Исследование машин постоянного тока. Сборник лабораторных работ по курсу «Электрические машины» для студентов 3-4-х курсов ЭМФ, ФЭН, РЭФ (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

621.313 № 000

И 889

ИССЛЕДОВАНИЕ МАШИН

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Сборник лабораторных работ

по курсу «Электрические машины» для студентов

3–4-х курсов ЭМФ, ФЭН, РЭФ

Новосибирск

2007

УДК 621.313.2.001.5(076.5)

И 889

Составители: , ,

Под общей редакцией

Рецензент

Работа подготовлена на кафедре электромеханики

Ó Новосибирский государственный

технический университет, 2007

ВВЕДЕНИЕ

Машиной постоянного тока называется машина с механическим коллектором, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую энергию постоянного тока или электрической энергии постоянного тока в механическую энергию.

В первом случае машина работает в режиме генератора, во втором случае – в режиме двигателя.

Машины постоянного тока нашли широкое применение, несмотря на то, что стоимость их выше, чем машин переменного тока. Это объясняется тем, что они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, реверса и допускают более высокие перегрузки по сравнению с машинами переменного тока в режиме двигателя, а также благодаря возможности экономично, плавно и в широких пределах регулировать напряжение, разнообразию рабочих характеристик – в режиме генератора.

Схема машины постоянного тока «общего вида», т. е. оснащенная всеми возможными обмотками, приведена на рисунке.

Напряжение на зажимах машины постоянного тока уравновешивается ЭДС, наводимой в обмотке якоря, и величиной падения напряжения на сопротивлении цепи якоря:

. (1)

где « + » – режим двигателя; « – » – режим генератора.

Сопротивление якорной цепи включает в себя следующие составляющие:

, (2)

где – собственное сопротивление обмотки якоря; – сопротивление включенных последовательно с якорем обмоток; – сопротивление щеточного контакта.

Машина постоянного тока, оснащенная всеми обмотками:

Н1Н2 – обмотка независимого возбуждения; Ш1Ш2 – обмотка

параллельного возбуждения; С1С2 – обмотка последовательного

возбуждения; К1К2 – компенсационная обмотка; D1D2 – обмотка

добавочных полюсов; Я1Я2 – обмотка якоря; Г – режим генератора;

D – режим двигателя

Падение напряжения под парой щеток согласно ГОСТ принимается постоянным и равным около 2 В.

, (3)

где – номинальный ток в обмотке якоря.

ЭДС машины постоянного тока определяется по формуле

, (4)

где Ф – основной магнитный поток в воздушном зазоре; n – частота вращения; – постоянная для каждой машины величина.

Магнитный поток создается всеми обмотками возбуждения и в процессе работы машины изменяется вследствие изменения тока и МДС в последовательной обмотке и размагничивающего действия поперечной реакции якоря :

. (5)

Используя формулы (1), (4) и (5), получим уравнение цепи якоря машины постоянного тока «общего вида», удобное для анализа рабочих свойств машины

. (6)

Из этого же уравнения можно получить и выражение для тока якоря, потребляемого машиной постоянного тока из сети в режиме двигателя:

, (7)

а также зависимость частоты вращения двигателя от тока якоря

, (8)

которая называется скоростной характеристикой.

Используя выражение (8) и формулу для электромагнитного момента, развиваемого машиной постоянного тока

, (9)

где – постоянный для каждой машины коэффициент, можно получить зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу, которая называется механической характеристикой:

. (10)

Как правило, двигатели постоянного тока пускаются в ход с добавочным сопротивлением (пусковым реостатом), включаемым последовательно в цепь якоря. Это связано с тем, что сопротивления цепи якоря у машин средней и большой мощности очень мало и пусковой ток может достигать значительной величины (7). При включении пускового реостата пусковой ток уменьшается

. (11)

Пусковой реостат предназначен лишь для кратковременного включения в цепь якоря на время пуска. Пользоваться этим реостатом после запуска двигателя не допускается.

Для уменьшения времени пуска развиваемый двигателем момент должен быть наибольшим. Это достигается при максимальном потоке возбуждения Ф. Поэтому пуск двигателя должен проводиться при максимальном токе возбуждения, т. е. обмотка возбуждения должна быть включена на полное напряжение.

Из выражений (8) и (9) следует, что частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать тремя способами:

– изменением величины магнитного потока Ф (тока возбуждения) – «регулирование полем»;

– изменением величины питающего напряжения;

– введением в цепь якоря добавочного реостата – «реостатное регулирование».

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы – изучить конструкцию генератора постоянного тока, приобрести практические навыки в сборке схем и опытном исследовании генератора по определению его основных характеристик, исследовать влияние на рабочие свойства генераторов различных схем возбуждения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Экспериментальная часть

Ознакомиться с паспортными данными генератора и занести их в протокол.

1. Независимое возбуждение генератора

1. Снять характеристику холостого хода генератора.

2. Снять нагрузочную характеристику генератора.

3. Снять внешнюю характеристику генератора.

4. Снять регулировочную характеристику генератора.

2. Параллельное возбуждение генератора

1. Снять внешнюю характеристику генератора.

2. Снять регулировочную характеристику генератора.

3. Смешанное возбуждение генератора

1. Снять внешние характеристики генератора при согласном и встречном включении обмоток возбуждения.

2. Снять регулировочную характеристику при согласном включении обмоток возбуждения.

Обработка опытных данных

1. Построить на одном графике характеристику холостого хода и нагрузочную характеристику.

2. Оценить степень насыщения магнитной системы генератора.

3. Построить реактивный треугольник и определить величину размагничивающей МДС поперечной реакции якоря.

4. Определить относительную величину остаточного магнитного потока.

5. Построить на одном графике все внешние характеристики генератора при различных схемах возбуждения.

6. Определить процентное изменение напряжения генератора при различных схемах возбуждения.

Экспериментальная часть

Генератор с независимым возбуждением

Принципиальная схема экспериментальной установки генератора с независимым возбуждением приведена на рис. 9.1.

Генератор приводится во вращение приводным двигателем (ПД) (асинхронным или синхронным), имеющим достаточно жесткую механическую характеристику. Это позволяет считать, что частота вращения генератора в процессе проведения опытов остается постоянной.

Рис. 9.1. Принципиальная схема экспериментальной установки

генератора с независимым возбуждением

1. Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока представляет собой зависимость напряжения на обмотке якоря при номинальной частоте вращения и разомкнутой цепи нагрузки:

.

Характеристику холостого хода снимают, начиная с наибольшего тока возбуждения. Ток возбуждения постепенно уменьшают до нуля, записывая показания приборов для 5–6 точек, в том числе обязательно в точке и в точке, где . Необходимо следить, чтобы ток возбуждения изменялся только в одну сторону (уменьшался), так как в противном случае возможен разброс опытных точек из-за гистерезиса.

Результаты занести в табл. 9.1.

Т а б л и ц а 9.1

Iв	А
U0	В

2. Нагрузочная характеристика

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения генератора от тока возбуждения при неизменных значениях тока нагрузки и частоты вращения :

.

Снимается нагрузочная характеристика следующим образом. Установив наибольший ток возбуждения, нагружают генератор номинальным током и делают замеры соответствующих величин. После этого ток возбуждения несколько снижают и, уменьшая сопротивление нагрузочного реостата , увеличивают ток генератора до прежнего значения. Таким образом снимают 4–5 точек, занося опытные данные в табл. 9.2.

Т а б л и ц а 9.2

Iв	А
U	В

Для исследуемого генератора рекомендуется снимать нагрузочную характеристику при токе якоря

При проведении опыта ток возбуждения следует изменять в одном направлении.

Нагрузочная характеристика позволяет исследовать продольное размагничивающее действие поперечной реакции якоря, являющееся следствием насыщения магнитной системы машины.

3. Внешняя характеристика

Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения представляет собой зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки генератора при постоянной частоте вращения и неизменном токе возбуждения:

Внешняя характеристика в данной работе снимается при увеличении тока нагрузки от нуля до .

Первой точкой характеристики при холостом ходе является напряжение генератора, равное номинальному. Уменьшая сопротивление , увеличиваем ток нагрузки до значения . Результаты эксперимента (5–6 точек) записываются в табл. 9.3.

Т а б л и ц а 9.3

Ia	А
U	В

4. Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика генератора представляет собой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на зажимах якоря и постоянной частоте вращения:

при и .

В лабораторной работе регулировочные характеристики снимаются при увеличении нагрузки. Снимают ее следующим образом: при холостом ходе устанавливают номинальное напряжение, изменяя ток возбуждения реостатом , а затем генератор постепенно нагружают (уменьшая сопротивление нагрузки ) до номинального тока.

Результаты эксперимента (4–5 точек) записываются в табл. 9.4.

Т а б л и ц а 9.4

Iа	А
Iв	А

Генератор с параллельным возбуждением

Принципиальная схема экспериментальной установки генератора с параллельным возбуждением приведена на рис. 9.2

Рис. 9.2. Принципиальная схема экспериментальной установки

генератора с параллельным возбуждением

Особенностью этой схемы является то, что источником питания обмотки возбуждения является ЭДС обмотки якоря генератора, т. е. ток возбуждения жестко связан с напряжением на его зажимах.

Самовозбуждение генератора с параллельной

обмоткой возбуждения

Условия самовозбуждения генератора следующие:

– наличие остаточного магнитного потока;

– обмотка параллельного возбуждения должна быть включена так, чтобы своей МДС усилить остаточный поток;

– сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического при данной частоте вращения.

Обоснование этих условий дается в теоретическом курсе «Электромеханика».

Перед началом работы следует обеспечить условия самовозбуждения. Для этого необходимо запустить генератор и при выведенном реостате в цепи обмотки возбуждения убедиться в наличии напряжения на зажимах генератора. В противном случае следует поменять местами концы обмотки возбуждения, т. е. изменить направление тока обмотки возбуждения и направление магнитного потока.

Внешняя характеристика

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением снимается при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, а не при неизменном токе возбуждения:

при и .

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением снимается так же, как и для генератора с независимым возбуждением. Результаты измерений заносятся в табл. 9.5.

Т а б л и ц а 9.5

Ia	А
U	В

Генератор со смешанным возбуждением

Принципиальная схема экспериментальной установки генератора со смешанным возбуждением приведена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Принципиальная схема экспериментальной установки

генератора со смешанным возбуждением

Система возбуждения этого генератора содержит последовательную обмотку возбуждения С1С2, включенную последовательно в цепь обмотки якоря. В магнитном отношении она действует согласно с обмоткой параллельного возбуждения Ш1Ш2, которая является основной. Последовательная обмотка возбуждения С1С2 предназначена для уменьшения влияния на внешнюю характеристику действия реакции якоря и внутреннего падения напряжения.

Генератор смешанного возбуждения обладает свойством самовозбуждения (за счет параллельной обмотки), условия которого были рассмотрены выше.

Внешние характеристики

Как и при параллельном возбуждении внешней характеристикой генератора со смешанным возбуждением называется зависимость

при и .

Процесс снятия внешней характеристики такой же, как и при параллельной схеме возбуждения. Практический интерес представляет схема возбуждения лишь при согласном включении обмоток С1С2 и Ш1Ш2.

С целью изучения влияния последовательной обмотки при ее встречном включении в данной работе следует снять несколько точек внешней характеристики и при этой схеме возбуждения. По результатам этих двух экспериментов самостоятельно сделать вывод о согласном или встречном включении обмоток С1С2 и Ш1Ш2.

Результаты измерений занести в табл. 9.6.

Т а б л и ц а 9.6

Согласное включение обмоток С1С2 и Ш1Ш2	Ia	А
U	В
Встречное включение обмоток С1С2 и Ш1Ш2	Ia	А
U	В

Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика снимается для случая согласного включения обмоток С1С2 и Ш1Ш2.