6. Аналіз одержаних результатів. Висновки і рекомендації

6.1. Проводячи аналіз, в першу чергу зверніть увагу на переваги автотрансформатора перед трансформатором:

Враховуючи, що первинний І₁ і вторинний І₂ струми у автотрансформатора діють зустрічно, тобто за фазою майже протилежні, то результуючий струм у загальній частині обмотки дорівнює їх різниці, тобто можна вважати, що

.

Звідси випливає, що при малому значенні К (близькому до одиниці) загальну частину обмотки автотрансформатора можна виконати проводом з меншою площею поперечного перерізу. Ця обставина, а також відсутність окремої вторинної обмотки сприяють значній економії обмоткового матеріалу і, як наслідок, зменшенню розмірів, маси і вартості автотрансформатора. Отже за інших однакових умов порівняно із звичайним трансформатором автотрансформатор виявляється легшим і дешевшим ще й тому, що він має менші розміри осердя, пропорційні лише тій частині загальної потужності, яка передається магнітним шляхом. Завдяки меншій масі і розмірам автотрансформаторів знижуються втрати в міді та в сталі, а ККД виявляється трохи вищим, ніж у аналогічних трансформаторів.

Зі збільшенням К вказані переваги автотрансформатора у порівнянні з трансформатором зменшуються, а наявність електричного зв’язку між обмотками ВН і НН стає основним недоліком цього апарату.

Ще одна перевага автотрансформаторів полягає у тому, що вони можуть мати не одну, а декілька вторинних обмоток, що дає можливість стрибкоподібно регулювати величину вторинної напруги. А у лабораторних автотрансформаторах типу ЛАТР потужністю 0,5...7,5 кВ∙А взагалі вихідна напруга плавно регулюється від 0 до U_1н переміщенням по первинній обмотці повзунка або роликового контакту, тобто затискач a /рис. 8.1/ є рухомим.

2. За даними таблиці 8.1 побудуйте в масштабі (починаючи з нульових значень) графіки залежностей U₂ = ƒ(I₂ ) та η= ƒ(I₂ ).

Зверніть увагу, що при незмінних значеннях U₁, ƒ та сos φ₂, графік U₂ = ƒ(I₂ ) - це зовнішня характеристика автотрансформатора, яка показує його основні робочі властивості.

Запитання для самоперевірки та тестового контролю

1. Що являє собою автотрансформатор і в яких випадках доцільне його застосування?

2. Як побудований автотрансформатор та в чому полягає принцип його дії?

3. Які особливості в роботу автотрансформатора вносить наявність у ньому електричного зв’язку між первинною та вторинною обмотками?

4. За якими формулами визначаються потужності, які передаються в автотрансформаторі з первинного кола у вторинне безпосередньо електричним шляхом і шляхом трансформації?

5. Чим пояснюються менші габаритні розміри та маса автотрансформатора порівняно із звичайним трансформатором?

6. Чому із збільшенням коефіцієнта трансформації автотрансформатора його техніко-економічні переваги послаблюються?

7. Чому автотрансформатор з високою первинною напругою виготовляють з коефіцієнтом трансформації не більше ніж 2?

8. Що називають лабораторним автотрансформатором (ЛАТРом)?

9. Чим пояснити трохи більший, ніж у звичайного трансформатора, ККД автотрансформатора?

10. Практична область застосування автотрансформаторів.

Література: I, c. 188, 189; 2, c. 170, 171.

Лабораторна робота № 11

Дослідження генератора постійного струму

з паралельним збудженням

Мета роботи – вивчити конструкцію та принцип дії генератора постійного струму і навчитись знімати його характеристики

2. Завдання на виконання роботи:

• ознайомитись з номінальними даними дослідного генератора;

• вивчити будову та принцип дії генератора;

• зняти та побудувати характеристику холостого ходу генератора;

• зняти та побудувати зовнішню характеристику генератора;

• зняти та побудувати регулювальну характеристику генератора;

• визначити відносне зниження напруги генератора

2. Лабораторна установка та її електрична схема

Принципова схема дослідної установки для випробування ГПС з паралельним збудженням показана на рис. 11.1.

Зверніть увагу, що генератор постійного струму (далі ГПС) відноситься до класу машин постійного струму (МПС) і призначений для перетворення механічної енергії в електричну. Це оборотна машина, тобто він може працювати як у режимі генератора, так і режимі двигуна. Принцип дії цих машин оснований на використанні явища електромагнітної індукції.

складається з елементів кола, рекомендований перелік яких наведено в дод. 4. За джерело механічної енергії використано асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, частота обертання якого зі зміною навантаження мало змінюється і тому її можна вважати постійною.

МПС, як будь-яка динамічна машина, має дві головні частини: нерухому – статор, і рухому - ротор з колектором.

Статор служить для створення магнітного поля машини і являє собою циліндричну оболонку (станина), на внутрішній поверхні якої розташовані явно виражені стержневі головні та додаткові полюси – електромагніти. Головні і додаткові полюси прикріплені до станини безпосередньо і вона виконує функції магнітопроводу і тому її виготовляють обов’язково із сталі або чавуну. Кількість головних полюсів (їх число обов’язково парне – 2, 4, 6 і т.д.) залежить від потужності машини і частоти обертання її ротора. Як головні так і додаткові полюси мають шихтовані осердя, виготовлені із ізольованої (звичайно окалиною) листової електротехнічної сталі товщиною 0,35 або 0,5 мм, а їх котушки - із ізольованого мідного проводу. Головні полюси мають більший розмір, ніж додаткові, а кінці їх осердь дещо розширені у бік якоря.

Ротор МПС складається із сталевого валу, на якому розташовані його осердя з обмоткою, колектор і вентилятора.

Осердя якоря являє собою циліндр з поздовжніми пазами на зовнішній поверхні. Для зменшення вихрових струмів осердя набирають із штампованих сталевих листів товщиною 0,35–0,5 мм і закріплюють на валу шпонкою.

Обмотка якоря являє собою замкнену систему мідних ізольованих провідників, розташованих у пазах осердя за спеціальною схемою. У електричному відношенні, вона поділена на однакові між собою секції. Секція якірної обмотки може складатися із одного чи кількох витків. Вона займає два пази осердя і з’єднана із двома пластинами, розташованими на колекторі. Кожен виток секції намотують так, щоб одна його активна ділянка знаходилися під північним, а друга – під південним полюсами статора. Частини витка, які розташовані у пазах осердя, називають активними ділянками. Частини витка, які розташовані на торцях осердя, називають лобовими ділянками.

Колектор являє собою циліндричну оболонку утворену із окремих клиноподібних мідних пластин, які своїми розширеними виступами запресовані у колекторну втулку. Пластини колектора обов’язково ізолюють одна від одної і від втулки. Кожна пластин має шліц, куди впаяний короткий провідник для приєднання секції якірної обмотки.

Звернемо увагу, що послідовно з’єднані між собою котушки головних полюсів утворюють обмотку статора. При проходженні по цій обмотці постійного струму збуджується (індукується) постійне магнітне поле статора. Тому статорну обмотку МПС називають обмоткою збудження, а сам статор – індуктором. Котушки додаткових полюсів також з’єднані між собою послідовно і утворюють додаткову обмотку статора. Оскільки при роботі машини цю обмотку вмикають у зовнішнє коло послідовно і там діє великий струм навантаження, то її виконують з проводу великого перерізу або мідної ізольованої шини.

При обертанні якоря будь-яким первинним двигуном активні ділянки витків роторної обмотки перетинають силові лінії магнітного поля індуктора і тому там, у кожній активній ділянці, виникають ЕРС:

,

які змінюються із частотою –

,

де Ф – магнітний потік одного полюса індуктора; р – кількість пар полюсів індуктора.

Тобто в обмотці ротора індукується ЕРС, тому цю обмотку називають якірною, а сам ротор - якорем.

Діюче значення ЕРС активної ділянки витка якірної обмотки можна розрахувати так:

,

де В = 2рФ/(dl) – магнітна індукція поля статора (d – діаметр якоря); l та v – відповідно, довжина та швидкість руху активної ділянки витка якірної обмотки.

Напрям дії ЕРС у активних ділянках витків якірної обмотки визначається за правилом правої руки.

Оскільки ділянки витків, розташовані на торцях (лобові) та на внутрішній поверхні осердя не перетинають силові лінії магнітного поля індуктора, то ЕРС в них не виникають.

За один оберт ( = 360) кожен виток якірної обмотки почергово проходить під обома полюсами індуктора і зустрічає на своєму шляху магнітне поле із різною магнітною індукцією (по краям полюсу густина магнітних силових ліній менша ніж під його середньою частиною). У цьому разі зміна електрорушійної сили е у витку відбувається не за синусоїдою, а приблизно так, як показано на рис. 11.2.

Лінію, проведену через вісь машини перпендикулярно вісі магнітного поля пари полюсів статора, називають електричною нейтраллю. При роботі машини без навантаження електрична нейтраль співпадає із геометричною нейтраллю машини – лінією, яка проведена через вісь машини і поділяє силові лінії магнітного поля пари полюсів статора на дві частини рівні за довжиною. При переході через нейтраль активні ділянки витків якірної обмотки не перетинають силових ліній поля індуктора (вони “ковзають” по ним) і тому в цих витках не виникає ЕРС. Нейтральні лінії поділяють обмотку якоря на парну кількість частин, які називають паралельними вітками.

Оскільки витки, які входять у паралельну вітку, проходять під одним полюсом, то у будь-якій час ЕРС цих витків мають однаковий напрямок. Отже ці ЕРС додаються і утворюють результуючу ЕРС паралельної вітки, напрямок дії якої такий же як ЕРС витків цієї паралельної вітки. При рівномірному розподіленні обмотки по колу якоря кількість витків у паралельній вітці залишається незмінною при будь-якому положенні якоря. Тому результуючі ЕРС паралельних віток дорівнюють одна одній і діюче значення ЕРС якірної обмотки можна визначити так:

,

де В_х – індукція у точці повітряного зазору, яка розглядається,  – колова швидкість якоря; N – загальна кількість активних ділянок витків якірної обмотки, N/2a – кількість активних ділянок витків у одній з а паралельних віток якірної обмотки.

Оскільки кількість колекторних пластин достатньо велика, є можливість знехтувати пульсацією ЕРС, яка виникає при переході щіток з однієї пластини колектора на іншу і вважати, що

,

де В_ср – середнє значення індукції в межах однієї полюсної частини  = d/(2p).

Прийнявши, що B_срl = Ф та v = dn/60 = 2pn/60, отримують:

.

де с_е = pN/(60a) – коефіцієнт, величина якого визначається конструктивними параметрами машини і не залежить від режиму її роботи.

Завдяки тому, що вітки розташовані під різними полюсами, їх результуючі ЕРС діють зустрічно і, отже, врівноважують одна одну. Таким чином, у замкненій якірній обмотці струм не діє, ае між точками обмотки, які проходять через електричну нейтраль машини, є постійна різниця потенціалів.

Отже, не дивлячись на наявність змінних ЕРС у витках якірної обмотки, у паралельних вітках цієї обмотки діють постійні за напрямом результуючі ЕРС, які знімають у мережу з допомогою колектора, до кожної пластини якого припаяний один кінець витка якірної обмотки. У цьому разі, щітки, розташовані на нейтралі та притиснуті до колектора, через ці пластини мають постійний електричний зв’язок із паралельними вітками якірної обмотки. Таким чином, колектор не спрямляє ЕРС, а тільки дає можливість використати ЕРС, які діють у якірній обмотці.

Щітковий механізм МПС складається із щіткової траверси, щіток і щіткотримача. Щітки можуть бути вугільні, графітові, електрографітіровані, металовугільні. Їх кількість залежить від кількості пар полюсів і техніки виконання якірної обмотки. Колектор та щітки з’єднують електричну обмотку якоря із зовнішнім колом.

Оскільки способи підведення постійного стуму до статорної обмотки можуть бути різними, то залежно від цього МПС бувають з незалежним, паралельним, послідовним і змішаним збудженням. Електрична схема генератора з паралельним збудженням показана на рис. 11.1.

Генератор приводиться в рух асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором. Вони змонтовані на одній рамі, а їх вали з’єднані за допомогою муфти. Навантаження генератора утворюють за допомогою реостата активного навантаження. Для регулювання І_3б передбачено використати повзунковий реостат.

Затискачі обмоток ГПС (Я₁ і Я₂, Ш₁ і Ш₂) та трифазного асинхронного двигуна (С₁, і С₄; С₂ і С₅; С₃, і С₆), джерела напруги змінного струму та реостата активного опору виведені на лицеву панель лабораторного столу, де також розміщені вимикач напруги та вимикачі активного навантаження.

Між собою елементи кола з’єднуються за допомогою провідників з наконечниками та перемичок (потовщені лінії).

Живлення здійснюється від мережі змінного струму промислової частоти 50 Гц та напругою 220 В. Для вмикання кола в мережу використовують автоматичний повітряний вимикач QF.