Исследование машин постоянного тока. Сборник лабораторных работ по курсу «Электрические машины» для студентов 3-4-х курсов ЭМФ, ФЭН, РЭФ (стр. 2 )

Регулировочная характеристика при снимается так же, как и регулировочная характеристика генератора при независимом возбуждении. Запись опытных данных производится в таблицу, аналогичную табл. 9.4.

Анализ и обработка опытных данных

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода строится по данным табл. 9.1. Эта характеристика позволяет оценить свойства магнитной системы генератора, степень ее насыщения и величину остаточного потока.

Степень насыщения магнитной системы генератора характеризуется коэффициентом насыщения

,

где – ток возбуждения, обеспечивающий при холостом ходе номиальную ЭДС; – часть тока возбуждения , которая соответствует магнитному напряжению воздушного зазора. Она определяется графически проведением касательной к начальной части характеристики холостого хода, полученной путем смещения снятой характеристики вдоль оси абсцисс таким образом, чтобы она проходила через начало координат.

Рис. 9.4. Характеристика холостого хода

и нагрузочная характеристика

Считается, что при:

– машина слабо насыщена;

– машина насыщена средне;

– машина сильно насыщена.

Остаточный магнитный поток определяется по характеристике холостого хода. Так как ~ , поэтому ~ . Следовательно, остаточный магнитный поток в процентах от потока при номинальном напряжении холостого хода будет равен

= 100 %.

Величина определяется по нисходящей ветви характеристики холостого хода (рис. 9.4). Обычно не превышает 3–4 %.

Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика строится на одном графике с характеристикой холостого хода (рис. 9.4). Нагрузочная характеристика позволяет не только судить о том, как изменяется напряжение генератора при данной нагрузке при изменении тока возбуждения, но и оценить величину размагничивающего действия поперечной реакции якоря.

Нагрузочная характеристика идет ниже характеристики холостого хода. Причиной тому размагничивающее действие реакции якоря
и внутреннее падение напряжения .

Величина определяется путем построения так называемого реактивного треугольника Dавс, вертикальный катет которого вс в масштабе напряжения равен внутреннему падению напряжения в якорной цепи генератора:

,

где значения приведены на стенде, а = 2 В.

Точка с соответствует номинальному напряжению генератора при его номинальной нагрузке. Из точки в проводим горизонтальную линию до пересечения ее с характеристикой холостого хода в точке «а». Горизонтальный катет ав треугольника Dавс в масштабе тока возбуждения представляет собой размагничивающее действие поперечной реакции якоря

[А).

Действительно, отрезок

соответствует ЭДС генератора при токе якоря Для создания этой ЭДС потребуется ток возбуждения (см. рис. 9.4). А для создания такой же ЭДС при токе якоря (согласно характеристике холостого хода на рис. 9.4) потребуется ток возбуждения . Следовательно, отрезок

ав = – ~

соответствует той части тока возбуждения генератора, которая идет на компенсацию размагничивающего действия реакции якоря при номинальном режиме работы машины.

Так как в данной лабораторной работе нагрузочная характеристика снимается для тока , реактивный треугольник Dавс следует построить при этом токе.

Внешние характеристики

Внешние характеристики генераторов со всеми видами возбуждений строятся на одном графике. Примерный вид внешних характеристик генераторов приведен на рис. 9.5.

Для генератора при независимом возбуждении внешние характеристики (кривая 1) описываются выражением

,

где Фн – магнитный поток независимой обмотки возбуждения.

Из этого выражения следует, что характер внешней характеристики при увеличении нагрузки (Iа) вызван размагничивающим действием реакции якоря (Фqd) и внутренним падением напряжения (IaRa). Генератор при параллельном возбуждении имеет более крутую внешнюю характеристику (кривая 2), чем при независимом возбуждении.

Рис. 9.5. Внешние характеристики генераторов постоян-

ного тока при различных схемах возбуждения:

1 – при независимом возбуждении; 2 – при параллельном воз-

буждении; 3 – при смешанном согласном возбуждении;

4 – при смешанном встречном возбуждении

Это объясняется тем, что к размагничивающему действию реакции якоря и внутреннему падению напряжения прибавляется третий фактор – зависимость тока возбуждения от напряжения на зажимах якоря:

,

.

На ход внешней характеристики генератора со смешанным возбуждением влияет включение последовательной обмотки возбуждения (согласное или встречное)

,

.

При согласном включении обмоток и Ш1Ш2 последовательная обмотка увеличивает основной магнитный поток (противодействуя размагничивающему действию реакции якоря и внутреннему падению напряжения) и верхняя характеристика отклоняется вверх (кривая 3 на рис. 9.5).

При встречном включении обмоток и Ш1Ш2 последовательная обмотка уменьшает основной магнитный поток, а следовательно, и величину напряжения на зажимах генератора (кривая 4).

Одной из характеристик, описывающих свойства генераторов постоянного тока, является изменение его напряжения при изменении нагрузки. Согласно ГОСТ эта величина определяется по внешней нагрузке при сбросе нагрузки от номинального режима до холостого хода:

,

где – напряжение генератора при сбросе нагрузки до холостого хода; – номинальное напряжение при номинальной нагрузке.

В лабораторной работе изменение напряжения на зажимах генератора определяется по внешним характеристикам, снятым при увеличении нагрузки (рис. 9.5):

,

где – напряжение генератора при холостом ходе, равное номинальному; – изменение напряжения на зажимах генератора при изменении тока якоря от нуля до номинального значения.

Регулировочные характеристики

Регулировочные характеристики показывают, как необходимо регулировать ток возбуждения при изменении тока нагрузки, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменным.

Регулировочные характеристики генератора при независимом и параллельном возбуждении (кривая 1 на рис. 9.6) совпадают из-за выполнения условия

.

Рис. 9.6. Регулировочные характеристики генератора:

1 – при независимом и параллельном возбуждении;

2 – при смешанном согласном возбуждении

Значительное увеличение тока возбуждения с ростом нагрузки необходимо для компенсации размагничивающего действия реакции якоря и внутреннего падения напряжения.

При смешанном согласном возбуждении и при правильно рассчитанной последовательной обмотке (когда поток последовательной обмотки компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и внутреннее падение напряжения) регулировочная характеристика имеет вид 2 (рис. 9.6). Ток возбуждения генератора при этом регулировать не приходится. Генератор поддерживает свое напряжение неизменным автоматически в широком диапазоне нагрузки.

Контрольные вопросы

1.   Объясните принцип действия и устройство генератора постоянного тока.

2.   Что такое номинальная мощность генератора?

3.   Сравните между собой различные схемы возбуждения генератора постоянного тока.

4.   От чего зависит величина напряжения на зажимах генератора при холостом ходе?

5.   Объясните связь между характеристиками холостого хода и кривой намагничивания .

6.   Объясните процесс самовозбуждения генератора постоянного тока.

7.   Каково назначение обмотки , включенной в цепь якоря генератора постоянного тока?

8.   В чем принципиальная разница между схемами независимого, параллельного и смешанного возбуждения генератора постоянного тока?

9.   Каково назначение обмотки последовательного возбуждения в генераторе со смешанным возбуждением?

10. Что такое «характеристика холостого хода» генератора? Как ее получить опытным путем?

11. Как по характеристике холостого хода определить величину остаточного магнитного потока?

12. Что такое «коэффициент насыщения» магнитной системы машины постоянного тока? Как он определяется?

13. Что такое «нагрузочная характеристика» генератора постоянного тока? Как ее получить опытным путем?

14. Что такое «реактивный треугольник» генератора? Как он строится?

15. Как определить размагничивающее действие реакции якоря?

16. Что такое «внешние характеристики» генератора постоянного тока? Как они получаются опытным путем?

17. Сравните внешние характеристики генератора при независимом и параллельном возбуждении. Чем объяснить различие между ними?

18. Что такое «регулировочная характеристика» генератора постоянного тока? Как ее получить опытным путем? Каково ее практическое значение?

19. Что такое «критическое сопротивление» цепи возбуждения генератора? Как его определить?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

С НЕЗАВИСИМЫМ (ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ) ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Цель работы – изучить рабочие свойства двигателей постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением и способы регулирования их частоты вращения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Экспериментальная часть

1.   Ознакомиться с паспортными данными двигателя и занести их в протокол.

2.   Снять скоростные характеристики при согласном и встречном включении стабилизирующей обмотки. Сделать вывод о согласном или встречном включении стабилизирующей обмотки.

3.   Снять рабочие характеристики двигателя при номинальном токе возбуждения.

4.   Осуществить регулирование частоты вращения изменением тока возбуждения. Снять механические характеристики для двух значений тока возбуждения.

5.   Осуществить регулирование частоты вращения введением в цепь якоря дополнительных сопротивлений. Снять механические характеристики для двух значений дополнительных сопротивлений при номинальном токе возбуждения.

6.   Снять регулировочные характеристики двигателя.

Обработка опытных данных

1.   Построить на одном графике скоростные характеристики при согласном и встречном включении стабилизирующей обмотки.

2.   Построить на одном графике рабочие характеристики двигателя. Определить данные двигателя в номинальном режиме и сравнить их с паспортными.

3.   Построить на одном графике механические характеристики двигателя для различных токов возбуждения и для двух значений дополнительных сопротивлений в цепи обмотки якоря.

4.   Построить регулировочные характеристики двигателя.

Экспериментальная часть

Принципиальная схема электроустановки двигателя постоянного тока с независимым возбуждением приведена на рис. 10.1, а с параллельным возбуждением – на рис. 10.2.

Рис. 10.1. Принципиальная схема электроустановки

для исследования двигателя постоянного тока

с независимым возбуждением

Отличие этих схем заключается лишь в том, что в двигателе с независимым возбуждением ток возбуждения можно менять, изменяя величину напряжения на обмотке возбуждения, а в двигателе с параллельным возбуждением – изменяя величину дополнительного сопротивления в цепи обмотки возбуждения. При постоянстве напряжений на обмотках возбуждения все характеристики этих двигателей одинаковы.

В качестве нагрузки двигателей используется электромагнитный тормоз (ЭМТ), состыкованный с концом вала двигателя. Изменение нагрузочного момента производится регулированием тока возбуждения ЭМТ и сопротивления . Схема питания и регулирования ЭМТ на лабораторных установках собрана постоянно.

Измерение скорости вращения производится тахогенератором (ТГ), соединенным с валом двигателя. Напряжение ТГ, пропорциональное скорости, фиксируется вольтметром , градуированным
в об/мин.

Рис. 10.2. Принципиальная схема электроустановки

для исследования двигателя постоянного тока

с параллельным возбуждением

Пуск двигателя производится при включенном пусковом реостате в цепи якоря и при полностью выведенном сопротивлении
в цепи возбуждения.

В настоящее время практически все двигатели параллельного возбуждения снабжаются стабилизирующими обмотками С1С2, включенными последовательно с обмоткой якоря и создающими магнитный поток, действующий согласно с потоком параллельной обмотки. Цель стабилизирующей обмотки – компенсировать продольное размагничивающее действие реакции якоря и повысить устойчивость работы двигателя. МДС стабилизирующей обмотки составляет обычно 10–15 % от МДС обмотки параллельного возбуждения.

1.  Скоростные характеристики

Снятие скоростных характеристик при разных способах включения обмоток С1С2 и Ш1Ш2 производится с целью определения согласного или встречного их включения.

Скоростные характеристики снимают следующим образом: изменяя момент на валу двигателя с помощью электромагнитного тормоза ЭМТ, измеряют частоту вращения n для обоих способов при одном и том же токе якоря. Снять 5–6 точек. Данные занести в табл. 10.1.

Т а б л и ц а 10.1

	Ia, А				Вывод о способе включения обмоток
1-й способ	n, об/мин
2-й способ	n, об/мин

Согласованность включения обмоток Ш1Ш2 и проверяется по величине частоты вращения при одном и том же токе якоря нагруженного двигателя. При согласном включении этих обмоток частота вращения двигателя будет меньше.

Все характеристики двигателей снимаются при согласном включении обмоток С1С2 и Ш1Ш2.

2. Рабочие характеристики

Рабочими характеристиками двигателя называются зависимости

,

где – номинальное напряжение двигателя; – номинальный ток возбуждения – ток, соответствующий номинальной частоте вращения при номинальной нагрузке и номинальном напряжении (должен быть установлен опытным путем); P1 – потребляемая мощность; M – момент на валу двигателя; n – частота вращения ротора; Ia – ток якоря;
h – коэффициент полезного действия.

Рабочие характеристики следует снимать, начиная с максимальной нагрузки (1,2–1,5 от номинальной, при этом можно ориентироваться по величине момента или тока якоря). Перед началом опыта необходимо рассчитать номинальный момент двигателя, используя паспортные данные машины:

,

где – мощность, Вт; – частота вращения ротора, об/мин; – мо-мент на валу двигателя, Н×м.

Величины и определяются опытным путем при изменении нагрузочного момента.

Значения , h и рассчитываются для каждой опытной точки по формулам

, , h,

где – потери на возбуждение (для исследуемого двигателя принять равными 180 Вт).

В ходе опыта примерно через равные интервалы по моменту делают 5–6 замеров соответствующих величин.

Опытные и расчетные данные записывают в табл. 10.2.

Т а б л и ц а 10.2

Опытные данные	Расчетные данные
М, Н×м	n, об/мин	Ia, А	Р1, Вт	Р2, Вт	h

3. Регулирование частоты вращения двигателя

изменением тока возбуждения

Этот способ регулирования частоты вращения двигателя наиболее экономичен и технически прост. Изменение тока возбуждения производится изменением либо сопротивления в цепи обмотки возбуждения двигателя с параллельным возбуждением, либо напряжения на обмотке возбуждения двигателя с независимым возбуждением.

Для исследования этого способа регулирования следует снять механические характеристики для двух фиксированных значений тока возбуждения, изменяя величину нагрузочного момента от нуля до номинального (5–6 точек).

Для двигателя с независимым возбуждением рекомендуется принять 0,6Iвн и 0,8Iвн (Iвн = 0,8 А), а для двигателя с параллельным возбуждением – 0,8Iвн и 0,9Iвн (Iвн = 0,75 А). Данные опыта занести в табл. 10.3.

Т а б л и ц а 10.3

Iв = Iвн, А	Iв = , А	Iв = , А
М, Н×м	n, об/мин	М, Нм	n, об/мин	М, Нм	n, об/мин

Первая колонка этой таблицы (при ) заполняется по данным табл. 10.2.