Машины постоянного тока

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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. оснащенной всеми возможными обмотками, приведена на рис.1.

Рис.1. Машина постоянного тока, оснащенная всеми обмотками.

  Н1Н2-обмотка независимого возбуждения; Ш1Ш2-обмотка

  параллельного возбуждения; С1С2- обмотка последователь-

  ного возбуждения; К1К2- компенсационная обмотка; D1D2-

  обмотка добавочных полюсов; Я1Я2- обмотка якоря.

  Г-режим генератора; D - режим двигателя.

Напряжение на зажимах машины постоянного тока уравновешивается э. д.с., наводимой в обмотке якоря, и величиной падения напряжения на сопротивлении цепи якоря

  (1)

“+” - 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.

Падение напряжения под парой щеток согласно ГОСТ 11828-75 принимается постоянным и равным ≈2В.

  (3)

где -номинальный ток в обмотке якоря.

Э. Д.С. машины постоянного тока определяется по формуле

  (4)

где - 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 м. д.с. в последовательной обмотке и размагничивающего действия поперечной реакции якоря .

  (5)

Используя (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

,  (П-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.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

Экспериментальная часть

Ознакомиться с паспортными данными генератора и занести их в протокол.

1.Независимое возбуждение генератора

       1.1. Снять характеристику холостого хода генератора.

       1.2. Снять нагрузочную характеристику генератора.

Снять внешнюю характеристику генератора. Снять регулировочную характеристику генератора.

2. Параллельное возбуждение генератора

2.1. Снять внешнюю характеристику генератора.

2.2 Снять регулировочную характеристику генератора.

3. Смешанное возбуждение генератора

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

Обработка опытных данных

Построить на одном графике характеристику холостого хода и нагрузочную характеристику. Оценить степень насыщения магнитной системы генератора. Построить реактивный треугольник и определить величину

  размагничивающей м. д.с. поперечной реакции якоря.

Определить относительную величину остаточного магнитного потока. Построить на одном графике все внешние характеристики генератора при различных схемах возбуждения. 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

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока представляет 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 таблицу 9.1

  Таблица 9.1

	А
	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 таблицу 9.2.

  Таблица 9.2

	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.

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 таблицу 9.3.

  Таблица 9.3

	А
U	В

Регулировочная характеристика

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

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 таблицу 9.4.

  Таблица 9.4

	А
	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 э. д.с. обмотки якоря генератора, то есть 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 м. д.с. 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 следует 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.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением снимается также, как и для генератора с независимым возбуждением. Результаты измерений заносятся в таблицу 9.5.

  Таблица 9.5

	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

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 таблицу 9.6.

  Таблица 9.6

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

Регулировочная характеристика

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

Регулировочная характеристика при снимается также, как и регулировочная характеристика генератора при независимом возбуждении. Запись опытных данных производится в таблицу, аналогичную таблице 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

  номинальную э. д.с.;

  - часть тока возбуждения , которая соответствует магнитному

  напряжению воздушного зазора. Она определяется графически прове-

  дением касательной к начальной части характеристики холостого хо-

  да, полученной путём 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 Δавс, вертикальный катет которого вс в масштабе напряже-

ния равен внутреннему падению напряжения в якорной цепи генератора

вс

где значения приведены на стенде, а =2В.

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

ав, А

Действительно, отрезок

dв+вс

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

ав = - ~

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

Так как в данной лабораторной работе нагрузочная характеристика снимается для тока , то реактивный треугольник Δавс 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 рис.9.5.) описываются выражением

где Фн - магнитный поток независимой обмотки возбуждения.

Из этого выражения следует, что характер внешней характеристики при увеличении нагрузки () вызван размагничивающим действием реакции якоря () и внутренним падением напряжения ().

Генератор при параллельном возбуждении имеет более крутую внешнюю характеристику (кривая 2 рис.9.5), чем при независимом 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 последовательная обмотка увеличивает основной магнитный поток (противодействуя размагничивающему действию реакции якоря и внутреннему падению напряжения) и верхняя характеристика отклоняется вверх (кривая 3 рис.9.5).

При встречном включении обмоток и последовательная обмотка уменьшает основной магнитный поток, а следовательно, и величину напряжения на зажимах генератора (кривая 4 рис.9.5).

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 по формуле

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). определяется по формуле

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 обмотки ( когда поток последовательной обмотки компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и внутреннее падение напряжения) регулировочная характеристика имеет вид 2 (см. рис.9.6). Ток возбуждения генератора при этом практически регулировать не приходится. Генератор поддерживает своё напряжение неизменным автоматически в широком диапазоне нагрузки

Контрольные вопросы

Объясните принцип действия и устройство генератора постоянного тока. Что такое номинальная мощность генератора? Сравните между собой различные схемы возбуждения генератора постоянного тока. От чего зависит величина напряжения на зажимах генератора при холостом ходе. Объясните связь между характеристиками холостого хода и кривой намагничивания . Объясните процесс самовозбуждения генератора постоянного тока. Назначение обмотки , включённой в цепь якоря генератора постоянного тока. В чём принципиальная разница между схемами независимого, параллельного и смешанного возбуждения генератора постоянного тока? Назначение обмотки последовательного возбуждения в генераторе со смешанным возбуждением. Что такое “характеристика холостого хода” генератора? Как её получить опытным путём? Как по характеристике холостого хода определить величину остаточного магнитного потока? Что такое “коэффициент насыщения” магнитной системы машины постоянного тока? Как он определяется? Что такое “нагрузочная характеристика” генератора постоянного тока? Как её получить опытным путём? Что такое “реактивный треугольник” генератора? Как он строится? Как определить размагничивающее действие реакции якоря? Что такое “внешние характеристики” генератора постоянного тока? Как они получаются опытным путём? Сравните внешние характеристики генератора при независимом и параллельном возбуждении. Чем объяснить различие между ними? Что такое “регулировочная характеристика” генератора постоянного тока? Как её получить опытным путём? Каково её практическое значение? Что такое “критическое сопротивление” цепи возбуждения генератора? Как его определить?