Практическая работа №12 Исследование работы генератора постоянного тока независимого возбуждения Т-21
учебно-методический материал

Практическая работа №12

Исследование работы генератора постоянного тока независимого возбуждения

Цель работы: изучение способов пуска и регулирования частоты вращения якоря, снять и исследовать рабочие характеристики.

Оборудование: лабораторный стенд, электроизмерительные приборы, материалы

Основные понятия и определения

 Электрическая  машина  постоянного  тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой). 
             На рис. 9.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока.

Рис. 9.1.

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. 
              Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
              Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
        

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

              Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.9.2,

     где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки. 
   

Рис. 9.2.

 Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки. 
             Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами. 
             Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.      Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

             На рис. 9.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 9.3).

Рис. 9.3

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали. 
            Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви.       В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками. 
              На рис. 11.4 представлена схема замещения якорной обмотки.

Рис. 9.4

         В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление RHпротекает ток IЯ. 

ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

      где Се - константа. 
              В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство - коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

            Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

      где  U - напряжение на зажимах генератора; 
             Rя - сопротивление обмотки якоря.

              На рис. 9.5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

           Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора. 
             Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

Рис. 9.5 

Генераторы с независимым возбуждением
Характеристики генераторов

              Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов. 
              Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 9.6. 
              Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться 
от постоянных магнитов (рис. 9.7).

Рис. 9.6                           Рис. 9.7

              Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв). 
              Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const) .
              Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 9.8. 
              Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. 
              При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально. 
              Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса. 
              Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.

      Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.9.

Рис. 9.8                                                           Рис. 9.9

   С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

Порядок выполнения работы

Технические данные приборовТаблица 9.1.

Рис. 9.10. Электрическая схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

1. Ознакомиться с конструкцией двигателя, устройством для его нагрузки тахометром. Записать паспортные данные двигателя, измерительных приборов. Измерить сопротивления обмотки якоря и обмотки возбуждения.
2. Собрать электрическую схему опыта и дать проверить её преподавателю.
3. Подготовить схему к запуску двигателя. Выключатели В1 и В2 установить в положение «выключено». Подать питание на ЛАТР и установить напряжение цепи согласно паспортным данным двигателя. Включить выключатель В2 и, с помощью реостата Rов выставить в обмотке возбуждение, максимальный ток, что необходимо для получения большого пускового момента. Пусковой реостат Rn выставить в максимальное значение.
4. Произвести пробный пуск двигателя без нагрузки, для чего выключатель В1 перевести в положение «включено» и по мере разгона двигателя вывести пусковой реостат Rn. Проверить возможность регулировки скорости вращения за счёт изменения тока Iв в обмотке возбуждения, снять регулировочную характеристику двигателя n=f(Iв) без нагрузки,  при нагрузке 50%. Данные записать в таблицу 9.2.

                              Регулировочная характеристика                        Таблица 9.2.

5. Снять рабочие характеристики двигателя. Двигатель пустить в ход и нагрузить до номинального тока нагрузки при номинальной скорости вращения. Затем нагрузку уменьшить до холостого хода и для 6 значений нагрузки, данные записать в таблицу 9.3.

Рабочая характеристика двигателя                      Таблица 9.3.

6. Используя экспериментальные данные, произвести расчёт: Р1, М2, Р2, ή, F2.

Формулы для расчёта:

Сила на валу двигателя: F2=m·(L1/L2)·9,8; где L1/L2=2,2

Полезный момент: M2=F2·R=(Р2·60)/ 2πn

Потребляемая мощность: Р1=U (Iя+Iв)

КПД: ή=(Р2/Р1)·100%

Полезная мощность: Р2=(М2-2πn)/60

n=1800 об/мин

7. По полученным данным построить рабочие и регулировочные характеристики, сделать выводы, ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

1. Устройство и принцип действия машины постоянного

   тока.

2. Объяснить назначение коллектора.
3. Что такое коммутация?
4. Способы включения обмотки возбуждения, в цепи якоря.
5. Объясните рабочие характеристики, полученные в ходе лабораторной работы.