ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

 

1. Изучить устройство и принцип действия генераторов постоянного тока.
2. Экспериментально получить характеристику холостого хода Е_ЯГ( I _ВГ ) генератора  независимого  возбуждения.
3. Снять и  построить внешние характеристики  U_ЯГ (I_ЯГ) для различных способов возбуждения генератора.
4. Снять и  построить регулировочную   I_ВГ( I_ЯГ )  характеристику генератора  независимого  возбуждения.
5. Снять и  построить нагрузочную   Е_ЯГ( I _ВГ ) характеристику генератора  независимого  возбуждения.

 

 

ОСНОВНЫЕ  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ПОЛОЖЕНИЯ

 

Электрическая  машина,  посредством  которой  происходит  преобразование  механической  энергии  в  электрическую,  называется  генератором.

Генератор  состоит  из  двух  основных  частей

• неподвижной части – статора, которая  обычно  является  индуктором,  т.е.  служит  для  создания  магнитного  потока;
• вращающейся части  — якоря, в  которой  обычно  индуцируется  ЭДС.

Неподвижная  и  вращающаяся  части  отделяются  друг  от друга  воздушным  зазором.

Неподвижная  часть  генератора  состоит  из:

• основных полюсов,  предназначенных  для  создания  основного  магнитного  потока;
• добавочных полюсов,  служащих  для  достижения  безыскровой  работы  щеток  на  коллекторе;
• станины;
• щеточного аппарата.

Основные  и  добавочные  полюса  состоят  из  сердечника,  набранного  из  листов  электротехнической  стали,  и  обмотки,  изготовленной  из  меди  или  алюминия.

 

Вращающаяся  часть  генератора  состоит  из:

— якоря,  представляющего  собой  цилиндрическое  тело,  вращающееся  между  полюсами    и  состоящее  из  зубчатого  сердечника  в  пазы  которого  уложена  обмотка  якоря,  выполненная  из  медного  или  алюминиевого  провода;

— коллектора,  который  состоит  из  фигурной  шайбы  с  укрепленными  в  ней  коллекторными  пластинами.  К  петушкам  припаиваются (или  привариваются)  концы  секций  обмотки  якоря.

По  способу  возбуждения  генераторы  постоянного  тока  делятся  на:

• генераторы независимого  возбуждения;
• генераторы с  самовозбуждением.

Генераторы  с  самовозбуждением делятся  по  способу  соединения  обмотки  возбуждения  с  обмоткой  якоря  на  генераторы:

• параллельного возбуждения ( шунтовые) ;
• смешанного возбуждения  (компаундные).

Принцип  действия  электрической  машины  постоянного  тока,

работающей  в  режиме  генератора,  заключается  в  следующем.

Якорь  машины  приводят  во  вращение  от  постороннего  источника  механической  энергии.  На  обмотку  возбуждения  подается  постоянное  напряжение,  в  ней  начинает  протекать  постоянный  ток  ,  который  создает  магнитный  поток   (магнитное  поле)  обмотки  возбуждения  .  При  пересечении  якорем  магнитных  силовых  линий  поля  возбуждения,  в  якорной  обмотке  индуцируется  ЭДС  на  основании  закона  электромагнитной  индукции

.

Характеристика  короткого  замыкания  — зависимость   при  , .  Так  как  при  коротком  замыкании  ЭДС  обычно  не  превышает  нескольких  процентов  от  номинального   напряжения,  то  магнитная  цепь  генератора  является  ненасыщенной  и  характеристика  представляет  прямую  линию.  За  счет  остаточного  магнитного  потока  в  цепи  якоря  появляется  ток  короткого  замыкания  при  ,  поэтому  характеристика  короткого  замыкания идет  не  из  начала  координат.

Достоинством  генераторов  с  независимым  возбуждением  является  возможность  регулирования  напряжения  в  широких  пределах    от  нуля  до    путем  изменения  тока  возбуждения  и  малое изменение  напряжения  под  нагрузкой  по  сравнению  с  генераторами  параллельного  возбуждения.

Недостатком  —  необходимость  во  внешнем  источнике  постоянного  тока  для  питания  обмотки  возбуждения.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Система генератор–двигатель (Г–Д) состоит из двух машин постоянного тока с механически соединенными валами (рис.9).

Машина Д выполняет функцию двигателя, а машина Г – генератора. Генератор Г нагружается с помощью регулировочного реостата    R_НГ.     На одном валу с машинами Г и Д установлен тахогенератор ТГ, используемый как датчик частоты вращения   n.    Индуцируемая ЭДС датчика, линейно зависящая от частоты вращения вала, фиксируется вольтметром    Vn,    проградуированным в об/мин. Обмотки возбуждения электрических машин на рис.9 не показаны.

Питание системы Г-Д (рис.10 и 11) осуществляется от блока питания БП, подключенного к сети трехфазного напряжения  (U =380В,

f =50 Гц). Блок питания БП содержит магнитный пускатель МП, кнопочную станцию КнП (кнопка “Пуск”) и КнС (кнопка “Стоп”) и однофазные понижающие трансформаторы Тр1 и Тр2 (380/127 В).

Рис. 9 Функциональная схема системы  Г-Д

С выхода трансформатора Тр1 напряжение подается на входные зажимы лабораторного автотрансформатора ЛАТР, выходное напряжение которого регулируется ручкой “Рег. U_ЯД”  и  поступает через мостовой выпрямитель В в цепь якоря двигателя Д. Контроль напряжения и тока в цепи якоря осуществляется вольтметром   U_ЯД   и амперметром   I_ЯД.    Введение дополнительных резисторов    R1,  R2,  R3    в цепь якоря двигателя осуществляется с помощью регулировочного реостата R_ЯД.

Выходное напряжение трансформатора Тр2 поступает на входные зажимы управляемых тиристорных выпрямителей УВ1 и УВ2. Напряжение на выходе УВ1 регулируется ручкой “Рег. U_ВД” и подается на обмотку возбуждения двигателя ОВД, контроль напряжения и тока в которой осуществляется вольтметром U_ВД и амперметром I_ВД. Напряжение на выходе УВ2 регулируется ручкой “Рег. U_ВГ”  и  подается в цепь возбуждения генератора ОВГ через двухпозиционный ключ S1 (S1.1, S1.2). положение ключа S “параллельное возбуждение” соответствует параллельному подключению цепи якоря Г и возбуждения ОВГ, в положении ключа S “независимое возбуждение” напряжение U_ВГ подается только в цепь возбуждения ОВГ. Измерение тока и напряжения в цепи якоря генератора осуществляется амперметром I_ЯГ и вольтметром U_ЯГ, по приборам I_ВГ и U_ВГ определяются напряжение и ток в цепи возбуждения ОВГ.  Трехступенчатый реостат  R_НГ  является регулируемой нагрузкой генератора.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

 

1.Ознакомиться  с приборами и оборудованием экспериментальной установки,  занести технические характеристики приборов в таблицу 1.

Записать паспортные данные генератора.

Таблица 1

№№ п/п	Наименование и тип прибора	Система	Класс точности	Род тока	Предел измере ния	Цена деле- ния
1. 2. 3.

 

• Снять характеристику холостого хода Е_ЯГ ( I_ВГ). генератора независимого возбуждения

В режиме холостого хода Е_ЯГ= U_ЯГ .

Для этого необходимо:

• переключатель “S” поставить в положение “независимое возбуждение”;установить все ручки регуляторов “Рег. U_ВД”, ”Рег. U_ЯД”, ”Рег. U_ВГ” в нулевое положение;

 

• тумблеры R_НГ поставить в положение “Выкл.”;

 

• нажатием кнопки ”Пуск” магнитного пускателя включить стенд;

 

• установить номинальное напряжение цепи возбуждения двигателя U_ВД = 110 В  ручкой  “Рег. U_ВД”;

 

• установить ручкой “Рег. U_ЯД” номинальное напряжение цепи якоря двигателя U_ЯД (согласно паспорта)

 

ВНИМАНИЕ! НЕЛЬЗЯ ПОДАВАТЬ НА ЯКОРЬ ДВИГАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЕ U_ЯД, ЕСЛИ К ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ НЕ ПОДВЕДЕНО НОМИНАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ.

 

— изменяя величину напряжения U_ВД с помощью  “Рег. U_ВД”, установить частоту вращения  n = n_НОМ   об/мин .

• плавно увеличивая ток возбуждения I_ВГ при увеличении напряжения возбуждения  U_ВГ ручкой “Рег. U_ВГ”, добиваться изменения напряжения  U_ЯГ от минимального значения до номинального (восходящая ветвь характеристики холостого хода). Уменьшая ток возбуждения I_ВГ до нуля, получить нисходящую ветвь характеристики холостого хода. Снятие обеих ветвей характеристики холостого хода производить при одинаковых значениях тока возбуждения. Данные опыта занести в таблицу 2.

 

Таблица 2

 

Характеристики холостого хода U_ЯГ ( I_ВГ)

 

n _НОМ  = 1000 об/мин

 

IВГ , мА

UЯГ , В

Uном

 

• установить все ручки регуляторов в нулевые положения строго в последующем порядке: “Рег.U_ВГ”  “Рег. U_ЯД”,  “Рег U_ВД” ;

 

• нажатием кнопки “Стоп” остановить двигатель;

 

• Снять внешнюю характеристику генератора параллельного возбуждения U_ЯГ (I_ЯГ).

Для этого необходимо:

 

• поставить переключатель “S” в положение “параллельное возбуждение”;

 

• проверить, чтобы ручки регуляторов “Рег. U_ВД”,  “Рег. U_ЯД”,   “Рег. U_ВГ” были в нулевых положениях;
• нажать кнопку “Пуск”;

 

• установить U_ВД = 110 В ручкой  “Рег. U_ВД” и поддерживать его постоянным;

 

• увеличивая ручкой “Рег. U_ЯД” напряжение якоря двигателя U_ЯД, установить частоту вращения n _НОМ об/мин и поддерживать ее постоянной;

 

• изменять сопротивление нагрузки генератора R_НГ, начиная с режима холостого хода (I_ЯГ = 0, R_НГ – в положении “Выкл.”).

Результаты опыта занести в таблицу 3.

 

Таблица 3

Внешняя характеристика генератора параллельного

Возбуждения U_ЯГ (I_ЯГ)

 

I ВГ , мА
U ЯГ , В
I ЯГ  ,  А	0

• отключить нагрузку R_НГ;

 

• установить все ручки регуляторов в нулевые положения в последовательности: “Рег. U_ВГ”,  “Рег. U_ЯД”,  “Рег. U_ВД”;

 

нажатием кнопки “Стоп” отключить стенд;

 

• Снять внешнюю характеристику U_ЯГ ( I_ЯГ) генератора независимого возбуждения.

Для этого необходимо:

 

— проверить,  чтобы все ручки регуляторов находились в нулевых     положениях:

 

— нажатием кнопки “Пуск” магнитного пускателя включить стенд;

 

— установить ручкой  “Рег. U_ВД”   номинальное напряжение цепи возбуждения двигателя;

— подвести к цепи якоря двигателя такое напряжение, чтобы частота двигателя установилась  n=n_НОМ   об/мин.

— плавно увеличивая ток возбуждения генератора I_ВГ, ручкойРег. U_ВГ” возбудить генератор до напряжения  U_ЯГ , равному напряжению генератора параллельного возбуждения при токе якоря I_ЯГ=0. Поддерживая ток возбуждения генератора I_ВГ постоянным, изменять сопротивление R_НГ, начиная с режима холостого хода (ток якоря генератора I_ЯГ = 0, при R_НГ – “Выкл.” ).

 

Результаты опыта занести в таблицу 4.

 

 

 

 

 

Таблица 4

 

Внешняя характеристика генератора независимого

возбуждения U_ЯГ (I_ЯГ)

 

n _НОМ = const,     I_ВГ = const

 

UЯГ , В
I ЯГ , А	0

 

— отключить нагрузку R_НГ;

 

— установить все ручки регуляторов в нулевые положения в последовательности:  “Рег. U_ЯГ”,  “Рег. U_ЯД”,  “Рег. U_ВД”;

 

— нажатием кнопки “Стоп” отключить стенд;

 

• Снять регулировочную характеристику генератора с независимым возбуждением I_ВГ (I_ЯГ), для чего необходимо:

 

— проверить, чтобы все ручки регуляторов были в нулевых положениях;

 

— нажать кнопку “Пуск”;

 

• установить U_ВД = 110 В ручкой “Рег. U_ВД” ;
• увеличивая напряжение U_ЯД, ручкой “Рег. U_ЯД” установить номинальную частоту вращения  n = n_НОМ .

— изменяя ток возбуждения генератора I_ВГ ручкой  “Рег. U_ВГ”, возбудить генератор до напряжения U_ЯГ = 80 В.

— подключить нагрузочное сопротивление к генератору, при этом напряжение на зажимах генератора снизиться. С помощью регулятора “Рег. U_ВГ” установить   U_ЯГ = 80 В. Записать значения  в таблицу 6. Изменять сопротивление нагрузки генератора R_НГ, начиная с режима холостого хода I_ЯГ = 0 при R_НГ  — “Выкл..

Результаты опыта  занести в таблицу 5.

 

 

 

 

Таблица 5

Регулировочная характеристика генератора с независимым возбуждением

I ВГ , мА
I ЯГ , А	0

 

 

— поочередно отключая нагрузку R_НГ  снять вторую ветвь регулировочной характеристики, таким же образом, как первую;

— опыт заканчивается как только будут выведены все сопротивления;

 

— установить все ручки регуляторов в нулевые положения в последовательности:  “Рег. U_ВГ”,  “Рег. U_ЯД”,  “Рег. U_ВД”;

 

— нажатием кнопки “Стоп” отключить стенд.

 

1. Снять нагрузочную характеристику генератора с независимым возбуждением:

Для этого необходимо:

• переключатель “S” поставить в положение “независимое возбуждение ;установить все ручки регуляторов “Рег. U_ВД”, ”Рег. U_ЯД”, ”Рег. U_ВГ” в нулевое положение;

 

• тумблеры R_НГ поставить в положение “Выкл.”;

 

• нажатием кнопки ”Пуск” магнитного пускателя включить стенд;

 

• установить номинальное напряжение цепи возбуждения двигателя U_ВД = 110 В  ручкой  “Рег. U_ВД”;

 

• установить ручкой “Рег. U_ЯД” номинальное напряжение цепи якоря двигателя U_ЯД (согласно паспорта)

— изменяя величину напряжения U_ВД с помощью  “Рег. U_ВД”, установить частоту вращения  n = n_НОМ   об/мин .

• плавно увеличивая ток возбуждения I_ВГ при увеличении напряжения возбуждения  U_ВГ ручкой “Рег. U_ВГ”, добиваться изменения напряжения  U_ЯГ от минимального значения до номинального (восходящая ветвь характеристики холостого хода).
• при U_ЯГ=110 В._. подключить к генератору нагрузку (по указанию преподавателя), при этом снизиться U_ЯГ
• уменьшать возбуждения генератора I_ВГ до тех пор, пока напряжение генератора не станет равно нулю.U_ЯГ=0.

— Данные заносим в таблицу 6.

• Таблица 6
• Характеристики холостого хода U_ЯГ ( I_ВГ)
• n _НОМ  = 1000 об/мин

IВГ , мА

UЯГ , В

 

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

 

1. По данным таблицы 2 построить характеристику холостого хода генератора независимого возбуждения U_ЯГ (I_ВГ) при
2. По данным таблиц 3 и 4 построить внешние характеристики генератора независимого и параллельного возбуждения U_ЯГ () при  в одних осях.
3. По данным таблицы 5 построить регулировочную характеристику генератора независимого возбуждения I_ВГ (I_ЯГ) при

U_ЯГ = const и n = const.

4. По данным таблицы 6 построить нагрузочную характеристику генератора независимого возбуждения U_ЯГ ((I_ВГ) при

I_ЯГ = const и n = const.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Назначение и устройство генератора постоянного тока. Схемы возбуждения.
2. Принцип работы генератора постоянного тока. Объяснить, от чего зависит величина ЭДС генератора постоянного тока.
3. Объяснить характеристику холостого хода генератора.
4. Условия самовозбуждения генератора параллельного возбуждения.
5. Дать анализ уравнения электрического состояния генератора.
6. Объяснить внешнюю характеристику генератора.
7. Объяснить способы регулирования напряжения генератора постоянного тока.
8. Объяснить регулировочную характеристику и ее значение в оценке свойств генератора постоянного тока.
9. Сравнительный анализ характеристик генератора независимого и параллельного возбуждения.
10. Объяснить использование тахогенератора постоянного тока для измерения частоты вращения.
11. Какое влияние оказывает  реакция  якоря  и  падение  напряжения  в  цепи  якоря  на  напряжение  генератора?

В  чем  физический  смысл  регулировочной  характеристики ?

12. Чем вызвано расхождение  восходящей  и  нисходящей  ветвей  х.х.х.  генератора?

 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ

 

1. Вольдек А.И. , Электрические машины,  Энергия,  1976 г.
2. Копылов И.П., Электрические машины, Энергия,  2000 г.

3 Электрические  машины  в  4-х  томах  под  редакцией

Копылова  И.П., Высшая  школа,  1922-1944 г.

4. Кацман Е.К., Электрические машины,  Высшая  школа, 1990 г.
5. Копылов И.П., Проектирование электрических машин, Энергия,  2001 г.

6.Стародубцева В.А. Методические указания к лабораторной работе №1 «Исследование характеристик генераторов постоянного тока независимого и параллельного возбуждения »