Генераторов постоянного тока

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ

Лабораторная работа №10

Цели работы: 1. Изучение устройства и принципа действия генераторов постоянного тока.

2. Исследование основных характеристик генераторов постоянного тока.

Оборудование: 1. Лабораторный стенд.

2. Реостат (100 Ом – 2 шт.).

3. Соединительные провода.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.2: §§2.2.1 – 2.2.10; [2], Гл.11: §§11.1 – 11.3, 11.7 – 11.10; [4]: Гл.13: §§13.1 – 13.5, 13.9 – 13.12; [5], Гл.9: §§9.1 – 9.4, 9.7, 9.8.

Машины постоянного тока обладают свойством обратимости. Они используются в качестве генераторов и двигателей постоянного тока. С помощью генераторов осуществляется преобразование механической энергии в электрическую энергию постоянного тока. В качестве первичных двигателей, служащих для вращения генераторов, в большинстве случаев применяются асинхронные и синхронные двигатели переменного тока. Электрическая энергия постоянного тока служит для питания двигателей постоянного тока, электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля и т. д.

Машины постоянного тока (генераторы и двигатели) устроены одинаково. Неподвижная часть машины называется статором. Статор состоит из массивного стального корпуса, к которому прикреплены главные полюсы, собранные из тонких изолированных друг от друга листов электро­технической стали с обмотками возбуждения постоянного тока. Если обмот­ки возбуждения питаются от постороннего источника постоянного тока, генератор называют генератором независимого возбуждения. Если обмотки получают питание от этого же генератора, генератор называется генератором с самовозбуждением.

Подвижная часть генератора – якорь. Якорь представляет собой цилиндр с пазами на наружной поверхности. Якорь также изготавливают из отдельных тонких изолированных друг от друга, листов электротехнической стали для уменьшения потерь от вихревых токов и перемагничивания. Пазы заполнены обмоткой, присоединенной к коллекторным пластинам. К коллектору прижимаются графитовые или медно-графитовые щетки. С помощью коллектора и щеток обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. Кроме того, коллектор и щетки служат для преобразования изменяющегося по направлению тока в проводниках обмотки якоря генератора в постоянный по направлению ток во внешней цепи.

Свойства генераторов постоянного тока зависят от числа и способа подключения обмоток возбуждения или, как говорят, от способа возбуждения. В зависимости от способа возбуждения различают: генераторы не­зависимого возбуждения и с самовозбуждением. В первом случае обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника электрической энергии, во втором – от якоря самого генератора.

Обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением могут соединяться с цепью якоря параллельно или последовательно. Параллельные обмотки возбуждения имеют большое число витков и значительное сопротивление. Генераторы этого типа называются генераторами параллельного возбуждения (шунтовыми). Последовательные обмотки имеют малое число витков и незначительное сопротивление. Генераторы этого типа называются генераторами последовательного возбуждения (сериесными). Генераторы последовательного возбуждения применяются редко. При наличии обеих обмоток возбуждения и одновременном их использовании машину называют генератором смешанного возбуждения (компаунд­ными). Эти обмотки могут быть включены как согласно, так и встреч­но. Генераторы при этом приобретают те или иные свойства.

Для компенсации поперечной реакции якоря и улучшения условий коммутации в машинах постоянного тока между главными полюсами размещают добавочные полюсы. Число этих полюсов обычно равно числу главных полюсов. В двухполюсных машинах малой мощности имеется один добавочный полюс. Обмотки добавочных полюсов имеют небольшое число витков и малое сопротивление. Эти обмотки соединяют последовательно с цепью якоря так, чтобы их магнитное поле было встречно к магнитному полю якоря.

Особенностью генераторов с самовозбуждением является то, что они работают по принципу самовозбуждения. Для того чтобы генератор возбудился, должны быть выполнены два условия:

· Генератор должен иметь магнитный поток остаточного намагничивания Ф ₀.

· Обмотка возбуждения должна быть подключена к якорю так, чтобы ею возбуждался магнитный поток, совпадающий по направлению с потоком остаточного намагничивания.

При вращении якоря в неподвижном магнитном поле полюсов в обмотках якоря наводится переменная ЭДС, которая с помощью коллектора и щеток преобразуется в ЭДС постоянного направления:

,

где: p – число пар главных полюсов машины;

n – частота вращения якоря;

N – число активных проводников якоря;

a – число параллельных ветвей якоря;

Ф – магнитный поток одного главного полюса.

Для определенного генератора формулу можно записать так:

E = k_EФn,

где: k_E = pN/60a –постоянная величина для данной машины.

Видно, что ЭДС, наводимая в обмотке якоря, вращаемого с постоянной частотой, зависит только от магнитного потока главных полюсов или от тока возбуждения I_в. Зависимость Е (I_в), полученная при отсутствии тока в цепи якоря и постоянной частоте его вращения, называется характеристикой холостого хода. При получении характеристики холостого хода якорь вращают первичным двигателем с номинальной частотой вращения. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока показана на рис. 10.1а. Она имеет примерно один и тот же вид для генераторов с разным способом возбуждения магнитного поля. Следует иметь в виду, что говорить о характеристике холостого хода для генератора с последовательным возбуждением не имеет смысла, так как ток возбужде­ния для него при отсутствии нагрузки равен нулю.

При вращении якоря генератора постоянного тока самовозбуждение может не наступить из-за отсутствия остаточной намагниченности полюсов, обрыва цепи возбуждения, неправильного присоединения обмотки возбуждения к якорю и целого ряда других причин.

Присоединение к генератору нагрузки приводит к снижению напряже­ния на зажимах генератора. Зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки U (I_н) называется внешней характеристикой. Присоединение к генератору параллельного возбуждения нагрузки вызывает в цепи якоря ток I_я, который возбуждает соответствующее магнитное поле якоря. Оно воздействует на магнитное поле главных полюсов и приводит к ослаблению результирующего магнитного потока Ф. При этом ЭДС генератора уменьшается, уменьшается и напряжение U:

U = E – R_я∙I_я.

Воз­растание нагрузки приводит к увеличению тока I_я и падения напряжения в цепи якоря Δ U_я = R_я∙I_я, что еще больше снижает напряжение U. Уменьшение напряжения, в свою очередь, вызывает снижение тока возбуждения в цепи обмотки возбуждения и, как следствие, приводит к уменьшению магнитного потока Ф и ЭДС Е, а, следовательно, и напряжения U.

Таким образом, увеличение нагрузки генератора параллельного возбуждения сопровождается заметным снижением напряжения. В пределах допустимой нагрузки оно снижается плавно, а при перегрузке – резко (рис. 10.1б, кривая 1). В генераторе устанавливается критический ток I_крит = (2...3) I_ном, при котором напряжение на зажимах генератора составляет примерно 0,5 U_ном. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к сни­жению напряжения до нуля и установлению в генераторе тока короткого замыкания I_кз, который определяется ЭДС остаточной намагниченности главных полюсов машины. Следует отметить, что при внезапном коротком замыкании ток I_кз может оказаться во много раз больше номинального тока, и генератор выйдет из строя.

В генераторе смешанного возбуждения при согласном включении обмоток возбуждения возрастание нагрузки приводит благодаря последовательной обмотке к увеличению магнитного потока Ф, в результате чего напряжение на зажимах генератора мало изменяется (рис. 10.1б, кривая 2) и эксплуатация такой машины облегчается.

Изменение напряжения генератора Δ U определяют в процентах:

,

где U_хх и U_ном – напряжение при холостом ходе генератора и номинальное напряжение, соответственно.

Регулирование напряжения генератора параллельного возбуждения при переменной нагрузке осуществляется принудительным изменением тока возбуждения. Кривая, показывающая изменение тока возбуждения I_в в зависимости от тока нагрузки I_н для поддержания напряжения U на зажимах генератора неизменным при постоянной частоте вращения якоря n, называется регулировочной характеристикой генератора (рис.10.1в). Эта кривая при увеличении нагрузки генератора постоянного тока параллельного возбуждения плавно поднимается вверх (кривая 1), а для генератора смешанного возбуждения при согласном действии обмоток возбуждения располагается ближе к горизонтальной прямой.

Дата добавления: 2015-05-06