристиками. Характеристики позволяют оценить особенности
16
работы генераторов в различных режимах могут быть изучены на
основе известных уравнений:
Uÿ = Eÿ − Iÿ ⋅ ∑ Rÿ ,
E
=
ÿ CenΦ,
Φ = Φ0 ± ΔΦ ÿ ,
где Uя – напряжение на зажимах якоря генератора; Eя – ЭДС обмотки якоря, индуктируемая результирующим магнитным потоком Ф при нагрузке генератора; Iя – ток якоря ΣRя – полное сопротивление цепи якоря; Ce – коэффициент ЭДС, зависящий от числа
полюсов и типа обмотки якоря; Ω – частота вращения якоря; Ф0 –
основной магнитный поток генератора, создаваемый обмоткой возбуждения; ΔФя – изменение магнитного потока по продольной оси
машины, обусловленное реакцией якоря.
Пуск приводного двигателя. В качестве первичного приводного
устройства (рис. 4.1) в данной лабораторной установке используется двигатель постоянного тока параллельного возбуждения. В эксплуатационной и учебной практике обычно используют пуск при
помощи реостата. Это связано с тем, что в первый момент пуска
двигателя в ход якорь двигателя неподвижен, т. е. n = 0, следовательно, обратная ЭДС = СenФ тоже равна нулю. Поэтому пусковой
ток двигателя
Iÿ.ï. =
UC
,
R
∑ ÿ + Rï
где Uс – напряжение питающей сети; ΣRЯ, – суммарное сопротивление якорной цепи; Rп – сопротивление пускового реостата.
Обычно двигатели проектируют так, чтобы при номинальном
токе якоря In произведение IяΣRя не превышало 3 – 10 % от Uс. Если
включить двигатель в сеть без реостата, т. е. Rвр = 0, то ток Iп во
много раз (в 10~15) превысит номинальный, что вредно отразится
на самом двигателе, на работе питающей сети и на аппаратуре; поэтому для ограничения пускового тока до значения Iп=(2–2,5)In и
включают пусковой реостат со ступенчатым изменением величины
его сопротивления. Число ступеней зависит от требуемой плавности пуска.
Внимание. Перед пуском в ход ручка пускового реостата должна находиться на холостом контакте 0 (или «стоп»), а положение
17
регулировочного реостата в цепи возбуждения двигателя должно соответствовать максимальному значению тока возбуждения
(магнитного потока). При наличии дополнительного регулировочного реостата в цепи якоря Rяр его при пуске полностью выводят.
Для выполнения пусковой операции переводят ручку пускового
реостата на первый контакт, двигатель возьмет с места, скорость
вращения его будет возрастать, а ток Iп начнет уменьшаться, после чего ручку пускового реостата переводят на контакт 2 и т. д.
до выхода двигателя на заданные обороты и номинальное напряжение в цепи якоря.
После окончания пусковой операции двигатель будет работать
при установившихся значениях тока Iя и скорости вращения n [4].
4.2. Исследование генератора с независимым возбуждением
Характеристика холостого хода
Характеристика холостого хода представляют собой зависимость
U=
=
0 E
0 f ( Iâ )
при I = 0 n = const.
Ñe =
pN
a60
конструктивный коэффициент машины в системе МКСА.
В связи с тем, что ЭДС пропорциональна магнитному потоку
E= Ce ΩΦ,
характеристика холостого хода, снятая при постоянной частоте
вращения, представляет собой в соответствующем масштабе характеристику намагничивания машины (рис. 4.5.).
На практике за характеристику холостого хода принимают кривую, абсциссы которой равны сумме абсцисс, нисходящей и восходящей ветвей (пунктирная кривая на рис. 4.5.). По ширине петли
характеристики можно судить о качестве материала магнитопровода машины с точки зрения удельных потерь на перемагничивание
за один цикл, а по расположению на характеристике точки номинальной ЭДС Eян = Uян + ∑RяIя о степени насыщения γ. магиитопровода, а также об устойчивости величины напряжения генератора
18
Напряжение генератора, В
160
150
140
130
120 A
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0,1
B
0,2
0,3
0,4
C
0,5 0,6 0,7 0,8
Ток возбуждения, А
0,9
1
1,1
1,2
1,3
Рис. 4.5. Характеристика холостого хода генератора
независимого возбуждения
в процессе эксплуатации (жёсткость внешней характеристики).
Степень насыщения определяют так:
Fí
AC
=
γ
=
100
100,
F
AB
где Fn – полная намагничивающая сила, необходимая для проведения магнитного потока через участки магнитопровода;
F-намагничивающая сила, необходимая для проведения этого же
магнитного потока без учета насыщения стали.
Для определения намагничивающей силы F в точке, соответствующей номинальной ЭДС Eн, необходимо провести касательную
к характеристике холостого хода в начале координат (рис.1.5.) и
отрезок AC, параллельный оси абсцисс.
Условно считают, что при γ ≤ 120 % машина ненасыщена, при
120 % < γ ≤ 140 % средне насыщена и при γ > 140 % насыщена.
При снятии характеристики холостого хода якорь генератора
приводят во вращение с номинальной частотой при разомкнутых
выключателях Q2 и Q3 (рис. 4.1.). Установив максимальное значение сопротивления возбуждения генератора Rврг, замыкают выключатель Q2 и плавно уменьшая величину сопротивления Rврг, уста19
Таблица 4.1
Характеристика холостого хода генератора
с независимым возбуждением при n =
const = об/мин и Iя = 0 А
Нисходящая ветвь
IВ, А
U0, В
Восходящая ветвь
IВ, А
U0, В
навливают такой ток возбуждения, при котором напряжение на
зажимах якоря генератора будет примерно равным (1,151,20) Uян.
Эта точка является исходной при снятии характеристики холостого хода.
Записав величины тока возбуждения и напряжения в исходной
точке характеристики, снимают нисходящую ветвь характеристики, постепенно уменьшают ток возбуждения генератора до возможного минимума, при помощи реостата в цепи возбуждения генератора Rвр, фиксируя величины тока возбуждения и напряжения на
якоре для 8–10 промежуточных точек. После этого размыкают выключатель Q2, фиксируют величину ЭДС от потока остаточного намагничивания (при Iв = 0). Затем, вновь замыкают выключатель Q2 и
при помощи реостата в цепи возбуждения генератора Rвр, постепенно увеличивают ток возбуждения, снимая восходящую ветвь характеристики, генератора до значения, соответствующего по величине
току возбуждения в исходной точке характеристики, опять фиксируя 8–10 промежуточных точек. Полученные данные записывают в
табл. 4.1. Так как характеристика холостого хода снимается только
в первом квадранте, вследствие невозможности изменения полярности тока возбуждения генератора, ответная часть характеристики
строится по полученным значениям, взятым с обратным знаком.
При снятии характеристики холостого хода необходимо строго
придерживаться правила: изменять ток возбуждения только в одном направлении, уменьшая или увеличивая его в пределах квадранта. Несоблюдение этого правила приведёт к разбросу точек изза явления гистерезиса [4].
Нагрузочная характеристика
Нагрузочной характеристикой называют зависимость U = f(Iв)
при n=const, Iя=const. В общем случае из-за явления гистерезиса нагрузочная характеристика, также, как и характеристика холостого хода, имеет две ветви: нисходящую и восходящую. На практике
обычно снимают только нисходящую ветвь.
20
Порядок снятия нагрузочной характеристики аналогичен порядку снятия характеристики холостого хода, которая является частным
случаем нагрузочной характеристики при токе якоря равном нулю.
Вначале, при снятии нагрузочной характеристики, на холостом ходу устанавливают с помощью реостата в цепи возбуждения Rвр такой
ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах генератора было на
20–25 % выше номинального. Затем, убедившись, что на реостате Rнг
установлена максимальная величина сопротивления, замыкают выключатель Q3 и при помощи реостата нагрузки Rнг устанавливают ток
Iя нагрузки (ток якоря), при котором требуется снять характеристику
(обычно нагрузочную характеристику снимают при номинальном токе
якоря Iя=Iян). Получившееся значение напряжение на зажимах генератора при заданном токе нагрузке является исходной точкой для снятия характеристики. Зафиксировав исходную точку характеристики,
уменьшают ток возбуждения, поддерживая постоянным значение тока Iя нагрузки при помощи изменения сопротивления реостата нагрузки Rнг, а также поддерживают постоянным частоту вращения генератора с помощью реостата в цепи возбуждения приводного двигателя.
Обычно не удается снять нижнюю часть нагрузочной характеристики.
Ее можно построить, получив точку из опыта короткого замыкания.
При этом определяют, ток возбуждения, соответствующий току якоря
Iя, при котором снималась нагрузочная характеристика.
Имея в виду наличие гистерезиса, при снятии характеристики
необходимо строгое поддержание постоянства частоты вращения
не только в фиксируемых точках, но и во время всего опыта. Ток
возбуждения необходимо изменять только в одном направлении.
Данные опыта записываются в табл. 4.2.
Нагрузочные характеристики позволяют наиболее полно оценить все факторы, влияющие на изменение напряжения при нагрузке. Такими факторами являются падения напряжения на сопротивлении цепи якоря, размагничивающее действие поперечной
составляющей МДС обмотки якоря, влияние продольной составляющей МДС обмотки якоря и МДС коммутируемых секций. По нагрузочным характеристикам определяют также пределы регулирования напряжения при различных токах нагрузки.
Таблица 4.2.
Нагрузочная характеристика генератора
при n = const =
об/мин, Iя = const =
Iв, А
А
U, В
21
Напряжение генератора, В
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
A
B
C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Ток возбуждения, А
Рис. 4.6. Нагрузочная характеристика
Нагрузочная характеристика совместно с характеристикой холостого хода позволяет построить так называемый характеристический треугольник ABC (рис. 4.6.). Для этого из точки c нагрузочной характеристики, соответствующей номинальному напряжение, перпендикулярно оси абсцисс проводят отрезок CB, равный
падению напряжения ΔU в цепи якоря.
ΔU = Iÿ ΣRÿ = Iÿ Rö.ÿ. + 2ΔUù ,
где Rц.я. – сопротивление цепи якоря; 2ΔUщ – сумма падений напряжения под щетками; Iя – ток, для которого снималась нагрузочная характеристика. Величина 2ΔUщ зависит от материала щёток и состояния переходного контакта, в лабораторной работе можно принять ее равной 4В.
Проведя через точку «B» отрезок параллельно оси абсцисс до
пересечения в точке «A» с характеристикой холостого хода и соединив точку «A» с точкой «C», получают характеристический треугольник АBC. Величина катета «AB» характеризует величину тока
возбуждения компенсирующую реакцию якоря в генераторе.
Пунктирная линия, проведенная выше нагрузочной характеристики
на величину падения напряжения в цепи якоря (отрезок BC), представляет внутреннюю нагрузочную характеристику (рис. 4.7). Очевидно,
что при щетках, стоящих на геометрической нейтрале, внутренняя нагрузочная характеристика должка проходить через начало координат.
22
Напряжение генератора, В
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
A
B
C
A' B'
C'
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Ток возбуждения, А
Рис. 4.7. Построение внутренней нагрузочной характеристики
генератора
В треугольнике ABC, построенном на насыщенной части характеристик, катет AB больше катета A′B′ треугольника A′B′C′ из-за
дополнительного размагничивающего действия реакции якоря
при насыщенном магнитопроводе.
Внешняя характеристика
Внешняя характеристика представляет собой зависимость
U = f(Iя) при n = const, Iв = const. Внешняя характеристика генератора показывает, как изменяется напряжение на зажимах нерегулируемого генератора при изменении его нагрузки. Эта характеристика позволяет, во-первых, оценить степень стабильности напряжения генератора, а во-вторых, судить о режиме его работы при совместной (параллельной) работе с другими генераторами. Внешняя
характеристика генератора постоянного тока может быть снята на
повышение напряжения и на понижение напряжения (рис. 4.8.).
В первом случае (кривая 1, рис. 4.8.) за исходную точку характеристики принимают точку номинального режима (Un и Iяn), а затем
23
U
U0
1ʹ
UN
∆UВ
1 ∆UN
3
2
4
0
IN
Рис. 4.8. Внешняя характеристика
генератор разгружают вплоть до холостого хода. За исходную точку
характеристики во втором случае (кривая 1, рис. 4.8.) принимают
точку, в которой напряжение на зажимах генератора равно номинальному, но при холостом ходе. Падающий характер внешней характеристики (в соответствии с уравнениями, приведенными в п. 1)
объясняется ростом падения напряжения в цепи якоря с ростом тока якоря и увеличением размагничивающего действия потока реакции якоря, которое тоже зависит от Iя.
Из кривых рис. 4.8. видно, что изменение напряжения генератора для характеристики, снятой на повышение напряжения (ΔUв),
меньше, чем на понижение напряжения (ΔUн). Причина этого различия – разная степень насыщения машины. В более насыщенной
машине внешняя характеристика будет более жесткой.
В соответствии с ГОСТом внешнюю характеристику следует
снимать на повышение напряжения. Однако для удобства сравнения всех внешних характеристик, снятых при различных способах возбуждения, целесообразно снять их от одной исходной точки, когда U = Un [4].
Снятие внешней характеристики генератора с независимым возбуждением производят следующим образом. Приведя якорь генератора во вращение с номинальной частотой и поддерживая ее во
время опыта неизменной, замыкает выключатель Q2 и при разомкнутом выключателе Q3 с помощью Rвр выставляют на зажимах
24
Таблица 4.3
Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением
при n = const =
об / мин и Iв = const =
А
I, А
U, В
генератора номинальное напряжение. Получившееся при этом значение тока возбуждения оставляют неизменным во время снятия
характеристики и записывают его в таблицу опыта.
Записав показания приборов в исходной точке характеристики
(I = 0, U = Un), выставляют максимальное значение сопротивления
Rнг и замыкают выключатель Q3. Затем при помощи реостата Rнг
устанавливают ряд значений тока нагрузки в пределах от I=0 до
I = 1,25In, поддерживая при этом постоянными частоту вращения и
ток возбуждения. Полученные данные записывают в табл.4.3.
Регулировочная характеристика
Регулировочной характеристикой называют зависимость Iв = f(I)
при n = const, β = соnst Iв = const. Регулировочная характеристика
показывает, как необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки для того чтобы напряжение генератора оставалось неизменным.
Для снятия регулировочной характеристики приводят якорь
генератора во вращение с номинальной частотой и, замкнув выключатель Q2, устанавливают напряжение генератора, равное номинальному при помощи реостата в цепи возбуждения Rвр. Записав
показания приборов в этой исходной точке (при Iя = 0), устанавливают максимальное значение сопротивления нагрузки генератора
Rнг и замыкают выключатель Q3. Изменяя величину сопротивления Rнг, устанавливают ряд значений тока нагрузки в пределах от
Iя = Iяmin до Iя = (1,0 – 1,2)Iян, поддерживая при этом величину напряжения на зажимах генератора при помощи реостата в цепи возбуждения Rвр неизменной, и также поддерживают неизменным частоту вращения приводного двигателя с помощью реостата в цепи
возбуждения двигателя. При этом достаточно зафиксировать 5–6
точек (рис. 4.9, 4.10).
Учитывая явление гистерезиса, ток возбуждения генератора
следует изменять только в одном направлении, строго поддержи25
U
U0
B
a1
a
F1'
UN
N'
b
c1
c
aK
IB
I
F1
N
K
0
D'
D
Рис. 4.9. Построение внешней характеристики генератора
с независимым возбуждением по характеристике холостого хода
U
U = f(IB)
b
a
a'
N
UN
c'
0
c
M
m3
D3
m2
D2
m1
D1
m
D
I
Рис. 4.10. Построение регулировочной характеристики генератора
с независимым возбуждением
26
Таблица 4.4
Регулировочная характеристика генератора
при n = const =
об/мин и U = Un =
В
Iв, А
I, A
1
0,9
Ток возбуждения, А
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Ток нагрузки, А
Рис. 4.11. Регулировочная характеристика
генератора независимого возбуждения
вая постоянство частоты вращения. Полученные данные записывают в табл. 4.4.
На рис. 4.11. показан вид регулировочной характеристики для
генератора с независимым возбуждением, соответствующий падающей внешней характеристике.
Характеристика короткого замыкания
Характеристикой короткого замыкания называют зависимость
I = f(Iв) при n = const, и U = const.
В связи с тем, что напряжение генератора при коротком замыкании равно нулю, характеристика короткого замыкания может
27
быть снята только при независимом возбуждении. ЭДС, индуктированная в обмотке якоря при коротком замыкании, уравновешивается только падением напряжения в цепи якоря
E=
ê Iÿ.ê.ΣRö.ÿ. + 2ΔUù .
При номинальном токе якоря величина этого падения напряжения составляет 5–10 % от номинального напряжения, поэтому при
снятии характеристики короткого замыкания ток возбуждения изменяют обычно в пределах от нуля до 5–10 % его номинального значения. В связи с этим при опытах короткого замыкания магнитная
цепь машины не насыщена и ЭДС Ек изменяется прямо пропорционально току возбуждения, т. е.
E
=
=
ê kI
â Iÿ.ê.ΣRö.ÿ..
Считая сопротивление цепи якоря величиной постоянной, получим линейную зависимость между током короткого замыкания и
током возбуждения.
Из рис. 4.12. видно, что при Iв = 0 ток Iк не равен нулю. Этот ток
вызывается ЭДС, индуктированной в обмотке якоря потоком остаточного намагничивания.
В связи с тем, что при снятии характеристики короткого замыкания ток возбуждения изменяют в пределах от 0 до 5–10 % от
номинального напряжения, целесообразно изменить схему цепи
обмотки возбуждения в соответствии с рис. 4.4., используя в ней
амперметр с пределом измерения, равным 10–10 % от номинального тока возбуждения. Для снятия характеристики необходимо
при разомкнутом выключателе Q2, привести якорь генератора во
вращение с номинальной частотой и зафиксировать ток короткого замыкания, вызванный ЭДС от потока остаточного намагничивания.
Убедившись, что движок реостата Rвр находится в положении,
соответствующем максимальному сопротивлению, а движок реостата Rp находится в положении, при котором напряжение на зажимах обметки возбуждения равно нулю (точка Iк на рис. 4.10),
замыкают выключатель Q2. Данные записать в таблицу 4.5.
Поддерживая частоту вращения равную номинальной, постепенно увеличивают ток возбуждения при помощи реостата RP и
снимают 4–5 точек характеристики для токов короткого замыкания, лежащих в пределах от Iк ≈ 0,25In до Iк ≈ 1,25In.
28
Ток короткого замыкания, А
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66
Ток возбуждения, мА
Рис. 4.12. Характеристика короткого замыкания
Таблица 4.5
Характеристика короткого замыкания генератора
при n = const =
об/мин, U = const = 0
Iв, мА
Iк, А
Для исключения влияния гистерезиса ток возбуждения следует
изменять только в одном направлении. Обычно треугольник строят
для тока короткого замыкания, равного номинальному току.
Характеристика короткого замыкания совместно с характеристикой холостого хода позволяет построить треугольник короткого замыкания. Для построения этого треугольника на одном графике строят характеристику короткого замыкания и начальную
часть характеристики холостого хода (ее линейную часть) как показано на рис. 4.13. При этом реальную характеристику короткого замыкания смещают параллельно самой себе так, чтобы начиналась с точки «0». Далее, задавшись величиной тока короткого
замыкания Iк, для которого необходимо построить треугольник,
определяв, падение напряжения в цепи якоря IкΣRя, уравновеши29
Ток короткого замыкания, А
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
18
Uо
=
)
f
f(L
16
e
14
)
(t f
Iк
12
=f
10
8
В
A
6
4
2
d
0
10
20
30
С
40
50
60
70
80
90
0
Ток возбуждения, мА
Рис. 4.13. Построение треугольника короткого замыкания
вавшее ЭДС генератора, индуктированную результирующим потоком.
Iÿ.ê
= I=
â
kIâ
= k1 Iâ .
∑ Rÿ
На характеристике холостого хода отмечают точку A, соответствующую рассчитанной ЭДС Ек=IкRя, а на характеристике короткого замыкания— точку B, соответствующую заданному току Iк (обычно In). Из этих
точек опускают перпендикуляры αA и ВC на ось абсцисс. Отрезок 0C соответствует току возбуждения Iвк, необходимому для получения Ек при
коротком замыкании, а отрезок OA – току возбуждения Iво необходимому для получения такой же ЭДС при холостом ходе. Тогда отрезок AC=
ΔIв является продольной (в данном случае размагничивающей) составляющей МДС обмотки якоря, выраженной в масштабе тока возбуждения.
Величина и характер продольной составляющей МДС обмотки
якоря зависит, как известно, от величины и направления сдвига
щеток с геометрической нейтрали. При щетках, установленных на
геометрической нейтрали, длина отрезка АС будет равна нулю при
отсутствии коммутационной составляющей реакции якоря.
Проведя через точку А линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с перпендикуляром BС (или его продолжением) в точке в
30
и соединив точку А с точкой С, получим треугольник короткого замыкания АВС. Сторона ВС пропорциональна сумме падений напряжения в цепи якоря. В связи с этим нет необходимости производить
аналогичные построения треугольника с использованием указанных
характеристик для других значений тока якоря. На рис. 1.10 показано, как следует строить внешнюю характеристику, на рис. 1.11 – регулировочную, используя характеристику холостого хода и треугольник короткого замыкания. Сторона АС характеризует размагничивающее влияние реакции якоря, которое пропорционально току якоря.
Таким образом, все стороны треугольника АВС пропорциональны току якоря. Достаточно построить треугольник для одного, например,
номинального значения тока якоря, а затем изменять длину его стороны АВ пропорционально требуемым значениям тока.
Следует отметить, что треугольник короткого замыкания в отличие от характеристического треугольника не учитывает размагничивающего действия поперечной составлявшей МДС обмотки
якоря, так как в опыте короткого замыкания магнитная цепь машины не насыщена. С помощью треугольника короткого замыкания и характеристики холостого хода можно построить характеристики: нагрузочные, регулировочные, внешние.
Контрольные вопросы
Какие способы возбуждения применяют в генераторах постоянного тока?
Дайте определение основным характеристикам генератора: холостого хода, нагрузочной, внешней и регулировочной. При каких
условиях снимают данные для построения каждой из них?
Какими исходными данными необходимо располагать для построения характеристического треугольника?
Почему нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода?
Почему ветви регулировочной характеристики, снятые при намагничивании и размагничивании генератора, не совпадают?
Какая из них располагается выше?
4.3. Исследование генератора с параллельным возбуждением
Для генератора с параллельным возбуждением в лабораторной
работе снимают характеристику холостого хода и внешнюю характеристику.
31
Характеристика холостого хода
В данном случае эта характеристика представляет собой зависимость U=f(Iв) при n = const, Iя=Iв.
Условие U0=E0, которое выполнялось для генератора с независимым возбуждением, для генератора с самовозбуждением не выполняется. В генераторе с самовозбуждением (рис.4.3.) при токе
нагрузки, равном нулю, по обмотке якоря протекает ток возбуждения и, следовательно, напряжение U0 на зажимах якоря генератора отличается от ЭДС Е0 на величину падения напряжения IяΣRя
В генераторах с самовозбуждением прежде чем замкнуть выключатель Q3, необходимо убедиться в наличии ЭДС от потока
остаточного намагничивания по показаниям вольтметра, включенного на зажимы якоря генератора. ЭДС, индуктируемая в обмотке
якоря потоком остаточного намагничивания, обычно составляет
2–6 % от номинального напряжения генератора.
После замыкания выключателя Q3 следует убедиться в том,
что поток, создаваемый обмоткой возбуждения, совпадает с потоком остаточного намагничивания. Увеличение показаний вольтметра при замыкании выключателя Q3 говорит о выполнении
этого условия. В случае уменьшения показаний вольтметра следует поменять местами на зажимах обмотки возбуждения провода,
подключающие ее к цепи якоря, т. е. изменить направление тока
возбуждения.
Иногда после замыкания выключателя Q3 показания вольтметра остаются неизменными. Это может быть вызвано несколькими
причинами, одной из которых является большое сопротивление цепи возбуждения, превышающее критическое сопротивление. Для
проверки этого предположения необходимо уменьшить сопротивление регулировочного реостата Rвр. Если при этом генератор все
же не возбуждается, то можно попытаться уменьшить сопротивление переходного контакта между щетками и коллектором путем
одновременного сильного нажатия на две щетки разноименной полярности.
Другими причинами отсутствия самовозбуждения генератора
могут явиться загрязнение коллектора, нарушение подвижного
контакта регулировочного реостата Rвр, нарушение контактов в местах присоединения проводов к элементам цепи возбуждения или
ее обрыв.
Выявив и устранив указанные причины, если они имелись, и
убедившись в самовозбуждении генератора, далее так же, как и в
32
R
B
=R
КР
U0
α
0
Iв
Рис. 4.14. Характеристика холостого хода генератора
с параллельным возбуждением
генераторе с независимым возбуждением, устанавливает исходную
точку характеристики холостого хода при Uс = (1,15–1,2)Un [4].
Записав величины тока возбуждения и напряжения в исходной
точке характеристики, при помощи реостата Rвр постепенно уменьшают ток возбуждения генератора до возможного минимума, фиксируя величины тока возбуждения и напряжения для 8–10 промежуточных точек (рис. 4.14). После этого размыкают выключатель
Q3 и фиксируют величину ЭДС от потока остаточного намагничивания (при Iв = 0).
В генераторах с параллельным возбуждением изменение направления тока возбуждения (а значит и потока) при снятии характеристики холостого хода не производят, так как в противном случае
будут нарушены условия самовозбуждения. В связи с этим характеристику холостого хода снимают в одном квадранте (рис. 4.12).
Восходящая ветвь характеристики снимается аналогично.
Для генератора с самовозбуждением нельзя допускать повышения частоты вращения ротора при снятии нисходящей ветви характеристики и понижения частоты при снятии восходящей ветви.
Это объясняется тем, что в генераторах, с самовозбуждением ток
возбуждения зависит от ЭДС, а, следовательно, от частоты враще33
ния. При несоблюдении этих условий и наличии гистерезиса получается разброс точек характеристики.
Практически за характеристику холостого хода принимают характеристику, ординаты которой равны полусумме ординат нисходящей и восходящей ветвей (пунктирная кривая рис. 4.12).
Если провести касательную к характеристике холостого хода
(как показано на рис. 4.12), то можно определить так называемое
критическое сопротивление цепи обмотки возбуждения Rкр = tgα.
При уменьшении сопротивления цепи обмотки возбуждения ниже
Rкр начинается процесс самовозбуждения.
Внешняя характеристика
Внешней характеристикой при параллельном возбуждении называют зависимость U=f(Iв) и Iв = const n = сопst.
Порядок снятия внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением таков же, генератора с независимым
возбуждением, за исключением того, что после установления
исходной точки характеристики величину сопротивления Rвр
оставляют неизменной во время опыта. В таблицу для записи
опытных данных (табл. 4.6.) введена графа для Iв, так как в
этом генераторе ток возбуждения зависит от величины напряжения на якоре.
На рис. 4.8. изображены все внешние характеристики, которые
снимают в данной работе. Сравнение внешней характеристики генератора параллельным возбуждением (кривая 2) с внешней характеристикой генератора с независимым возбуждением (кривая 1) и подтверждает, что при одинаковом значении тока нагрузки изменение
напряжения генератора с параллельным возбуждением оказывается
больше изменения напряжения генератора с независимым возбуждением. Это объясняется тем, что в генераторе с параллельным возбуждением уменьшение напряжения вызывается не только реакциТаблица 4.6
Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением
при n = const.
I, А
34
U, В
Iв, А
ей якоря и падением напряжения в цепи якоря, но и уменьшением
тока возбуждения в связи с уменьшением напряжения на зажимах
якоря.
Контрольные вопросы
Каковы условия, необходимые для процесса самовозбуждения
генератора постоянного тока?
Какое условие самовозбуждения нарушено, если при замыкании цепи возбуждения ЭДС генератора уменьшается до нуля?
Что представляет собой характеристика самовозбуждения?
Почему внешняя характеристика генератора параллельного
возбуждения имеет более падающий вид, чем внешняя характеристика генератора независимого возбуждения?
4.4. Исследование генератора со смешанным возбуждением
Для увеличения магнитного потока в генераторах с самовозбуждением дополнительно применяют последовательную обмотку
возбуждения (рис. 4.2.), поток которой должен быть направлен согласно с потоком обмотки возбуждения. Такой генератор называют
генератором со смешанным возбуждением.
При неправильном (встречном) включении последовательной
обмотки, ее поток будет сильнее ослаблять общий поток машины. Чтобы изменить характер влияния потока последовательной обмотки возбуждения на суммарный поток в машине, необходимо на клемной плате поменять местами концы этой обмотки С1 и C2.
В работе необходимо снять внешние характеристики генератора
для обоих случаев включения последовательной обмотки (рис. 4.8.
кривые 3 и 4). Порядок снятия внешний характеристик таков же,
как и для генератора с параллельным возбуждением.
Контрольные вопросы
Что такое встречное и согласное возбуждение у генераторов смешанного возбуждения?
Почему с увеличением нагрузки генератора смешанного возбуждения напряжение на выходе при встречном включении уменьшается в большей степени, чем при согласном включении обмоток возбуждения?
35
Как изменится форма внешних характеристик генератора смешанного возбуждения при согласном и встречном способах возбуждения, если уменьшить число витков в последовательной обмотке
возбуждения?
Перечислите достоинства и недостатки генератора смешанного возбуждения по сравнению с генератором параллельного возбуждения.
36
5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
5.1. Испытание двигателей постоянного тока
Учебные испытания двигателей постоянного тока производят с
целью определения их основных характеристик, позволяющих судить о возможности использования двигателя в том или ином приводе. К таким характеристикам относят рабочие характеристики,
характеристики регулирования частоты вращения и регулировочные характеристики. Все эти виды характеристик зависят от способа возбуждения, т. е. от того, имеем ли мы двигатель параллельного, последовательного или смешанного возбуждения.
Однако физическая картина явлений при пуске в ход двигателей разных типов и способы создания нагрузочного момента на валу двигателя постоянного тока одни и те же.
Пуск двигателей в ход. Существуют два способа пуска в ход ДП:
реостатный способ, при помощи реостата, включенного последовательно в цепь якоря ДП, и безреостатный пуск, предельным случаем которого является прямое включение двигателя в сеть. В эксплуатационной и учебной практике обычно используют пуск при
помощи реостата. Это связано с тем, что в первый момент пуска
двигателя в ход якорь двигателя неподвижен, т. е. n = 0, следовательно, обратная ЭДС = СenФ тоже равна нулю. Поэтому пусковой
ток двигателя
Uñ
Iÿ.ï. =
,
R
∑ ÿ + Rï
где Uс – напряжение питающей сети; ΣRя – суммарное сопротивление якорной цепи; Rп – сопротивление пускового реостата.
Обычно двигатели проектируют так, чтобы при номинальном
токе якоря In произведение IяΣRя не превышало 3–10 % от Uс. Если
включить двигатель в сеть без реостата, т. е. Rвр = 0, то ток Iп во много
раз (в 10~15) превысит номинальный, что вредно отразится на самом
двигателе, на работе питающей сети и на аппаратуре; поэтому для
ограничения пускового тока до значения Iп = (2–2,5)In и включают
пусковой реостат со ступенчатым изменением величины его сопротивления. Число ступеней зависит от требуемой плавности пуска.
Внимание. Перед пуском в ход ручка пускового реостата должна
находиться на холостом контакте 0 (или «стоп»), а положение регулировочного реостата в цепи возбуждения должно соответствовать
37
максимальному значению тока возбуждения (магнитного потока).
При наличии дополнительного регулировочного реостата в цепи
якоря Rяр его при пуске полностью выводят.
Для выполнения пусковой операции переводят ручку пускового
реостата на 1 контакт, двигатель возьмет с места, скорость вращения его будет возрастать, а ток Iп начнет уменьшаться, после чего
ручку пускового реостата переводят на контакт 2.
После окончания пусковой операции двигатель будет работать
при установившихся значениях тока I и скорости вращения n.
Иногда для пуска в ход используют реостат включенный в цепь
якоря для регулирования скорости вращения ДПТ и способный
длительное время выдерживать ток, равный номинальному.
Особенностью пуска ДПТ с последовательным возбуждением является то, что ток возбуждения равен току якоря, величины которого зависит от момента нагрузки на валу ДПТ. Поэтому, запрещен
пуск в ход ДП с последовательным возбуждением при моменте нагрузки, меньшем 25 % от номинального момента.
Нагрузка двигателей постоянного тока. При испытаниях ДП
нагрузка осуществляется при помощи электромагнитного тормоза (рис. 5.1.). Такой тормоз состоит из стального диска, насаженного на вал ДП, и электромагнита с катушками, которые питаются постоянным током и создают постоянный магнитный поток.
Величину магнитного потока можно изменять при помощи реостата Rрег. Электромагнит может поворачиваться вокруг своей оси, совпадающей с осью вращения двигателя.
При вращении диска в магнитном поле в нем индуктируется ЭДС
вращения и текут вихревые токи, которые при взаимодействии с
2
1
3
4
α
S
N
F1
F2
2
n
R
PA
S
5
Рис. 5.1. Электромагнитный тормоз
38
RЦТ
магнитным потоком создают момент, стремящийся повернуть электромагнитную систему тормоза в направлении вращения диска.
Повороту электромагнита препятствует момент, создаваемый закрепленным в нижней части электромагнита грузом. При равенстве момента, созданного грузом, и момента, стремящегося повернуть магнитную систему, получим установившееся значение угла поворота
магнитной системы. Численное значение момента нагрузки можно
определить по шкале, градуированной в единицах момента [4].
5.2. Испытание двигателя с параллельным возбуждением
Схема для испытания двигателя с параллельным возбуждена
(ДШ) приведена на рис. 5.2.
Здесь Я1, Я2 – зажимы якоря двигателя, Ш1–Ш2 – зажимы
обмотки возбуждения, RЯР – сопротивление, выполняющее функ+
110
–
Q2
Q1
PV1
PA2
Rрег
RВрег
RЯрег
PA1
PA3
Ш1
ОВY
Ш2
D
D1 Я1
Y
Я2 D2
PV2
Рис. 5.2. Схема испытания двигателя параллельного возбуждения
39
ции пускового и регулировочного реостатов, RВР регулировочный
реостат в цепи возбуждения, PV – вольтметр для измерения напряжения сети, PV2 – вольтметр для измерения напряжения на якоре
двигателя, PA1 и РА2 – амперметры для измерения токов в цепи
возбуждения и цепи якоря.
Рабочие характеристики двигателя
с параллельным возбуждением
Рабочие характеристики двигателя представляют собой зависимости n, М, I, η = f(P2) при Uc = Ucn = соnst и Iв = Iвn= const, соответствующем номинальному режиму работы при I = In и n = nn, (рис. 5.3).
Вид рабочих характеристик ДШ определяется в основном тем,
что при Uс = Ucn= const ток возбуждения Iв и соответственно, основной поток двигателя Ф0 остаются при испытании постоянными.
25
1750
Рабочие характеристики
1500
20
1250
15
1000
750
10
500
5
250
0
0,00
500,00
1000,00
1500,00
Полезная мощность, Вт
2000,00
n = f(P2)
M2 = f(P2)
I = f(P2)
M = f(P2)
КПД = f(P2)
Рис. 5.3. Рабочие характеристики двигателя
с параллельным возбуждением
40
0
2500,00
Скоростная характеристика – это зависимость скорости вращения n от тока якоря. Согласно формуле:
n=
Uc − I
( ∑ Rÿ + Rÿð ) ,
Ñe ( Φ ± Φ0 )
при постоянных напряжении и токе возбуждения на частоту вращения влияют только два фактора: падение напряжения IΣRя и реакция якоря ±ΔФя. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения IΣRя благодаря чему частота вращения двигателя
уменьшается. Действие реакции якоря зависит от положения щеток. Считаем, что щетки установлены на геометрической нейтрали, тогда реакция якоря вызывает размагничивание двигателя, и
n стремится возрасти. Вид скоростной характеристики определяется суммарным действием обоих факторов. Обычно она имеет вид
практически прямой падающей линии.
Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах от
номинальной скорости: n0 – скорость вращения при холостом ходе
двигателя.
Обычно Δn составляет 2–8 %, и такую скоростную характеристику, являющуюся особенностью двигателя с параллельным возбуждением, называют жесткой.
Моментная характеристика. Поскольку полезная мощность
P2 = M2ω = M22πn/60, то при постоянной скорости момент М2 изменялся бы пропорционально мощности Р2, т. е. зависимость
М2 = f(P2) имела бы вид прямой линии, выходящей из начала координат. Но так как частота вращения n несколько падает с увеличением нагрузки, то зависимость М2 = f(P2) растет быстрее.
Прибавив M0 – const к любому заданному значению М2, получим полный статический момент ДШ
Кроме момента полезного М2 на валу двигателя существует
еще и момент холостого хода М0. Он практически не изменяемся при постоянной частоте вращения и потоке возбуждения. Для
определения Мо достаточно измерить мощность, подводимому к
двигателю при холостом ходе P0=UCNI0, тогда момент холостого
хода
M0 =
9,81P0
.
n0
41
Прибавив М0 = const к любому заданному значению М2, получим полный статический момент двигателя.
Ìñ =Ì =Ì2 + Ì0 =f (P2 ).
Зависимость I=f(Р2). Эта характеристика определяется целиком
видом зависимости M2=f(P2). Поскольку при снятии рабочих характеристик ток возбуждения поддерживают постоянным, можно
считать Ф = Ф0 + Фя =const. Следовательно, M = СеФI будет пропорционален I.
КПД. При прямом определении КПД (η) измеряют отдаваемую
двигателем мощность Р2 и подводимую мощность P1, тогда
P
η = 2 100%.
P1
Особенности испытания. Для снятия рабочих характеристик
устанавливают номинальное напряжение Ucn и регулируют одновременно ток в обмотке электромагнита и ток возбуждения двигателя (реостатами Rрег и Rвр) так, чтобы установилось номинальное
значение тока в якоре In при номинальной частоте вращения n.
Получившийся при этом ток возбуждения Iвn далее поддерживают
постоянным.
Момент нагрузки изменяют таким образом, чтобы получить 5–6
точек в пределах от М2 = 1,25 M2n до М2 = 0 (от I = 1,25In ) до отключения обмотки электромагнита тормоза), т. е. до холостого хода.
Экспериментальные и расчетные данные заносят в табл. 5.1,
строят рабочие характеристики и определяют Δn.
Характеристики регулирования скорости вращения путём изменения напряжения на якоре. При учебных испытаниях ДП регулирование скорости вращения проводят при постоянном моменте
нагрузки на валу ( M2=соnst ) двумя способами (рис. 5.2):
– изменяя подводимое к якорю напряжение при помощи реостата в цепи якоря Rяр,
– измененем потока Ф по средствам реостата Rвр.
Таблица 5.1
Рабочие характеристики при Ucn = const = Ucn =
Опытные данные
М2, Нм
42
n, об/мин
В, Iв = const =
Расчётные данные
I, А
Р2, Вт
Р1, Вт
η, %
Регулирование скорости вращения путем изменения величины
RЯР происходит при постоянном М=М0+М2 и постоянном магнитном потоке Ф, который при Rвр=const зависит от величины подводимого напряжения Uс. Тогда ток якоря
=
I
M0 + M2
≈ const.
Cì Φ
Характеристики регулирования скорости
В соответствии с выражением (2) при увеличении сопротивления Rя увеличивается падение напряжения I(ΣRя + Rяр) и скорость
вращения падает.
При снятии характеристики n = f(Uя) устанавливают заданную
величину момента М2 (обычно М2 ≈ 1/2 М2n) и Iв = Iвn при Rяр = 0.
Затем увеличивают сопротивление реостата Rяр так, чтобы снять еще
4–5 точек характеристики. За нижнее значение n принимают такое, при
котором еще возможно обеспечить постоянство момента нагрузки.
Характеристики регулирования представлены на рис. 5.4.
2400
25
2200
20
2000
1800
15
1600
10
1400
1200
5
1000
800
95
97
0
99 101 103 105 107 109 111 113 115
Напряжение якоря, В
n = f(Uя)
P2 = f(Uя)
Pc= f(Uя)
I = f(Uя)
КПД = f(Uя)
Рис. 5.4. Характеристики регулирования частоты вращения двигателя
параллельного возбуждения путём изменения напряжения якоря
43
Таблица 5.2
Характеристики регулирования скорости двигателя
путём изменения величины напряжения на якоре
при М2 = const =
Нм, Iв = const =
A, Uс = Uсn = const =
Опытные данные
Uя, В
n, об/мин
B
Расчётные данные
I, А
P2, Вт
ηу, %
Pс, Вт
Таблица 5.3
Характеристики регулирования двигателя
путём изменения величины тока возбуждения
при М2 = const =
Нм, Uс= Uсn = const =
В
Опытные данные
Iв, А
n, об/мин
Расчётные данные
I, А
P2, Вт
Pc, Вт
ηу, %
Мощность, потребляемая двигателем из сети, Рс=Uсn (I+Iв). При
практически постоянном токе якоря эта мощность тоже остается
постоянной.
КПД установки:
P
ηó =2 100%.
Pc
Как видно на рис. 5.4, данный метод регулирования скорости
вращения является неэкономичным, но зато позволяет изменять
скорость в широких пределах вниз от номинальной скорости.
Экспериментальные и расчетные данные записывает в табл.5.2
и строят характеристики регулирования скорости.
Характеристики регулирования двигателя
путём изменения величины тока возбуждения
При регулировании скорости изменением магнитного потока
устанавливают номинальное напряжение на зажимах якоря Uяn
и требуемую величину момента нагрузки М2 при Rвр = 0. Затем
уменьшают ток возбуждения, увеличивая сопротивление Rвр до
тех пор, пока скорость вращения достигнет максимального значения nmax ≈ 1,2nn.
По полученным данным строят характеристики регулирования
(рис.5.5, табл. 5.3).
44
27
2900
22
2700
17
Название оси
2500
2300
12
2100
7
1900
2
1700
1500
0,5
–3
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Название оси
n = f(Iв)
P2 = f(Iв)
Pc = f(Iв)
I = f(Iв)
КПД = f(Iв)
Рис. 5.5. Характеристики регулирования скорости двигателя
с параллельным возбуждением изменением величины тока возбуждения
Как видно из рис. 5.5, КПД изменяется незначительно во всем
диапазоне регулирования, что является преимуществом данного
метода. Это объясняется тем, что при увеличении скорости вращения происходит увеличение и полезной Р2~М2n, и подводимой
мощности Pc=Uсn(I + Iв).
К недостаткам указанного метода регулирования скорости относится узкий диапазон регулирования (только в сторону увеличения n), ограниченный механической прочностью двигателя и условиями устойчивой работы коллекторного узла [4].
Контрольные вопросы
С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения выводят
полностью?
45
Какие способы регулировки частоты вращения возможны в двигателях параллельного возбуждения?
Почему характеристика регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения путём изменения тока магнитного потока криволинейна?
Какие характеристики двигателя параллельного возбуждения
называют рабочими?
Почему при увеличении нагрузки на вал двигателя параллельного возбуждения уменьшается частота вращения?
Как будет изменяться частота вращения двигателя постоянного
тока при уменьшении напряжения питания?
5.3 Испытание двигателей с последовательным возбуждением
Схема для испытаний двигателя с последовательным возбуждением приведена на рис. 5.6.
+
110 В
–
Q1
Q2
PV1
Rп
PA2
P1
Rшв
P3
PA
1
PV3
Я1
S2
PA3
ОВY
Y
Я2
D1
Rрег
P2
D2
PV2
Рис. 5.6. Схема испытания двигателя постоянного тока
с последовательным возбуждением
46
На рис. 54,6 показаны: Я1, Я2 – зажимы якоря двигателя,
С1, С2 – зажимы обмотки возбуждения; RЯР – сопротивление, выполняющее функции пускового к регулировочного сопротивления
в цепи якоря; Rшв – реостат, шунтирующий обмотку возбуждения;
PV1 – вольтметр для измерения напряжения сети; PV2 – вольтметр
для измерения напряжения в цепи якоря.
Включение ДС в сеть производить, убедившись в наличии момента нагрузки на валу и пусковом положении реостата Rп~Rяр.
Пуск двигателя с последовательным возбуждением. Существуют
два способа пуска в ход ДПТ: реостатный способ, при помощи реостата, включенного последовательно в цепь якоря ДПТ, и безреостатный пуск, предельным случаем которого является прямое
включение двигателя в сеть. В эксплуатационной и учебной практике обычно используют пуск при помощи реостата. Это связано с
тем, что в первый момент пуска двигателя в ход якорь двигателя
неподвижен, т. е. n=0, следовательно, обратная ЭДС=СenФ тоже
равна нулю. Поэтому пусковой ток двигателя
где Uс – напряжение питающей сети; ΣRя,- суммарное сопротивление якорной цепи; Rп – сопротивление пускового реостата.
Обычно двигатели проектируют так, чтобы при номинальном
токе якоря In произведение IяΣRя не превышало 3 – 10 % от UС.
Если включить двигатель в сеть без реостата, т. е. Rвр=0, то ток Iп во
много раз (в 10~15) превысит номинальный, что вредно отразится
на самом двигателе, на работе питающей сети и на аппаратуре; поэтому для ограничения пускового тока до значения Iп=(2–2,5)In и
включают пусковой реостат со ступенчатым изменением величины
его сопротивления. Число ступеней зависит от требуемой плавности пуска.
Внимание. Перед пуском в ход ручка пускового реостата должна
находиться в положении соответствующему максимальному сопротивлению пускового реостата, а ключ S2 в цепи обмотки возбуждения должен быть разомкнут. Обязательно проверить наличие
нагрузки на валу двигателя, т. к. включение в сеть двигателя последовательного возбуждения без нагрузки приведет к «разносу»
двигателя ввиду малого значения тока возбуждения и резкому увеличению скорости двигателя.
Внимание! Включение ключа Q1 без включенного ключа Q2 и
наличие тока на амперметре PA3 – ЗАПРЕЩЕНО.
Для выполнения пусковой операции включают ключ Q1, двигатель возьмет с места, скорость вращения его будет возрастать, а ток
Iп начнет уменьшаться, после чего ручку пускового реостата пере47
водят в положение соответствующее минимальному сопротивлению пускового реостата.
После окончания пусковой операции двигатель будет работать
при установившихся значениях тока I и скорости вращения n.
Особенностью пуска ДПТ с последовательным возбуждением является то, что ток возбуждения равен току якоря, величины которого зависит от момента нагрузки на валу ДПТ. Поэтому, запрещен
пуск в ход ДП с последовательным возбуждением при моменте нагрузки, меньшем 25 % от номинального момента.
Рабочие характеристики двигателя
с последовательным возбуждением
Рабочими характеристиками двигателя с последовательным
возбуждением, как и для двигателя с параллельным возбуждением
называют зависимости n, М, I, P1 = f (P2) или n, M, Р2, η = f(I). При
Uc = Ucn = const.
Снятие рабочих характеристик начинают с установления номинального режима работы двигателя. Для получения этого режима
пускают двигатель в ход и при Uc = Ucn изменяют при помощи Rрег
ток в обмотке электромагнита тормоза таким образом, чтобы ток
якоря I стал равен номинальному (при разомкнутом S2, рис 2.4).
Значения n и M2, получившиеся при этом, принимают за номинальные. В дальнейшем снимают еще 5–6 точек в диапазоне моментов
от 1,2 М2n до (0,25–0,30)M2n.
Данные испытания и результаты расчетов заносят в табл. 5.4
Мощность, подводимую к ДС, определяют по формуле
Ð1 = Ucn I,
Полезная мощность
P=
= M2
2 M2 Ω
2πn
.
60
Таблица 5.4
Рабочие характеристики двигателя
с последовательным возбуждением при Uc = Ucn = const
Опытные данные
М2, В
48
n, об/мин
Расчётные данные
I, А
P2, Вт
P1, Вт
η, %
Коэффициент полезного действия
η=
Ð2
100%.
Ð1
Рабочие характеристики ДС обычно имеют вид, представленный на рис. 5.7.
Скоростная характеристика n = f(I) при Uc = Ucn = const.
Согласно формуле (2)
Uc − I (ΣRÿ + Rÿð )
n
=
Ce (Φ0 ± Φ ÿ )
≈
Uc − IΣRÿ
.
Ce (Φ0 ± Φ ÿ )
Таким образом, скорость ДС зависит от трех причин:
– изменения основного потока;
– падения напряжения в цепи якоря IΣRя;
– реакции якоря ΔФя.
2500
28,00
Рабочие характеристики
2300
23,00
2100
1900
18,00
1700
1500
13,00
1300
1100
8,00
900
700
12
14
16
18
20
22
Ток якоря, А
24
26
28
3,00
n = f(I)
P2 = f(I)
M2 = f(I)
КПД = f(I)
Рис. 5.7. Рабочие характеристики двигателя
с последовательным возбуждением
49
Две последние причины являются факторами второго порядка и, кроме того, действую во взаимно-обратных направлениях.
Поэтому скорость ДС практически зависит только от изменения основного магнитного потока.
Если бы двигатель был не насыщен, Ф~I и можно было бы считать, что
U
n= c ,
Ce I
т. е. скоростная характеристика была бы гиперболой. В действительности с увеличением нагрузки и тока I машина насыщается, и в нижней части скоростная характеристика пройдет выше гиперболы.
Вид скоростной характеристики объясняет и то, что ДС не может работать без нагрузки. Поскольку ток холостого хода обычно
не превышает 10 % номинального, то скорость двигателя в таком
режиме в 4–7 раз превысила бы номинальную, что недопустимо.
По этой же причине под номинальным изменением скорости ДС
условились понимать изменение скорости вращения при переходе
от номинальной нагрузки к одной четверти номинальной нагрузки,
Таким образом для ДС
n( P =0,25P ) − nn
n
Δn =
100%.
nn
Резкое падение скорости вращения ДС с ростом тока нагрузки
является особенность двигателей с последовательным возбуждением, а скоростную характеристику называют мягкой.
Зависимость М = f(Iя) Для простоты можно пренебречь моментом холостого хода М0 и считать М ≈ М2 = СмФI. В ненасыщенном
двигателе Ф~I и тогда М = СмI2, т. е. зависимость моменте от тока
является параболой (нижняя часть характеристики). При увеличении тока I магнитопровод насыщается, рост момента, замедляется и характеристика приближается к прямой 1 (верхняя часть)
Моментная характеристика такого вида нужна в тяговых установках и подъемно-транспортных механизмах.
Зависимость P2 и n = f(I). Мощность Р2 = UяIη. Поскольку в
пределах изменения нагрузки от Р2 ≈ 0,5Р2n, до P2 = 1,25 Р2n КПД
ДС практически остается постоянным, то Р2~I, т. о. полезная мощность двигателя растет почти пропорционально току.
Экспериментальные и расчетные данные заносят в табл. 5.5, строят рабочие характеристики на графике и определяют величину Δn.
50
Таблица 5.5
Рабочие характеристики при Uc = Ucn = const =
Опытные данные
М2, Нм
I, А
В
Расчётные данные
n, об/мин
P2, Вт
P1, Вт
η, %
Регулирование скорости вращения двигателя с последовательным возбуждением
При лабораторных испытаниях двигателя с последовательным
возбуждением используют два способа регулирования скорости
при М2=const;
изменением подводимого к якорю напряжения при изменении
сопротивления регулировочного реостата Rяр в цепи якоря (рис. 2.7);
изменением основного магнитного потока за счет шунтирования
обмотки возбуждения с помощью Rшв.
Регулирование скорости вращения путем изменения величины Rяр
производят при постоянным моменте нагрузки и, в отличие от ДШ,
при меняющемся магнитном потоке, поскольку у ДС ток возбуждения
Iв при разомкнутом S2 равен току якоря I. В соответствии с выражением механической характеристики двигателя постоянного тока, увеличение сопротивления Rяр приводит к уменьшению скорости вращения.
При снятии характеристик регулирования скорости устанавливают заданную величину М2(М2 ≈ 1/2М) при Uc = Ucn = const и
Rвр = 0. Затем увеличивают сопротивление регулировочного реостата Rяр так, чтобы снять еще 4–5 точек характеристики. За нижнее
значение n принимают такое, при котором еще можно обеспечить
постоянство момента нагрузки.
Экспериментальные и расчетные данные записывают в табл.5.6
По данным табл. 5.6 строят характеристики регулирования скорости вращения двигателя (рис. 5.7).
Поскольку введение сопротивления Rяр приводит к уменьшению напряжения, подводимого к якорю, Uя, то регулирование скорости вращения возможно лишь в сторону ее уменьшения.
Таблица 5.6
Характеристики регулирования скорости двигателя
при М2 = const =
Нм, Uс = Uсn = const =
В
Опытные данные
Uя, В
Iя, А
n, об/мин
Расчётные данные
P2, Вт
Pc, Вт
ηу, %
51
Поскольку у ДС М=(M0+M2)≈СмI2, и регулирование производится при постоялок моменте М2, то ток якоря практически остается
постоянным, как и мощность, потребляемая двигателем из сети,
Рс=UcnI.
Полезная мощность
P=
ω M2
2 M2=
2πn
.
60
КПД установки
P
η= 2 .
PC
Как видно из рис. 5.8, применение этого способа регулирования
скорости приводит к увеличению потерь и снижению энергетических
показателей (ηу), но обеспечивает широкие пределы регулирования.
2100
19
1900
17
Название оси
1700
15
1500
13
1300
11
1100
9
900
700
75
80
85
90
95
100
Название оси
105
110
7
115
n = f(Uя)
P2 = f(Uя)
P1 = f(Uя)
I = f(Uя)
КПД = f(Uя)
Рис. 5.8. Характеристики регулирования скорости двигателя с
последовательным возбуждением путём изменения напряжения якоря
52
Таблица 5.7
Характеристики регулирования скорости
Uc = Ucn = const =
В, M2 = const =
Нм.
Опытные данные
I=Iс, А
n, об/мин
Расчётные данные
Iшв, А
Iв, А
α
P2, Вт PС, Вт ηу, %
40
Характеристики регулирования скорости
2900
35
2700
30
2500
2300
25
2100
20
1900
15
1700
1500
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
10
1,100
Коэффициент регулирования, α
n=f(α)
P2 = f(α)
P1 = f(α)
I = f(α)
КПД = f(α)
Рис. 5.9. Характеристики регулирования скорости двигателя
с последовательным возбуждением путём изменения тока возбуждения
53
При регулировании скорости изменением магнитного потока Ф0
устанавливают номинальное напряжение, подводимое к двигателю,
Uсn и заданный момент нагрузки М2 при I=Iв, т. е. при разомкнутом
S2 (рис. 5.9). Затем при максимальной значении Rшв замыкают Q3 и,
поддерживая Uс = const = Ucn и М2~const, уменьшают величину Rшв,
тем самым уменьшая величину тока возбуждения Iв и магнитного
потока Ф0. Снимают еще 3–4 точки характеристики таким образом,
чтобы максимальная скорость вращения ДС не превысила 1,5nn.
Эти экспериментальные и расчетные данные записывают в табл. 5.7.
Характеристики регулирования (рис. 5.8) для удобства сравнения с ДШ
строят в зависимости от коэффициента регулирования [4].
I
α= â,
I
где Iв = I–Iшв.
Если пренебречь падением напряжения и реакцией якоря, то
выражение для скорости вращения можно записать в виде
n≈
Uñ
const
=,
Cå Φ0
kα
где k – коэффициент пропорциональности между магнитным потоком Φ и током возбуждения. Отсюда следует, что характеристики
регулирования двигателя с последовательным возбуждением аналогичны представленным на рис. 2.4. На практике коэффициент регулирования α изменяется от α = I до α = 0,5, но главным критерием является допустимое увеличение скорости вращения (примерно 20 %).
Контрольные вопросы
Почему не допускается включение, двигателя последовательного возбуждения с нагрузкой менее 25 % от номинальной?
Что представляют собой рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения?
Какие способы регулирования частоты вращения возможны в
двигателях последовательного возбуждения?
Чем объясняются особые свойства двигателей последовательного возбуждения по сравнению с двигателями параллельного возбуждения?
Для привода каких механизмов в основном применяют двигатели последовательного возбуждения?
54
Список литературы
1. А. И. Вольдек, В. В. Попов. Электрические машины. Введение
в электромеханику. Машины постоянного тока трансформаторы:
Учебник для вузов. – СПб: Питер, 2007. – 320 с.: ил.
2. Г. К. Жерве. Промышленные испытания электрических машин. Л.: Энергоатомиздат, 1984.
3. М. М. Кацман. Лабораторные работы по электрическим машинам и электрическому приводу: учеб. пособие для студ. учреждений сред проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 256 с.
4. А. А. Мартынов, С. С. Тимофеев, С. В. Житкова. Электрические машины постоянного тока: учеб.-метод. пособие. – СПб.: ГУАП,
2009. – 52 с.
55
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ..........................................................
3
2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.............
6
3. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ....................................................
8
4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1...............................................
4.1. Исследование генератора постоянного тока.........................
4.2. Исследование генератора с независимым возбуждением........
Характеристика холостого хода....................................
Нагрузочная характеристика........................................
Внешняя характеристика..............................................
Регулировочная характеристика....................................
Характеристика короткого замыкания...........................
Контрольные вопросы....................................................
4.3. Исследование генератора с параллельным возбуждением......
Характеристика холостого хода....................................
Внешняя характеристика..............................................
Контрольные вопросы....................................................
4.4. Исследование генератора со смешанным возбуждением........
Контрольные вопросы....................................................
14
14
18
18
20
23
25
27
31
31
32
34
35
35
35
5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2................................................
5.1. Испытание двигателей постоянного тока............................
5.2. Испытание двигателя с параллельным возбуждением...........
Рабочие характеристики двигателя
с параллельным возбуждением........................................
Характеристики регулирования двигателя
путём изменения величины тока возбуждения. ................
Контрольные вопросы....................................................
5.3 Испытание двигателей с последовательным возбуждением.....
Рабочие характеристики двигателя
с последовательным возбуждением..................................
Контрольные вопросы....................................................
37
37
39
Список литературы....................................................................
55
40
44
45
46
48
54
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
3 964 Кб
Теги
martinovtimofeev
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа