МАШИНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

значенні напруги Uном = const і постійному струмі збудження, що дорівнює номінальному його значенню.

Обчислити розрахункові значення величин:

– струму, що споживається електродвигуном,

Контрольні питання

1.Поясніть будову й принцип дії генератора та електродвигуна постійного струму.

2.Намалюйте схему ДПС із паралельним збудженням разом із пусковою і регулювальною апаратурою, поясніть призначення всіх елементів, що входять у схему.

3.Чому при зменшенні струму збудження ДПС із паралельним збудженням частота обертання якоря зростає?

4.Як змінити напрямок обертання ДПС із паралельним та послідовним збудженням?

5.Чому в ДПС із паралельним збудженням зі збільшенням моменту навантаження на валу зростає струм якоря?

6.Чому після закінчення пуску ДПС пусковий реостат повинен бути закорочений повністю?

7.Який вигляд має рівняння механічної характеристики ДПС?

8.Перерахуйте способи регулювання частоти обертання ДПС.

9.Назвіть переваги ДПС різних способів збудження.

10.Поясніть, чому струм якоря Ія не залежить від опору пускового ре-

остата.

11.Як змінюється механічна характеристика ДПС при зміні напруги

живлення U, при зміні опору пускового реостата Rn та при зміні магнітного потоку збудження?

12.Поясніть призначення головних полюсів, додаткових полюсів і компенсаційної обмотки ДПС.

101

20.2. Випробування генератора постійного струму з паралельним збудженням

Мета роботи – ознайомитися з будовою генератора постійного струму, його паспортними даними; навчитися визначати основні характеристики генератора постійного струму.

Основні теоретичні відомості

Електрична машина постійного струму може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Вона складається із статора і ротора.

Статор машини постійного струму служить для створення постійного магнітного поля й називається індуктором. Він являє собою сталевий циліндр, із внутрішньої сторони якого укріплені полюси з обмотками збудження. При пропусканні по цих обмотках струму, що називається струмом збудження, у міжполюсному просторі виникає магнітний потік.

Ротор машини, котрий називається якорем, виконаний у вигляді сталевого циліндра, набраного з ізольованих тонких листів електротехнічної сталі з пазами, в які укладена обмотка якоря. Остання складається із секцій, сполучених таким чином, що вони утворюють замкнутий ланцюг.

На одному валу з якорем укріплений колектор у формі циліндра, котрий складається з ізольованих одна від одної і від вала мідних пластин. До кожної пластини приєднаний кінець однієї секції й початок наступної за нею секції обмотки якоря.

Під час обертання якоря по колектору ковзають мідно-графітні щітки, забезпечуючи електричний контакт із зовнішнім електричним ланцюгом.

Якщо через обмотки збудження пропускати струм від стороннього джерела живлення (генератор із зовнішнім збудженням) або від якоря тієї ж машини (генератор із самозбудженням), то магнітний потік збудження Ф перетинається провідниками обмотки якоря, і в них індукується змінна ЕРС, яка за допомогою колектора підключається до зовнішнього електричного ланцюга завжди однією й тією ж полярністю, тобто колектор машини перетворює змінну ЕРС на однополярну

де Се – конструктивна постійна машини; n – частота обертання якоря. За способом з‟єднання обмоток якоря і збудження розрізняють машини паралельного, послідовного й змішаного збуджень. Схема з‟єднання обмоток якоря та генератора паралельного збудження показана на рис.20.4. ЕРС створює на затисках генератора напругу (різниця потенціалів) U, яка

має той же напрям, що й ЕРС (Е).

102

При замиканні зовнішнього ланцюга генератора на навантаження (режим навантаження) по ланцюгу якоря проходить струм Ія, створюючи в ньому падіння напруги: ІяRЯ. Тоді напруга на затисках генератора

де Rя – опір ланцюга якоря.

При розімкненому зовнішньому ланцюзі генератора (холостий хід) напруга на його затисках Uх = Е.

Генератор паралельного збудження (шунтовий генератор) запускається при розімкненому зовнішньому ланцюзі (холостий хід) і при повністю введеному реостаті збудження Rз.

У початковий момент у ланцюзі генератора струму немає, а отже, немає й потоку Ф , створюваного обмоткою збудження.

Проте в магнітопроводі машини звичайно існує невеликий потік залишкового намагнічування Фост, при перетині якого витками обмотки якоря в ній індукується ЕРС

ЕРС Еост викликає в обмотці струм збудження Із, що створює свій потік. Якщо він спрямований у той же бік, що й потік залишкового намагнічування, загальний потік збудження Ф збільшується, що у свою чергу приводить до зростання струму збудження, магнітного струму і т.д.

Рис. 20.4. Електрична схема ГПС

Цей процес називається самозбудженням генератора. Отже, необхідними умовами самозбудження є наявність у магнітопроводі генератора залишкового потоку намагнічування; збіг напряму магнітного потоку,

103

створюваного струмом збудження, з напрямом потоку залишкового намагнічування.

Значення ЕРС, до якого збудиться генератор, визначається опором ланцюга збудження, встановлюваного за допомогою реостата Rз.

При зменшенні опору реостата струм у ланцюзі збудження зростає, що приводить до збільшення магнітного потоку й напруги на затисках генератора.

Залежність Е=Ux=f(Із) за відсутності навантаження і при постійній частоті обертання (n=сonst) називається характеристикою холостого ходу генератора (рис. 20.5, а).

За допомогою зовнішньої характеристики (рис. 20.5, б) можна визначити відносну зміну напруги при зміні навантаження, %,

У генераторі постійного струму з паралельним збудженням є можливість підтримувати напругу на його затисках постійною, незалежною від величини навантаження.

Для цього одночасно із зміною струму навантаження необхідно змінювати за допомогою реостата збудження Rз струм збудження Із, а отже, і потік Ф, і ЕРС якоря Е.

Залежність Із=f(Ін) при постійних значеннях напруги на затисках генератора U та частота обертання якоря n називаються регулювальною характеристикою. Як приклад її вигляд зображений на рис. 20.5, в.

При підключенні до затисків генератора опору навантаження RH по ньому проходитиме струм навантаження ІН=U/Rн.

Струм якоря при цьому становить Ія=ІН+Із. Із зростанням струму якоря падіння напруги на його обмотці ІяRЯ збільшиться, що приведе до зменшення напруги на його затисках U=Е-ІяRЯ.

Зниження напруги U при постійному опорі ланцюга збудження Rз приведе до зменшення струму збудження і, отже, потоку Ф. У результаті напруга на затисках генератора різко падає із зростанням струму навантаження.

Залежність U=f(ІН) при незмінних значеннях опору в ланцюзі збудження Rз і швидкості обертання якоря n називається зовнішньою (навантаження) характеристикою. Її вигляд показаний на рис. 20.5, б.

У пристроях, котрі вимагають постійності вихідної напруги при навантаженні, що часто змінюється, застосовуються генератори зі змішаним збудженням.

104

E U

E=Uk

ІЗ

Ін

в)

Рис. 20.5. Характеристики ГПС: а) характеристика холостого ходу; б) зовнішня характеристика; в) регулювальна характеристика

У цих машинах, крім основної паралельної обмотки збудження, існує інша обмотка з невеликою кількістю витків, яка включається послідовно з навантаженням. При збільшенні струму навантаження зростає струм і в послідовній обмотці збудження, завдяки чому сумарний магнітний потік дещо підвищується, тим самим збільшуючи індуковану ЕРС. Цим частково компенсується падіння напруги в ланцюзі якоря.

Опис лабораторної установки

Випробовувана установка складається з генератора постійного струму із зовнішнім збудженням, обертання якого здійснюється асинхронним двигуном. Електрична схема установки показана на рис. 20.4. Вольтметр V вимірює напругу на затисках генератора, амперметри Аз, Ан – струм у ланцюзі відповідно обмоток збудження і навантаження.

Струм навантаження змінюється залежно від зміни опору навантаження Rн перемикачем П2, струм збудження – за допомогою реостата Rз, що включається послідовно з обмоткою збудження перемикачем П3. Асинхронний двигун запускається автоматом увімкнення П1.

105

Порядок виконання роботи

1.Ознайомитися з елементами електричної схеми випробовуваної установки. Записати паспортні дані генератора, визначити ціну поділки електровимірювальних приладів.

2.Зняти характеристику ХХ генератора: Е=f(Ів) при ІН = 0; n=const. Для цього вимкнути навантаження (перемикач П2 перевести в крайнє ліве положення), розімкнути ланцюг збудження (перемикач П3 вимкнений), повзунком реостата збудження Rз установити його максимальне значення і перемикачем П1 запустити привідний асинхронний двигун.

Записати показання вольтметра на затисках генератора при струмі збудження Із=0 у табл. 20.2. Це буде перша точка висхідної гілки характеристики холостого ходу.

Таблиця 20.2

Із,А Зростаюча Е=Ux, B Спадаюча

Поступово зменшуючи величину опору реостата Rз до нуля Rз = 0, записати в табл. 20.2 струм збудження й напругу холостого ходу генератора Uх = Е через інтервали, рівні 15…20 В.

Зняти ту ж характеристику у зворотному напрямі, знижуючи ЕРС якоря ступенями по 15...20 В до максимального опору реостата Rз.

Примітка. При знятті як висхідної, так і низхідної гілки характеристики холостого ходу струм збудження повинен змінюватися в одному і тому ж напрямі, а саме: на висхідній гілці – у бік збільшення, а на низхідній – у бік зниження. Якщо випадково повзунок реостата Rз буде переведений далі, ніж це необхідно, для отримання ступеня ЕРС, рівного 15-20 В, слід записати цю точку, яка вийшла, але у жодному випадку не пересувати повзунок реостата у зворотному напрямі.

3.Зняти зовнішню характеристику генератора: U=f(Ін) при Rз=const. Для цього при розімкненому зовнішньому ланцюзі (Ін = 0) порушити генератор до максимально можливої напруги (Rз = 0) і ступенями (за допомогою перемикача П2) збільшувати струм навантаження, записуючи при цьому відповідне кожному струму навантаження значення напруги генератора.

Дані вимірювань занести в табл. 20.3.

4.Зняти регулювальну характеристику генератора: Ів = f(Ін) при n=const; U=const. Для цього при холостому ході генератора встановити

повзунок реостата Rв у середнє положення. Напругу генератора встановлює викладач.

106

Таблиця 20.3

Ін, А

U, B

∆U, %

Підвищуючи ступенями струм навантаження за допомогою перемикача П2, установлювати кожного разу первинне значення вихідної напруги збільшенням струму збудження. Дані вимірювань занести в табл. 20.4.

Таблиця 20.4

Ін, А

IB, B

Обробка результатів вимірювань

1. Використовуючи дані табл. 20.2 – 20.4, викреслити (в масштабі) характеристики холостого ходу, зовнішню й регулювальну.

2. За даними зовнішньої характеристики обчислити відносну зміну

напруги генератора для кожного струму навантаження U U x U 100 .

U х

Контрольні питання

1.Як улаштований генератор постійного струму?

2.Як відбувається процес самозбудження генератора?

3.Як регулюється напруга генератора?

4.У чому полягає призначення колектора машини постійного струму?

5.Чому коротке замикання генератора з паралельним збудженням безпечне?

21.Питання для самостійної роботи з літературою

1.Вирівнюючі з‟єднання обмоток якоря МПС.

2.Складні петльові обмотки.

3.Складні хвильові обмотки.

4.Змішана обмотка.

5.Магнітне коло МПС та його розрахунок.

6.Характеристики ГПС із паралельним, послідовним і змішаним збудженням.

7.Автомобільний генератор.

107

8.Зварювальний генератор.

9.Електромашинний підсилювач із поперечним полем.

10.Уніполярна машина.

22.Контрольні питання

1.Яке призначення колектора в генераторі та двигуні постійного

струму?

2.Якими параметрами характеризуються обмотки якоря?

3.Які типи обмоток якоря Ви знаєте?

4.Поясніть будову та принцип дії машин постійного струму.

5.Які способи збудження використовують у машинах постійного

струму?

6.Із яких міркувань виходять при виборі типу обмотки якоря?

7.Від яких величин залежить ЕРС обмотки якоря?

8.У чому суть явища реакції якоря машини постійного струму?

9.Запишіть рівняння ЕРС для генератора і двигуна.

10.Із якою метою компенсаційну обмотку вмикають послідовно з обмоткою якоря?

11.Поясніть різницю зовнішніх характеристик генератора незалежного та паралельного збудження.

12.Які причини іскріння на колекторі?

13.Поясніть призначення та будову додаткових полюсів.

14.Що являє собою «коловий вогонь» на колекторі та які причини його виникнення?

15.При якому включенні обмоток збудження зовнішня характеристика генератора із змішаним збудженням буде більш жорсткою?

16.Які способи регулювання частоти обертання двигунів постійного струму Ви знаєте ? Які їх переваги та недоліки?

17.Чому в генератора паралельного збудження зміна напруги при скиданні навантаження більша, ніж у генератора з незалежним збудженням?

18.Які способи обмеження пускового струму двигунів?

19.Із якою метою при пуску двигунів із паралельним збудженням опір реостата в колі збудження виставляють мінімальним?

20.Які види втрат у машинах постійного струму?

21.Як зміняться струм якоря Iа, швидкість обертання n та момент двигуна М із незалежним збудженням при введенні додаткового опору Rд у коло якоря? Пояснити фізично і математично.

22.Як зміняться струм якоря Iа, швидкість обертання n двигуна з незалежним збудженням при збільшенні напруги якоря U? Пояснити фізично та математично.

108

23.Відповіді

16.Тестові питання для перевірки знань

19. Приклади для самостійного розв‟язання

Приклад 19.1. Ін=296 А.

Приклад 19.2. Рн=130 кВт; Рдв=143 кВт. Приклад 19.3. Е=175 В; Іа=370 А; Іяп=61,7 А. Приклад 19.4. n=2364 об/хв.

Приклад 19.5. n=1420 об/хв. Приклад 19.6. Ін=48,4 А.

Приклад 19.7. N=248; у1=8; у2=7; у=ук=15. Приклад 19.8. Ф=0,04 Вб.

Приклад 19.9. Мн=957 Н∙м. Приклад 19.10. U0=203 В. Приклад 19.11. Іа=82,3 А. Приклад 19.12. n=900 об/хв.

Приклад 19.13. а) n0=3030 об/хв; Мн=127 Н∙м; б) n*=2014 об/хв;

в) Ф*=1,051∙Фн.

Приклад 19.14. а) nн=1661 об/хв; Мн=118 Н∙м; б) Rд=0,54 Ом; в) U*=288 В; г) Ф*=0,767∙Фн.

109

Список літератури

1. Яцун М.А. Електричні машини: Навч. посібник. – Львів: Видав-

ництво Національного університету «Львівська політехніка», 2004. – 400 с.

2. Костенко Г.Н., Пиотровский Л.М. Электрические машины. – Л.:

Энергия, 1972. – Ч.1. – 544 с.; 1973. – Ч.2. – 648 с.

3. Брускин Д.Д., Захарович А.Е., Хвостов В.С. Электрические ма-

шины. – М., 1979. – Ч.1. – 282 с.

454с.

8.Иванов – Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: Энер-

гия, 1980. – 928 с.

9.Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1990.

–464 с.

10.Данку А., Фармаш А., Наць Л. Электрические машины: Сборник задач и упражнений. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 362 с.

110