Работа 1. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

[1, с. 399…482; 2, с. 319…382; 3, c. 172…186]

Цель работы – экспериментальное исследование работы и получение основных характеристик генератора.

I. Общие сведения и описание установки

Машина постоянного тока состоит из неподвижной части статора – станины С с полюсами (рис.1.1,а) и вращающейся части – ротора –якоря Я. На станине укреплены основные ОП и добавочные ДП полюса. На основных полюсах имеется обмотка возбуждения ОВ с большим числом витков, подключаемая к независимому источнику тока. Ток независимой обмотки обычно не превышает (1…5)% номинального тока. Назначение основных полюсов – создание основного магнитного потока машины. На добавочных полюсах укреплены обмотки с небольшим числом витков, включаемые последовательно с обмоткой якоря и служащие для улучшения коммутации (уменьшения искрения под щетками).

а) б)

Рис. 1.1

В пазах якоря уложена обмотка ОЯ, состоящая из отдельных секций, соединенных через пластины коллектора К в замкнутую обмотку. Щетки Щ, наложенные на коллектор, разделяет якорную обмотку на четное число параллельных ветвей. Коллекторно-щеточный аппарат служит для изменения направления (выпрямления) тока, подводимого из вращающейся обмотки якоря к сопротивлению нагрузки.

На схеме включения (рис. 1.1,б) сопротивления обмоток генератора: R_f – независимая обмотка возбуждения, R_дп – обмотка добавочных полюсов, R_в – реостат возбуждения.

Начала и концы обмоток якоря и возбуждения машины постоянного тока типа 101.1 лабораторного комплекса обозначены в соответствии с рис.1.2, а.

В качестве приводного двигателя исследуемого генератора используется машина переменного тока типа 102.1, включаемая как синхронный двигатель, начала (U1, V1, W1), концы (U2, V2, W2), и нулевой вывод (N) обмотки статора, начала (Fl, F2, F3) обмотки ротора выведены на панель машины так, как показано на рис.1.2,б.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции. В обмотке якоря индуктируется переменная ЭДС E_o и выпрямляется при помощи коллекторно-щеточного аппарата. Величина ЭДС

, (1.1)

где с=pN/2a=9,55с_е – конструктивный коэффициент; р – количество пар полюсов, N – количество проводников якорной обмотки; a – количество пар параллельных ветвей ее; n –частота вращения, мин^-1;  - угловая скорость якоря, Ф – магнитный поток генератора.

а) б)

Рис.1.2

У генератора с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от отдельного источника и ток возбуждения I_f не зависит от напряжения якоря. Поэтому для возбуждения генератора (создания магнитного потока) требуется лишь включить напряжение этого источника, полярность которого определит полярность ЭДС генератора.

Характеристика холостого хода генератора (рис. 1.3) представляет собой зависимость ЭДС E₀ от тока возбуждения I_f при отключенной нагрузке. Для генератора с независимым возбуждением характеристика может быть снята в двух квадрантах с получением петли гистерезиса.

Рис. 1.3

Увеличение тока обмотки возбуждения вызывает рост ЭДС генератора. ЭДС нарастает до тех пор, пока не сказывается влияние насыщение магнитной системы.

Присоединение к якорю нагрузки вызывает увеличение тока в якоре. Для якорной цепи справедливо уравнение, составленное по II закону Кирхгофа, которое для принятых на рис. 1.1,б положительных направлений напряжений, ЭДС и тока имеет вид

, (1.2)

где R_a=r_a+R_дп – сопротивление якорной цепи; I_a = I – ток якоря.

Внешняя характеристика генератора (рис. 1.4) – это зависимость U=f(I_а), показывающая как изменяется напряжение с ростом тока нагрузки генератора при I_f=const, n=const.

При увеличении тока нагрузки I (уменьшении сопротивления R_н) происходит снижение напряжения U вследствие увеличения падения напряжения в якорной цепи I_aR_a.

Изменение напряжения генератора оценивается относительным падением напряжения

, (1.3)

где U – напряжение якоря при заданной нагрузке; U₀=E₀ – напряжение при холостом ходе.

Для номинального режима в генераторах большой и средней мощности с независимым возбуждением U достигает (5…10)%. Для генераторов 50-100 Вт U равно 30-40%.

Рис. 1.4 Рис. 1.5

Стабилизация напряжения генераторов достигается регулировкой тока возбуждения.

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость I_f=f(I_a) при U=const, n=const, показывающую, как надо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки для получения постоянного напряжения (рис. 1.5).

Нагрузочная характеристика U=f(I_f) снимается аналогично характеристике холостого хода, с тем только отличием, что поддерживается постоянный по величине ток нагрузки I_a>0 (I_a=const).

Характеристика короткого замыкания I_a = f (I_f) (n=const) снимается при замкнутых накоротко выводах обмотки статора путем постепенного от нуля повышения тока возбуждения (I_a< 1,5I_ном).

Замыкание выводов обмотки якоря и все переключения в обмотках при снятии характеристик мощных электрических машин проводится после остановки и обесточивания машины. В лабораторном комплексе микромашин обеспечены условия для переключений без остановки машины.

Все характеристики снимаются при поддержании постоянной частоты вращения, поэтому в качестве приводного используется синхронный двигатель.

Для определения КПД генератора вычисляют полезную мощность генератора

(1.4)

и потребляемую мощность генератора

, (1.5)

где p_ст+p_мех – постоянные потери, равные сумме потерь в стали и механических; p_в=UI_f – потери на возбуждение; p_я=I_a²R_a – потери в обмотке якоря; p_щ=U_щI_a – потери в щеточном контакте, U_щ=0,5 В.

КПД генератора

. (1.6)

Определить ЭДС генератора, если р=2, a=2, N=800, n=1500 об/мин, Ф=115·10^–4 Вб.

Определить относительное падение напряжения U генератора, если ток якоря в долях от номинального (18 А) указан в табл. Р1.1, сопротивление якорной цепи R_a= 1 Ом, а обмотка возбуждения питается от независимого источника и ЭДС E₀=230 В постоянна.

Табл.Р1.1

Номер бригады	1	2	3	4	5	6	7	8
Ia/Iном	0,9	0,4	0,8	0,5	0,3	1,0	0,6	1,1

Объяснить изменение относительного падения напряжения, если обмотку возбуждения переключить на питание от собственного якоря.