Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра электротехники и электрооборудования предприятий

Учебно-методическое пособие

к выполнению лабораторной работы по теме

«Исследование генератора постоянного тока»

УФА 2012

УДК 621. 315.416

В пособии рассмотрены режимы работы оборудования для диагностики проводников и контактных соединений, анализа полученных данных с помощью программного обеспечения.

Изложены основные теоретические положения по методам термографического контроля проводников и контактных соединений и даны рекомендации к проведению диагностики и анализу полученных данных.

Учебно-методическое пособие рекомендуется для студентов направления 140600 (БАЭ) при изучении дисциплины «Электротехника и электроника».

Составители: Конесев С.Г., доцент, к.т.н.

Хлюпин П.А., ассистент

Хазиева Р.Т., студент гр. БАЭ 08-01

Рецензент Павлова З.Х., доцент, к.т.н.

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012

Цель работы:

1 Исследование рабочих свойств генераторов постоянного тока.

2 Изучить схему для экспериментального исследования генератора постоянного тока (ГПТ), состав и назначение модулей используемых в работе.

3 Собрать схему для проведения опытов и провести пробное включение.

4 Снять характеристику холостого хода ГПТ независимого возбуждения U_я = f (I_в) при I_я = 0 и n = const.

5 Снять внешнюю характеристику ГПТ независимого возбуждения U_я = f (I_я) при I_в = const.

6 Снять внешнюю характеристику ГПТ параллельного возбуждения (ГПТ с самовозбуждением) U_я = f (I_я) при регулировочном сопротивлении в цепи возбуждения r_рг = 0.

7 Снять регулировочную характеристику ГПТ параллельного возбуждения (ГПТ с самовозбуждением) I_я = f (I_в) при регулировочном сопротивлении в цепи возбуждения r_рг = 0.

7 Снять регулировочную характеристику ГПТ независимого возбуждения (ГПТ с самовозбуждением) I_я = f (I_в) при регулировочном сопротивлении в цепи возбуждения r_рг = 0.

Обработать результаты и составить отчет по работе.

1 Теоретические сведения о генераторах постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (ЭДС), называемая ЭДС индукции. Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Явление возникновения ЭДС индукции в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуктируется ЭДС, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием ЭДС по цепи потечет ток.

Генератор постоянного тока состоит из неподвижной части – статора и подвижной – якоря. Статор состоит из чугунной станины, стальных полюсов с обмоткой возбуждения и подшипниковых щитов с подшипниками внутри, закрывающих машину по торцам.

Якорь имеет стальной сердечник якоря в идее зубчатого цилиндра с уложенной в его пазах обмоткой якоря и коллектор, установленные на валу, вращающемся в подшипниках. Коллектор набирается из ряда медных коллекторных пластин, изолированных друг от друга слюдяными прокладками. На коллекторные пластины выведены проводники обмотки якоря. Токосъем с коллекторных пластин осуществляется с помощью неподвижных угольно-графитовых или медно-графитовых щеток.

Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным и электромагнитным возбуждением. Для создания магнитного потока в генераторах с магнитным возбуждением используют постоянные магниты, а в генераторах с электромагнитным возбуждением – электромагниты. Постоянные, магниты применяют только в машинах очень малых мощностей. Наиболее широко используемым способом для создания магнитного потока является электромагнитное возбуждение. При таком способе возбуждения магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения.

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока  могут быть  с независимым  возбуждением и с самовозбуждением.

В генераторах независимого возбуждения (рисунок 1.1) обмотка возбуждения ОВ получает питание от постороннего источника постоянного тока, так что ток возбуждения I_в не зависит от напряжения U на зажимах якоря.

Принцип действия генератора независимого возбуждения заключается в следующем. При подключении обмотки возбуждения ОВ к постороннему источнику постоянного тока по ней протекает ток возбуждения I_В. Он создает магнитный поток обмотки возбуждения или основной магнитный поток Ф₀. При вращении приводным двигателем якоря проводники его обмотки пересекаются силовыми линями основного магнитного потока. По закону электромагнитной индукции в проводниках обмотки якоря наводятся электродвижущие силы (ЭДС), которые, складываясь, образуют ЭДС якоря E_я. При замыкании рубильника на сопротивление нагрузки под действием этой ЭДС по цепи якоря протекает ток якоря I_я.

Рисунок 1.1 – Схема генератора независимого возбуждения

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора, током, вырабатываемым на его якоре. При этом используется явление остаточного магнетизма.

Принцип самовозбуждения заключается в следующем. Цепь якоря вначале разомкнута. При вращении генератора приводным двигателем в обмотке якоря наводится небольшая ЭДС (порядка 2-3 % от номинального напряжения), называемая ЭДС остаточного намагничивания. Она обусловлена небольшим магнитным потоком остаточного намагничивания, создаваемым внутримолекулярными токами ферромагнитных элементов магнитной цепи электрической машины. Под действием ЭДС остаточного намагничивания по обмотке возбуждения генератора протекает небольшой ток возбуждения, который создает свой небольшой магнитный поток, который, складываясь, с потоком остаточного намагничивания, увеличивает общий магнитный поток машины. Последний наводит в обмотке якоря ЭДС, большую по сравнению с ЭДС остаточного намагничивания. Тем самым создает больший ток в обмотке возбуждения, под действием которого общий магнитный поток машины еще более увеличивается и наводит еще большую ЭДС якоря. Описанный процесс последовательного взаимного увеличения магнитного потока и ЭДС генератора продолжается до полного самовозбуждения машины, т.е. до того момента, когда значение ЭДС якоря не станет равным полному значению напряжения холостого хода на его зажимах (при разомкнутом рубильнике Р). При замыкании рубильника Р под действием этой ЭДС по сопротивлению нагрузки R_нагр потечет ток нагрузки I = I_я + I_в.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения с якорем делятся на три основных типа:

1) параллельного возбуждения (рисунок 1.2, а);

2) последовательного возбуждения (рисунок 1.2, б);

3) смешанного возбуждения (рисунок 1.2, в).

а) б) в)

а) параллельного возбуждения; б) последовательного возбуждения;

в) смешанного возбуждения

Рисунок 1.2 – Генераторы с самовозбуждением

В настоящей лабораторной работе исследуются генераторы независимого и параллельного возбуждения.

Движущей причиной тока в генераторах является ЭДС якоря. Поэтому для замкнутого контура, образованного элементами цепи коря и нагрузкой на рисунках 1, 2 справедливо уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа:

E_я = U + R_я ∙ I_я, откуда U = E_я - R_я ∙ I_я, (1)

где U – напряжение на зажимах якоря генератора;

E_я, I_я – ЭДС и ток якоря;

R_я – сопротивление цепи якоря; в генераторах независимого и параллельного возбуждения оно включает в себя последовательно соединенные сопротивления обмотки якоря и щеток.

ЭДС якоря пропорциональна частоте вращения генератора n и его магнитному потоку Ф:

E_я = C_е ∙ n ∙ Ф,

где C_е – конструктивная постоянная ЭДС машины.

При холостом ходе генератора сопротивление R_нагр отключено, ток нагрузки I = 0, по якорю протекает небольшой ток холостого хода, которым по сравнению с током нагрузки можно пренебречь, и, обобщая, для обоих видов генераторов можно приближенно положить I_я = 0. Это позволяет пренебречь как падением напряжения R_я ∙ I_я, так и влиянием магнитного поля, создаваемого током холостого хода якоря, и, обобщая, считать, что при холостом ходе магнитное поле генераторов равно основному магнитному полю Ф₀. Это поле наводит ЭДС холостого хода E₀ = C_е ∙ n ∙ Ф. Поэтому при холостом ходе на зажимах генераторов напряжение холостого хода U₀ равно ЭДС холостого хода E₀: U₀ = E₀.

Под нагрузкой (сопротивление R_нагр включено) ток якоря I_я значительно больше тока холостого хода, а напряжение U < U0. Происходит это под воздействием следующих причин. Во-первых, напряжение U уменьшается из-за влияния падения напряжения в сопротивлении цепи якоря R_я ∙ I_я, которым под нагрузкой нельзя пренебречь из-за достаточно большой величины. Во-вторых, ЭДС якоря под нагрузкой E_я = C_е ∙ n ∙ Ф меньше ЭДС холостого хода E₀ из-за того, что магнитный поток машины Ф в этом случае меньше основного магнитного потока Ф₀ вследствие влияния реакции якоря.

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля, создаваемого токами проводников обмотки якоря, т.е. магнитного поля якоря на основное магнитное поле машины. В современных машинах постоянного тока реакция якоря всегда действует на основное поле размагничивающим образом, т.е. будучи направлено встречно основному полю, уменьшает его. Такая реакция якоря называется размагничивающей. Поэтому магнитный поток генератора постоянного тока Ф при размагничивающей реакции якоря меньше основного магнитного потока Ф₀ на некоторую величину, обусловленную размагничивающим действием магнитного поля якоря. Отсюда ЭДС якоря под нагрузкой меньше ЭДС холостого хода машины: E < E₀ = U₀.

Таким образом, под нагрузкой напряжение на зажимах генератора меньше напряжения холостого хода (U < U₀) из-за влияния падения напряжения на сопротивлении цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.

Характерной особенностью генераторов постоянного тока является возможность плавного регулирования напряжения U. Для этого обычно регулируют их магнитный поток Ф, изменяя ток возбуждения I_в с помощью реостата r_рг в цепи обмотки возбуждения.

Все возможные режимы генераторов постоянного тока могут быть охарактеризованы с помощью рабочих характеристик. На практике чаще других находят применение следующие характеристики:

1. характеристика холостого хода;

2. внешняя характеристика;

3. регулировочная характеристика.

Характеристикой холостого хода называется зависимость напряжения холостого хода генератора от тока возбуждения:

U₀ = f (I_в) при I_я = 0, n = const.

На рисунке 1.3 представлена характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения, полученная при неизменном направлении тока обмотки возбуждения.

Из-за нелинейного характера кривой намагничивания магнитной системы генератора характеристика холостого хода имеет также нелинейный характер. ЭДС остаточного намагничивания имеет небольшую величину. Из-за гистерезисных явлений характеристика холостого хода имеет восходящую и нисходящую ветви. ЭДС остаточного намагничивания по нисходящей ветви характеристики холостого хода получается несколько больше, наблюдаемой по восходящей ее ветви.

Рисунок 1.3 – Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения

Внешней характеристикой генератора постоянного тока называется зависимость напряжения на зажимах якоря от тока нагрузки (для генераторов независимого возбуждения, параллельного и последовательного возбуждения ток нагрузки равен току якоря):

U_я = f (I_я) при I_в = const, n = const.

На рисунке 1.4 представлены внешние характеристики генератора независимого возбуждения и параллельного возбуждения.

Рисунок 1.4 – Внешняя характеристика генератора

а) независимого возбуждения (НВ); б) параллельного возбуждения (ПВ)

С увеличением ток нагрузки напряжения на зажимах якорей генераторов независимого и параллельного возбуждений уменьшаются, причем у генератора параллельного возбуждения в большей степени, чем у генератора независимого возбуждения.

В генераторе независимого возбуждения при r_рг = const ток возбуждения I_в = const и основной магнитный поток Ф₀ = const. По мере увеличения нагрузки увеличивается ток якоря и пропорционально ему возрастают падения напряжения на сопротивлении цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря, все более уменьшающее общий магнитный поток машины и ЭДС якоря. По этим причинам напряжение на зажимах якоря все больше падает.

В генераторе параллельного возбуждения указанные причины также уменьшают напряжение на зажимах якоря. Однако поскольку обмотка возбуждения включена на это напряжение, то дополнительно уменьшается еще и ток возбуждения. В результате дополнительно снижается также основной магнитный поток, что приводит к еще большему снижению общего магнитного потока машины и ЭДС якоря. Вследствие этого внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения проходит ниже внешней характеристики генератора независимого возбуждения.

Регулировочной характеристикой генератора постоянного тока называется зависимость тока возбуждения от тока нагрузки:

I_в = f (I_я) при U_я = const, n = const.

Эта характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать постоянным напряжение на его зажимах при изменении тока нагрузки. Для этого надо поддерживать постоянным магнитный поток, что достигается регулированием тока возбуждения.

На рисунке 1.5 представлены регулировочные характеристики генератора независимого возбуждения и параллельного возбуждения.

а) независимого возбуждения (НВ); б) параллельного возбуждения (ПВ)

Рисунок 1.5 – Регулировочная характеристика генератора

Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения имеет возрастающий характер, т.к. с целью поддержания постоянным напряжения генератора приходится компенсировать увеличением тока возбуждения, возрастающие с током нагрузки падения напряжения на сопротивлении цепи якоря и падения напряжений, связанные с размагничивающим действием возрастающей реакции якоря.

В отличие от ГПТ с НВ в ГПТ с ПВ с целью поддержания постоянным напряжения на зажимах якоря с ростом тока нагрузки, кроме указанных причин, необходимо еще компенсировать возрастающие падения напряжения, обусловленные дополнительными уменьшениями основного магнитного потока машин, вызванными все более уменьшающимися током возбуждения генератора. Поэтому кривая регулировочной характеристики генератора параллельного возбуждения проходит выше аналогичной кривой для генератора независимого возбуждения.

Таким образом, реакция якоря оказывает существенное влияние на формирование рабочих характеристик генераторов постоянного тока. Она также влияет на процессы коммутации, вызывающие искрение и износ коллектора. Для борьбы с реакций якоря и с целью улучшения коммутации применяют полюсы, устанавливаемые в междуполюсном пространстве главных полюсов, и компенсационные обмотки, располагаемые в пазах башмаков главных полюсов; для этого применяют также ряд других мер.