Электротехники и промышленной электроники
Работа добавлена на сайт samzan.net:
Федеральное агентство по образованию
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия
имени П.А. Соловьева
Кафедра «Электротехники и промышленной электроники».
Методическое руководство к лабораторной работе
«Исследование генератора постоянного тока смешанной
системы возбуждения».
Составитель к.т.н.,доцент Манин А.В.
г.Рыбинск
2005 год
Цель работы: Ознакомиться с устройством генератора постоянного тока, уяснить принцип его работы и снять основные характеристики.
Теоретические сведения
Генератор постоянного тока - это электрическая машина которая преобразует механическую энергию в электрическую, таким образом генератор является источником электрической энергии постоянного тока. Подробное изучение устройства генератора необходимо провести используя наглядные пособия имеющиеся в лаборатории конспект лекций учебник. Принципиально ге-
нератор (рис.1) состоит из неподвижной части – статора который представляет собой полый цилиндр 1 с установленными на нём главными 2 и дополнительными 3 полюсами и вращающейся части – ротора или якоря, состоящего из сердечника 4 с обмоткой 5 и коллектора 6, закреплённых на валу 7.
На главных полюсах размещены обмотки возбуждения 8, которые служат для создания магнитного поля машины. Исследуемый генератор имеет две обмотки возбуждения одна из которых ОВ включена параллельно обмотке якоря и является основной другая Овп включена последовательно с якорем. Обе обмотки размещены на главных полюсах рис.3 .Такая система возбуждения называется смешанной.
На дополнительных полюсах размещается обмотка дополнительных полюсов ОДП, которая служит для частичной компенсации действия реакции якоря. Обмотка якоря 5 укладывается в пазах сердечника якоря 4 и присоединяется к коллектору 7, на котором устанавливаются щётки 10. Сердечник якоря совместно с коллектором закрепляются на вращающемся валу. Щётки неподвижны, они установлены на специальной траверзе, которая соединена с одним из подшипников щитов. На вал генератора насажена крыльчатка вентилятора для охлаждения машины. Работу генератора поясняет структурно-логическая схема представленная на рис.2.
Под действием первичного вращающего момента М1 ротор якорь генератора приводится во вращение со скоростью n . В лаборатории для этого используется асинхронный двигатель трёхфазного переменного тока АД (см. схему рис.3) .В проводниках якоря которые будут пересекать магнитное поле главных полюсов в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла возникает э.д.с. Ея.
Ея = Св* n * Ф (1)
Эта э.д.с вызовет появление тока якоря Iя , который будет существовать в сопротивление нагрузки (ток I) и в обмотке возбуждения (ток Iв). Магнитный поток возбуждения параллельной Фпар и последовательной Фпосл.
Поток параллельной обмотки создаётся током возбуждения Iв, поток последовательной обмотки определяется проходящим по ней током якоря. Кроме того, ток якоря, проходя по обмотке якоря, создаёт поток якоря Фа, который накладывается на поток возбуждения. Это явление называется реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле главных полюсов, уменьшает его, ухудшает коммутацию машины. Для ослабления действия реакции якоря на геометрической нейтрали машины устанавливаются дополнительные полюса, обмотка которых ОДП (рис.3), обтекаемая током якоря, создаёт поток дополнительных полюсов Фдп, действующий встречно потоку реакции якоря Фя. Таким образом, результирующий магнитный поток генератора Ф, в данном случае, является геометрической суммой четырёх потоков Фпар, Фпосл, Фа, Фдп, соответствующих четырём обмоткам ОВ, ОВп, Я, ОДП.
При взаимодействии тока якоря IЯ с магнитным потоком Ф, в соответствии с законом Ампера на проводники якоря будет действовать сила, вызывающая электромагнитный момент М, направленный встречно относительно вращающего момента М1(Закон Ленца).
Электромагнитный момент, развиваемый генератором, определяется по формуле:
М = См * IЯ * Ф. (2)
В формулах (1) и (2) Се и См – постоянные, зависящие от исполнения генератора.
Рис.3.Принципиальная электрическая схема генератора со смешанной
системой возбуждения.
Уравнение статических моментов генератора имеет вид:
М1 = М0 + М, (3)
где М0 – момент холостого хода.
Ток нагрузки I создаёт на ней напряжение U.
Согласно второму закону Кирхгофа для цепи якоря и нагрузки может быть
Составлено следующее уравнение:
U = EЯ – IЯ * RЯ (4)
По первому закону Кирхгофа:
Iя = I + Iв, (5)
где
U – напряжение на зажимах генератора;
Ея – электродвижущая сила якоря;
Ia – ток якоря;
I – ток нагрузочной цепи генератора;
Iв – ток параллельной цепи возбуждения;
Rя – суммарное сопротивление цепи якоря генератора.
Рис .1. Генератор постоянного тока.
М1 n Eя Iя U
Iв
Ф М
Рис. 2. Структурно-логическая схема генератора постоянного тока
смешанной системы возбуждения.
Rя = rя + rд.п. + rвп,
где
rя – сопротивление цепи якоря;
rвп – сопротивление обмотки возбуждения, включенной последовательно;
rв – сопротивление обмотки возбуждения, включенной параллельно;
rд.п. – сопротивление обмоток дополнительных полюсов.
Исследуемый генератор относится к генераторам с самовозбуждением, т.к. его обмотки возбуждения питаются от собственного якоря.
Различают согласное и встречное включение обмоток возбуждения. При согласном включение потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения складываются:
Фв = Фпар + Фпосл.
При встречном соединении магнитный поток последовательной обмотки ослабляет поток параллельной обмотки:
Фв = Фпар – Фпосл.
Возбуждение генератора при холостом ходе, в основном, осуществляется параллельной обмоткой возбуждения. Процесс самовозбуждения генератора происходит следующим образом. В магнитной цепи генератора всегда имеется поток остаточного намагничивания, который составляет 1-3% от номинального. Наличие остаточного магнитного поля является первым условием самовозбуждения. При вращении якоря в его обмотке под действием остаточного потока возникает небольшая ЭДС и в цепи параллельной обмотки возбуждения появляется небольшой ток, который создаёт добавочный поток намагничивания. В зависимости от направления тока в обмотке возбуж-
дения её поток может быть направлен либо встречно, либо согласно с остаточным потоком. Генератор может самовозбудиться только при согласном направлении обоих потоков, при этом результирующий поток увеличится. Это второе условие самовозбуждения. Увеличение потока приведёт к увеличению наводимой в обмотке якоря ЭДС, а, следовательно, к возрастанию тока возбуждения и магнитного потока машины.
Напряжение, до которого самовозбудится генератор, определяется сопротивлением цепи параллельной обмотки возбуждения.
На рис.4 приведена характеристика холостого хода Ех(Iв). На этом же рисунке прямая падения напряжения в цепи параллельной обмотки возбуждения:
U в= r в Iв.
Процесс самовозбуждения заканчивается в точке А пересечения кривой Eх (Iх)с прямой Uв (Iв).
Для режима холостого хода:
Ех= Iв* Rя + Iв* rв.
Считая Iв* Rя ≈ 0, т.к.Rя<< rв, имеем:
Ех=Uв=Iв * rв.
Точка А является точкой устойчивой работы. Слева от точки А значение Ех>rвIв, т.е. ток возбуждения будет увеличиваться, справа же от точки А работа невозможна, т.к. ЭДС Ех не может быть меньше падения напряжения rвIв.
Рис.4. Характеристика холостого хода.
Согласно третьего условия возбуждения сопротивление цепи возбуждения генератора должно быть меньше критического:
rв< rв кр.
Действительно угол наклона прямой U в= r в Iв к оси абсцисс определяется сопротивлением rв цепи возбуждения:
tgα = Uн* mu / Iв* mi = rв * mr,
где mu, mi, mr - соответствующие масштабы.
Прямая, проведённая под углом αкр, (см. рис.4) совпадает с линейной частью характеристики холостого хода. При этом точка пересечения не определена, напряжение на генераторе не устойчиво, процесс самовозбуждения не происходит. Угол αкр определяет величину критического сопротивления rв кр. цепи возбуждения.
Основные характеристики генератора.
В процессе лабораторного исследования снимают следующие характеристики:
1. Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на зажимах машины от тока возбуждения при отсутствии нагрузки;
2. Внешняя характеристика – зависимость напряжения от тока нагрузки при неизменном сопротивлении цепи обмотки возбуждения ОВ;
3. Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при сохранении постоянства напряжения генератора.
Рассмотрим эти характеристики:
- Характеристика холостого хода Ех(Iв) при I = 0 строится на основании равенств
(1), (4), (5). При отсутствии нагрузки уравнение (5) примет вид Iя = Iв. Учитывая, что
Iв = (0,01 + 0,05) Iян, можно в уравнении (1) положить Iя * Rя = 0. Тогда
Ux ≈ Ex = CE * n * Ф
Таким образом, при холостом ходе напряжение равно ЭДС якоря и характеристика Ех(Iв) представляет собой в ином масштабе кривую намагничивания машины.
2. Внешняя характеристика U(I) при n=const и Rв = rв + R р. На её вход оказывают влияние три фактора: падение напряжения в цепи якоря, реакция якоря и изменение тока возбуждения.
При уменьшении сопротивления нагрузочного реостата Rн возрастает ток нагрузки I, а, следовательно, и ток якоря. Это приводит к росту падения напряжения в цепи якоря Iя Rя и к уменьшению напряжения
U = E – Iя Rя.
С током якоря связан магнитный поток якоря Фя (см. рис. 2), который обычно размагничивает поток возбуждения. Это явление называется реакцией якоря. Таким образом, при увеличении тока якоря суммарный магнитный поток машины Ф будет уменьшаться, что приведёт к уменьшению ЭДС, а значит и напряжения.
Ток Iв параллельной обмотки возбуждения ОВ при неизменном сопротивлении её цепи определяется напряжением генератора U и поэтому с ростом тока нагрузки под влиянием первых двух отмеченных факторов падает. Это приводит к уменьшению магнитного потока возбуждения Фпар и магнитного потока Ф всей машины, а , следовательно, к дополнительному уменьшению напряжения на нагрузке U.
Кроме того, нужно учесть действие последовательной обмотки возбуждения ОВп, поток которой может быть направлен либо согласно, либо встречно потоку обмотки ОВ, причём поток обмотки ОВп зависит от нагрузки (т.е. тока якоря).
Примечание. Термин “нагрузка” в электротехнике носит двойной смысл. Во-первых, это сокращенное название потребителя электрической энергии (реостата, электрической лампочки и т.д.). Во-вторых, под нагрузкой понимают величину тока, которым нагружается генератор (трансформатор). “Увеличить нагрузку ”- значит увеличить ток, отдаваемый генератором. Необходимо помнить при этом, что по закону Ома увеличению тока соответствует уменьшение нагрузочного реостата.
Согласное включение обмоток возбуждения применяется с целью компенсации влияния падения напряжения в цепи якоря и реакции якоря. При увеличении нагрузки возрастание тока якоря вызывает рост магнитного потока последовательной обмотки возбуждения. Эта обмотка может быть рассчитана так, что её действие обеспечит приблизительно постоянное напряжение на зажимах генератора. В пределах нагрузки от холостого хода до номинальной изменение напряжения на зажимах обычно не превышает 3-4% от номинального.
Встречное включение обмоток возбуждения приводит к значительному уменьшению напряжения. Применяется оно, например, в электросварочных машинах, где в процессе работы генератор находится в режиме близком к короткому замыканию. С целью ограничения тока короткого замыкания последовательная обмотка возбуждения включается встречно параллельной обмотке. В этом случае напряжение генератора будет понижаться не только под действием упомянутых причин, но также вследствие размагничивающего влияния последовательной обмотки.
3. Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при сохранении постоянства напряжения генератора.
Регулировочная характеристика показывает, как нужно регулировать ток возбуждения для того, чтобы напряжение на генераторе оставалось постоянным при изменяющемся токе нагрузки.
III. Подготовка к выполнению лабораторной работы
В процессе подготовки к выполнению лабораторной работы необходимо заготовить бланк отчета, включив следующее:
1.Наименование работы.
2. Цель работы и краткое содержание.
3. Упрощенную конструкцию генератора постоянного тока, поясняющую принцип его работы.
4. Основные аналитические зависимости.
Рис.5. Рабочая схема испытаний генератора постоянного тока.
(АД - асинхронный двигатель, Г – генератор, Rн - нагрузочный реостат,
Rр - регулировочный реостат, ОДП – обмотка дополнительных полюсов).
5. Номинальные паспортные данные испытуемого генератора
Рн2=1,5кВТ: Пн=1500 об/мин; Uн=220 В; Iн=8,65А; н=79,5%. В качестве генератора используется двигатель постоянного тока (см. далее).
6. Рабочую электрическую схему испытаний (см. рис.5) .
7. Таблицы для внесения результатов измерений (составляется самостоятельно).
IV. Методические замечания по выполнению экспериментальной части лабораторной работы.
- Приступая в лаборатории к исследованию работы генератора, следует предварительно ознакомиться с данными заводского щитка, на котором проставляются величины, характеризующие номинальный режим работы машин. Обычно на щитке указываются:
а) номинальная мощность Рн - это мощность, отдаваемая в нагрузочный реостат (Вт);
б) номинальное напряжение Uн- это напряжение, которое устанавливается на генераторе при работе его с номинальным током при условии отдачи в сеть номинальной мощности.
Эти величины связаны между собой следующей зависимостью:
Рн= Uн*Iн
Номинальное напряжение у генератора принимается несколько больше, чем у двигателя. Так, если стандартное напряжение у двигателя 110, 220, 440, то у генератора соответственно 115, 230, 460 В.
В) номинальный ток Iн;
Г) номинальная скорость вращения н (об/мин).
Замечание.
Термин «номинальный» может применяться и к величинам, не указанным на щитке машины, но относящимся к номинальному режиму работы.
Например : номинальный момент вращения , номинальный к.п.д. и т.д.
2. Машины постоянного тока, как известно, обладают свойством обратимости, т.е. могут работать в двух возможных режимах; двигательном и генераторном. На большинстве лабораторных стендов в качестве генераторов установлены машины, предназначенные для работы в двигательном режиме. Это приводит к значительному отклонению характеристик от действительных, свойственных истинно генераторам. Это обстоятельство необходимо помнить, анализируя полученные характеристики.
Особенности работы двигателя в режиме генератора заключается в следующем.
Для двигателя смешанного возбуждения в номинальном режиме работы действительно уравнению:
Uн= Се* nн * (Фпар - Фпос) +Iян*Rя,
Где Uн=220В и Еан <Uн.
Здесь э.д.с. определяется разностью магнитных потоков параллельной (Фпар) и последовательной (Фпосл) обмоток.
Для генератора же имеем уравнение:
Uн=Се*н* (Фпар + Фпосл) –Iян*Rя
Где Uн=230В и Еан>Uн.
Отсюда следует, что даже при изменении схемы соединение обмоток возбуждения со встречного на согласное, у двигателя, работающего в генераторном режиме, мы можем не получить номинального напряжения. Ток возбуждения параллельной обмотки и, следовательно, поток Фпар в данном случае получается заниженным, что также приводит к уменьшению напряжения на генераторе.
3. Затем необходимо изучить схему испытания генератора, проверить ее выполнение на стенде. Схема испытания должна быть собрана.
4. Снять характеристику холостого хода.
Для снятия первой точки характеристики холостого хода Ех(Iв) при I=0 и =const необходимо разомкнуть цепь нагрузочного реостата, ввести полностью регулировочный реостат генератора rр и разомкнуть цепь параллельной обмотки возбуждения генератора. Далее произвести запуск приводного двигателя. Первое измерение напряжения сделать при Iв=О. Затем, подключив обмотку возбуждения, плавно выводя сопротивление реостата возбуждения, постепенно увеличивать ток возбуждения генератора до максимально возможного значения. Уменьшая ток возбуждения, снять обратный ход данной кривой. В процессе эксперимента измерять скорость вращения, которая фиксируется электронным тахометром.
5. В системе координат построить снятую характеристику. Если скорость вращения генератора отличается от номинальной и изменяется в процессе снятия характеристики, необходимо произвести перерасчет по формуле
Ех= Ен/
Где Ех и - измеренные значения
н – номинальная скорость вращения генератора.
6. Сделать выводы.
7.Снять внешнюю характеристику генератора U(I) при (rв + rр) = const и =н=const
Так как в процессе снятия характеристики на существующем лабораторном стенде нет возможности поддерживать скорость постоянной, необходимо измерять ее и произвести перерасчет по формуле
U = Uн/.
Внешняя характеристика снимается для согласного и встречного соединения обмоток возбуждения. Для этого, обесточив стенд, изменяют направление включения последовательной обмотки.
8. Построить обе характеристики. Определить процентное изменение напряжения в обоих случаях.
Сделать выводы.
9. Для снятия регулировочной характеристики Iв (I) при U = const и = const установить произвольное значение напряжения на генераторе, далее, нагружая его и одновременно выводя сопротивление реостата возбуждения генератора, поддерживать значение напряжения постоянным. Построить зависимость. Сделать выводы.
Содержание отчета.
В отчет включаются все семь пунктов, указанных в разделе «Подготовка к выполнению лабораторной работы». Кроме того, необходимо:
8. Построить экспериментально снятые характеристики.
9. Объяснить ход всех характеристик.
10. Сделать выводы.
Контрольные вопросы.
- Цель работы, порядок ее выполнения и основные аналитические зависимости, определяющие работу генератора постоянного тока.
- Назначение всех элементов схемы.
- Устройство и принцип действия генератора постоянного тока.
- условия самовозбуждения генератора.
- Ход всех построенных характеристик.
Литература.
- Общая электроника. Под редакцией В.С. Пантюшина,
“Высшая школа”, 1976г., 17, 11-17, 14.
2. Агностицизм ~ идеалистическое учение утверждающее что мир не познаваем что человеческий разум ограни
3. На тему- Язычество древних славян
4. Экологическая революция
5. Украинская вышивка
6. И М Сеченова Кафедра Факультетской Терапии ИСТОРИЯ БОЛЕЗНИ Студе
7. Для нахождения границ квадратичного участка необходимо построить вспомогательный график зависимости Uст
8. Рабочее место инженера-программиста
9. Язык инуитов Аляски
10. Реферат- Восстание Жакерия
11. Тематическая структура СОДЕРЖАНИЕ ТЕСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ АНАТОМИЧЕСКАЯ ТЕР.html
12. Доклад- Определение норматива товарных запасов
13. Практическая энциклопедия бухгалтера1
14. коммуникативная ценностноориентирующая критическая интегрирующая идеологическая воспита
15. Контрольная работа- Нарахування операційних комісійних та процентних доходів та витрат від операцій з клієнтами.html
16. Этнические и общегражданские аспекты национальной политики в республиках современной России
17. История Казахстана как наука и учебная дисциплина предмет и цели источники
18. воспалительное поражение поджелудочной железы вызываемое разными причинами
19. Социально-культурный сервис и туризм
20. сирота На долю Элеоноры выпадают тяжкие испытания ведь на ней лежит печать избранности а значит и непомерн