Генераторы постоянного тока
план-конспект занятия на тему

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

Испытание генератора постоянного тока

Цель работы:

1. Изучить принцип действия, конструкцию и свойства генераторов постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением.

2. Ознакомиться с методикой снятия основных характеристик генераторов: холостого хода, внешней, регулировочной.

3. Выявить по снятым характеристикам рабочие свойства генераторов.

Указания к работе

Используя рекомендованную литературу, ознакомьтесь с принципом действия, конструкцией и назначением основных частей генератора. Обратите внимание на конструкцию таких элементов, как якорь, коллектор, обмотка возбуждения. Четко уясните процессы, происходящие в генераторе и роль коллектора. Уясните процесс самовозбуждения. Выясните, какие характеристики определяют эксплуатационные возможности генератора и почему они имеют такой вид.

Генератор постоянного тока (рис. 1) состоит из двух частей: неподвижной и вращающейся. Неподвижная часть (статор) является остовом машины и одновременно служит для создания магнитного потока. Во вращающейся части, называемой якорем (ротором), индуцируется электродвижущая сила - ЭДС.

Неподвижная часть состоит из станины (1), главных полюсов (2) с обмоткой возбуждения (3) и дополнительных полюсов (4), уменьшаемых искрение под щетками.

Якорь имеет сердечник (5), набираемый из тонких стальных листов, обмотку якоря (6), заложенную в пазы сердечника и коллектор (7). На поверхность коллектора наложены угольно-графитовые щетки (8), обеспечивающие скользящий контакт с обмоткой вращающегося якоря. Коллектор имеет форму цилиндра и выполняется из изолированных медных пластин - ламелей - к которым подсоединены секции якорной обмотки. Вращаясь вместе с обмоткой, коллектор выполняет роль механического выпрямителя.

Обмотка возбуждения (3) создает главный магнитный поток Ф полюсов. В генераторах с независимым возбуждением она питается  от постороннего источника  постоянного тока (выпрямителя,  аккумулятора и т.п.). С генератором с параллельным возбуждением обмотка главных полюсов подключена к главным щеткам, т.е. параллельно цепи якоря. В связи с этим для возникновения магнитного потока и ЭДС необходим хотя бы слабый остаточный магнитный поток. Благодаря наличию остаточного магнетизма возникает процесс самовозбуждения генератора.

Рис. 1. Конструкция генератора постоянного тока

1. Станина.
2. Главные полюса.
3. Обмотка возбуждения.
4. Дополнительные полюса.
5. Сердечник.
6. Обмотка якоря.
7. Коллектор.
8. Угольно-графитовые щетки.

ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря, определяется следующим выражением:

где: р - число пар полюсов генератора;

       N - число активных проводников обмотки якоря;

       а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

        - угловая частота вращения в (рад/с)

       Ф - магнитный поток полюса.

Обычно используется сокращенная запись выражения (1):

где  - конструктивная постоянная.

Поскольку в паспорте генератора приведена частота вращения n, выраженная в (об/мин), то на практике удобнее пользоваться следующей формулой для ЭДС:

где .

Рис. 2. Характеристика холостого хода

Зависимость ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря от тока возбуждения IB при постоянной частоте вращения n и токе нагрузки равном нулю, называют характеристикой холостого хода.

Характеристика холостого хода (рис. 2) имеет вид петли гистерезиса и отражает свойства магнитной цепи генератора. По ней можно судить о степени использования (насыщения) стали, остаточном магнетизме, потерях в стали.

Эксплуатационные свойства генератора постоянного тока определяются величиной изменения напряжения при изменении тока нагрузки.

Зависимость напряжения генератора U от тока нагрузки I (или тока якоря) при постоянной частоте вращения n и неизменном сопротивлении цепи обмотки возбуждения, называют внешней характеристикой.

Из сравнения внешних характеристик, приведенных на рис. 3, видно, что напряжение на зажимах генератора с параллельным возбуждением (кривая 1) уменьшается с ростом тока нагрузки в большей степени, чем у генератора с независимым возбуждением (кривая 2).

Напряжение генератора определяется следующим выражением:

где rя - сопротивление якорной цепи;

      Iя - ток якоря. (В генераторах с параллельным возбуждением ток якоря принимают равным току нагрузки I, поскольку мал ток возбуждения IB).

Рис. 3. Внешние характеристики генераторов

Уменьшение напряжения с ростом тока нагрузки (или тока якоря) происходит по следующим причинам:

- увеличение падения напряжения в цепи якоря (Iяrя);

- реакция якоря оказывает размагничивающее действие на магнитный поток полюсов. Вследствие этого уменьшается ЭДС.

- в генераторах с параллельным возбуждением уменьшается ток обмотки возбуждения IВ. Уменьшение тока IB вызывает уменьшение магнитного потока, ЭДС и напряжения генератора. Следствием этого является дальнейшее уменьшение тока возбуждения и размагничивание полюсов.

Рис. 4. Регулировочная характеристика

 У генератора с независимым возбуждением отсутствует третья причина, поэтому напряжение изменяется менее интенсивно.

Регулировочная характеристика (рис. 4) показывает зависимость тока возбуждения IB от тока нагрузки I при постоянном напряжении на зажимах генератора U и постоянной частоте вращения n. Регулировочная характеристика показывает как нужно изменять ток возбуждения, чтобы напряжение генератора оставалось неизменным.

Генераторы постоянного тока применяются в электрохимии для питания электролизных ванн, для сварки, в качестве возбудителей синхронных машин, в регулируемом электроприводе и т.п.

Рабочее задание

а) Генератор с параллельным возбуждением

Подготовьте лабораторную экспериментальную установку для снятия основных характеристик генератора с параллельным возбуждением. Схема установки приведена на рис. 5. На схеме приняты следующие обозначения:

Ознакомьтесь с оборудованием стенда. Выпишите паспортные данные машины постоянного тока типа 2ПН90МУХЛ4, используемой в качестве генератора:

Рис. 5. Схема генератора с параллельным возбуждением

Структура условного обозначения машин постоянного тока серии 2П:

                                                    2 П Н 90 М УХЛ4

Ознакомьтесь с техническими характеристиками приводного двигателя АД, которым служит трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель серии 4А.

Частота вращения асинхронного двигателя мало зависит от нагрузки на валу. В связи с этим при снятии всех характеристик генератора контроль за частотой вращения можно не осуществлять.

Выпишите в таблицу 1 основные сведения об электроизмерительных приборах.

• Таблица 1

Соберите схему (рис. 5) и предъявите цепь для проверки преподавателю или лаборанту.

ОПЫТ 1

Характеристика холостого хода Е = f(IB) при n = const, I = 0.

1. Отключите нагрузочные резисторы тумблерами Т1 - Т9.

2. Разомкните вспомогательный тумблер S1.

3. Поверните рукоятку Rp в крайнее правое положение, соответствующее наибольшему сопротивлению резистора.

4. Пустите в ход приводной двигатель АД, для этого сначала включите автомат АП, расположенный в правой части стенда на панели питания (при этом загорится сигнальная лампа). Затем нажмите правую кнопку ”Пуск” (одновременно с пуском АД загорается вторая сигнальная лампа).

5. Повышая через равные промежутки ток возбуждения IB, запишите 10-12 показаний вольтметра V и амперметра А2 в графу ”прямой ход” таблицы 2. Последняя точка прямого хода должна соответствовать крайнему левому положению Rp. 6. Снимите нисходящую ветвь характеристики, постепенно уменьшая ток возбуждения IB до минимального значения. Запишите 5 показаний в графу ”обратный ход” таблицы 2.

Таблица 2

Примечание:

При снятии каждой из ветвей характеристики поворот рукоятки Rp должен производиться только в одном направлении с тем, чтобы ток возбуждения или только возрастал, или только убывал. В противном случае из-за перемагничивания генератора на характеристике появятся выпадающие точки.

ОПЫТ 2

Внешняя характеристика U = f(I) при n = const, Rp + rB = const.

1. Резистором Rp установите напряжение холостого хода Uo = 100-120 В (точное значение получите у преподавателя).

2. Постепенно увеличивая нагрузку генератора тумблерами Т1-Т9, запишите 10 показаний V и А1 в таблицу 3.

Таблица 3

ОПЫТ 3

Регулировочная характеристика IB = f(I) при n = const, U = const.

1. Отключите нагрузочные резисторы Т1-Т9 и установите резистором Rp напряжение генератора U = 90-110 B (точное значение получите у преподавателя).

2. Увеличьте нагрузку генератора, включив тумблер Т1. Одновременно резистором Rp установите такой ток возбуждения, при котором напряжение генератора вновь будет равно заданному значению. Запишите показания амперметров А1 и А2 в таблицу 4.

Таблица 4

3. Аналогично снимайте остальные точки регулировочной характеристики, включая тумблеры Т2, Т3 и т.д.

Автоматом АП отключите стенд от питающей сети. Все сигнальные лампы должны погаснуть, а генератор остановиться. По данным таблиц 2,3,4 постройте характеристики и предъявите их преподавателю.

б) Генератор с независимым возбуждением

Подготовьте лабораторную установку для снятия характеристик генератора с независимым возбуждением. Схема установки приведена на рис. 6. Клеммы источника независимого возбуждения ”0-250 B” расположены на панели питания в правой части стенда. Для регулирования тока возбуждения предусмотрен резистор Rp (можно использовать также рукоятку ЛАТР на панели блока питания).

Характеристика холостого хода ничем не отличается от ранее снятой, поэтому она не входит в программу испытаний.

ОПЫТ 4

Внешняя характеристика U = f(I) при n = const, IB = const.

1. Пустите в ход приводной двигатель АД автоматом АП и кнопкой ”Пуск”.

2. Включите источник независимого возбуждения. Для этого нажмите левую кнопку ”Пуск” на панели питания (загорится третья сигнальная лампа).

3. Резистором Rp или рукояткой регулятора установите такой ток возбуждения, при котором напряжение холостого хода генератора U0 будет равно заданному в опыте 2.

4. Постепенно повышая нагрузку генератора, снимите зависимость напряжения от тока нагрузки. Для записи результатов измерений используйте форму таблицы 3.

ОПЫТ 5

Регулировочная характеристика IB = f(I) при n = const, U = const.

1. Отключите нагрузочные резисторы тумблерами Т1- Т9.

2. Установите ток возбуждения, при котором напряжение холостого хода генератора будет равно заданному в опыте 3.

3. Постепенно повышая нагрузку генератора, регулируйте ток возбуждение генератора так, чтобы напряжение не изменялось. При этом записывайте показания амперметров А1 и А2 в таблицу. Форма таблицы аналогична табл. 4.

Отключите стенд автоматом АП. Постройте внешнюю и регулировочную характеристики генератора с независимым возбуждением. Используйте координатные оси, на которых построены аналогичные характеристики генератора с параллельным возбуждением.

Покажите графики преподавателю и получите разрешение на разборку схемы.

Рис. 6. Схема генератора с независимым возбуждением

Обработка результатов

1. Объясните вид характеристики холостого хода и причину несовпадения восходящей и нисходящей ветвей.
2. Сопоставьте внешние характеристики генераторов с параллельным и независимым возбуждением. Кратко объясните их вид.
3. Объясните вид регулировочных характеристик.
4. Дайте заключение об эксплуатационных свойствах генераторов и объясните причины снижения напряжения с ростом нагрузки.

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.
2. Технические сведения об оборудовании и электроизмерительных приборах.
3. Схемы экспериментальных установок.
4. Таблицы с результатами измерений.
5. Графические материалы - характеристики.
6. Выводы о соответствии результатов эксперимента теоретическим положениям.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит назначение генератора постоянного тока и на чем основан принцип его работы?
2. Для каких целей предназначены обмотка возбуждения, якорь, коллектор, щетки?
3. В чем различие между генераторами с параллельным и независимым возбуждением?
4. Чем объясняется, что характеристика холостого хода имеет две ветви?
5. В чем состоит процесс самовозбуждения генератора?
6. Почему с увеличением нагрузки генератора напряжение на зажимах якоря снижается?
7. Почему с ростом нагрузки напряжение генератора с независимым возбуждением снижается менее интенсивно, чем генератора с параллельным возбуждением?
8. Для какого из генераторов режим короткого замыкания наиболее опасен? Почему?
9. Каким образом можно регулировать напряжение генератора?
10. Где применяются генераторы постоянного тока?