Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра прикладной химии и физики
Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 6
«Испытание генератора постоянного тока»
Уфа 2008
Печатается
по решению Методического
государственного нефтяного технического университета
Совета
Уфимского
Работа посвящена изучению электрических машин постоянного тока, их
использование в качестве генераторов постоянного тока с самовозбуждением или
независимым возбуждением и предназначена для студентов дневного, вечернего и
заочного отделений строительного факультета
СОСТАВИТЕЛИ: РЯБИШИНА Л.А., преподаватель, к.т.н.
ГАРЕЕВ Г.Г., ст. преподаватель
РЕЦЕНЗЕНТ
©
ЖДАНОВ А.Г., доцент, к.т.н.
Уфимский государственный нефтяной технический университет
2
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с конструкцией и принципом действия генератора
постоянного тока (ГПТ) с самовозбуждением и генератора с независимым
возбуждением.
2. Снять и построить характеристики ГПТ.
2. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Существует ряд отраслей промышленности, где требуется постоянный
ток. Это обуславливает необходимость использования машин постоянного тока
(МПТ) в качестве генератора и двигателей в таких отраслях производства, как в
электрохимии,
в электротяговых и подъемных устройствах, в отдельных
областях электропривода с широким диапазоном регулирования скорости.
Машины постоянного тока (рис.1) состоят из неподвижной станины 1 и
вращающегося якоря 2, изготовленных из листовой электротехнической стали. К
внутренней поверхности станины прикреплены главные полюса 4 с обмотками
возбуждения, выполненными в виде катушек из изолированного медного
провода. Обмотки возбуждения катушки 5 главных полюсов соединены между
собой последовательно, питаются постоянным током и создают неизменный во
времени и пространстве магнитным поток Ф. Обмотки 6 дополнительных
полюсов также соединяются между собой последовательно и включаются
последовательно с обмоткой якоря. Дополнительное магнитное поле,
создаваемое ими, служит для улучшения коммутации машины. Для удержания
катушек сердечники главных и дополнительных полюсов снабжаются полюсным
наконечником 7.
Якорь МПТ представляет собой стальной цилиндр, укрепленный на валу
машины 8. На наружной поверхности якоря вдоль его оси имеются пазы, в
которые укладываются изолированные проводники 9 (стержни). Стержни
соединяются между собой по торцам и образуют замкнутую обмотку якоря (на
рис.1 не показана). Коллектор 10 собирается из медных пластин, изолированных
друг от друга и от вала машины. Каждая из пластин коллектора присоединяется к
определенной точке обмотки якоря. При вращении якоря по коллектору скользят
неподвижно закрепленные щетки 11. С помощью щеток цепь обмотки якоря
подключается к внешней цепи. Щетки закреплены в щеткодержателях и
изготовлены из меднографитового материала.
Машины постоянного тока могут иметь одну или несколько пар главных
полюсов. В МПТ относительно больших размеров имеются несколько пар
главных полюсов, расположенных равномерно вокруг якоря. Для примера на
рис.1 показана магнитная система четырехполюсной МПТ.
Обмотка возбуждения и обмотка якоря MПT могут подключаться между
собой параллельно, последовательно или не имеют электрической связи между
собой. В зависимости от способа соединения этих обмоток различают четыре
типа машин постоянного тока:
1) машины независимого возбуждения (рис.2,а), в которых обмотка
3
возбуждения и обмотка якоря подключаются к различным источникам, т.е. не
имеют электрической связи;
2) машины параллельного (шунтового) самовозбуждения (см. рис.2,б), в
которых обмотка возбуждения шунтовая (ОВШ) подсоединяется к щеткам.
Полюсные катушки машин с независимым и шунтовым возбуждением
выполняются относительно тонким проводом со значительным числом витков;
3) машины последовательного (сериесного) возбуждения (см.рис.2,в), в
которых обмотка возбуждения сериесная (ОВС) включается последовательно с
обмоткой якоря. Обмотка возбуждения выполняется толстым проводом с малым
числом витков;
4) машины смешанного (компаундного) самовозбуждения, в которых на
каждом главном полюсном сердечнике имеется две катушки – шунтовая и
сериесная. Обмотка возбуждения шунтовая (ОБШ) соединяется параллельно
якорной обмотке, a 0BС (сериесная) - последовательно с ней (см. рис. 2,г).
Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря оказывает
сильное влияние на электрические свойства МПТ.
В МПТ происходит преобразование механической энергии, подводимой от
первичного двигателя, в электрическую, снимаемую с обмоток якоря с помощью
коллектора и щеток. К щеткам генератора присоединяются потребители
электрической энергии постоянного тока.
В основе принципа действия МПТ лежит явление электромагнитной
индукции. Если якорь вращается с постоянной скоростью к магнитное поле
равномерное, то в нем будет наводиться э.д.с. и появится переменный
синусоидальный ток. Коллекторные пластины осуществляют преобразование
переменного тока обмотки якоря в пульсирующий постоянный ток во внешней
цепи генератора. Присоединение потребителей к генератору осуществляется
через неподвижные щетки, прилегающие к коллектору.
Если внешняя цепь ГПТ разомкнута (холостой ход), то напряжение на
зажимах машины равно э.д.с. т.е. U = E. Если генератор нагружен, то напряжение
на зажимах машины становится меньше э.д.с. на величину падения напряжения в
сопротивлении цепи якоря:
U=E-IяRя
(1),
где Rя – суммарное сопротивление якоря.
Рис.1. Устройство четырехполюсной машины постоянного тока
4
Рис.2. Схемы возбуждения МПТ
На рис. 3 представлена электрическая схема ГПТ с независимым
возбуждением. Ток возбуждения IВ в этой схеме не зависит от условий работы
ГПТ. Реостат RВ в цепи возбуждения позволяет изменять ток возбуждения и тем
самым регулировать магнитный поток ФВ а следовательно, и э.д.с. генератора Е =
СnФ, которая при постоянных С и n зависит только от ФВ.
На рис.4 представлена характеристика холостого хода ГПТ E = f(IВ). Из-за
наличия остаточного магнитного потока в магнитопроводе генератора
характеристика холостого хода начинается не с нуля, а с некоторого значения Eост
(при IВ = 0). Вид этой характеристики определяется кривой намагничивания
магнитной цепи машины.
Xарактерной особенностью генераторов с независимей возбуждением является
возможность плавного регулирования э.д.с, а следовательно, и напряжения на
зажимах машины в широких пределах от 0 до UН что обуславливает область их
применения для специальных целей (например для питания электролитических
ванн).
В большинстве случаев применяются ГПТ с самовозбуждением. У таких ГПТ
питание обмотки осуществляется от якоря самой машины. Для обеспечения
самовозбуждения ГПТ необходимо наличие остаточного магнитного потока в
машине. Вторым условием самовозбуждения является совпадение по
направлению возбуждаемого и остаточного потоков.
На рис.5 приведена схема ГПТ с самовозбуждением. Обмотка возбуждения и
внешняя цепь (нагрузка) присоединены к якорю параллельно; такие ГПТ
называются шунтовыми.
Одной из важнейших характеристик генератора является внешняя
характеристика, представляющая собой зависимость напряжения U на зажимах
генератора от тока I нагрузки во внешней цепи U = f(I) при постоянных
значениях IВ и n.
На рис.6 представлена внешняя характеристика ГПТ с параллельным
5
возбуждением. Напряжение на зажимах генератора можно определить исходя из
уравнения (1)
С ростом тока нагрузки I напряжение на зажимах ГПТ понижается вследствие
увеличения падения напряжений в цепи якоря, т.к. IЯ = I + IВ. Обмотка
возбуждения рассчитывается на незначительный ток, поэтому IЯ и U зависят в
ГПТ от величины сопротивления нагрузки RH.
Рис.3. Электрическая схема ГПТ с
независимым возбуждением
Рис. 4 Характеристика холостого хода ГПТ
Рис. 5. Электрическая схема шунтового ГПТ с самовозбуждением
Рис. 6. Внешняя характеристика
Рис. 7. Регулировочная характеристика ГПТ
шунтового ГПТ U = f(I), при Iв=const Iв=f(I), при U=const
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения должна
проходить ниже, чем при независимом возбуждении. Это объясняется
уменьшением тока возбуждения при снижении напряжения с ростом тока
нагрузки. Снижение напряжения при номинальной нагрузке составляет 10...15%
от Е.
Одной из характеристик ГПТ является регулировочная характеристика.
На рис.7 представлена регулировочная характеристика шунтового ГПТ (с
6
параллельным возбуждением). Она показывает зависимость тока нагрузки I от
тока возбуждения IВ при условии, что U = const и n = const. Для снятия этой
характери-стики подключают нагрузку к ГПТ и при изменении тока I нагрузки
изменяют ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение на зажимах
генератора поддерживалось неизменным.
При работе ГПТ на нагрузку ток обмотки якоря создает дополнительное
магнитное поле ФЯ. Магнитное поле якоря накладывается на основное магнитное
поле главных полюсов, искажает и частично ослабляет его. Это воздействие поля
якоря на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря. Явление
реакции якоря ухудшает процессы, происходящие в контакте щетка-коллектор.
Кроме того, при вращении коллектора под щетками они замыкают накоротко
соседние коллекторные пластины, а быстрое изменение тока в секции обмотки
якоря приводит к возникновению в ней э.д.с. индукции. Это обуславливает
появление электрической дуги краем щетки и уходящей из под нее коллекторной
пластикой. Эти явления в ГПТ называются процессом коммутации. Реакция якоря
оказывает вредное влияние на процесс коммутации, так как в замыкаемой секций
появляются добавочные э.д.с. вращения как от магнитного потока главных
полюсов, так и от потока реакции якоря. Для улучшения коммутации
(уменьшения искрения под щетками) в ГПТ устраиваются дополнительные
полюса (см. рис.1), обмотка которых включается последовательно с якорем таким
образом, чтобы создаваемое ей магнитное поле компенсировало поле реакций
якоря в зоне коммутации.
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Для выполнения данной работы на столе находятся двигатель-генератор,
измерительные приборы и электрические аппараты, условное обозначение
которых следующее (см.рис.8):
AД - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа АОЛ и
напряжением
= 220/230 В;
ГПТ - генератор постоянного тока, с номинальным напряжением 12 В;
АВ - автоматический выключатель;
B-I - выключатель в цепи возбуждения ГПТ;
В-П - выключатель нагрузки генератора (тумблер);
А,V - амперметр и вольтметр в цепи питания АД;
A-I - амперметр электромагнитной системы на 0,25; 0,5; 1 А для измерения
тока возбуждения ГПТ.
V-I - вольтметр для измерения э.д.с. или напряжения исследуемого
генератора, с пределом измерения 30 В;
А-II - амперметр на 2,5; 5 А для измерения тока нагрузки ГПТ;
RВ - регулировочный реостат в цепи возбуждения ГПТ сопротивлением
50 Ом и максимальным током 1,4 А;
RH - регулировочный реостат в цепи нагрузки исследуемого генератора
сопротивлением 15 Ом и максимальным током 10 А.
7
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Подготовиться к выполнению работы, изучив раздел 2 и ответив на
контрольные вопросы (см.раздел б).
Вначале необходимо снимать характеристики шунтового генератора, т.к.
независимое возбуждение намагничивает магнитную систему машину, что в свою
очередь влияет на характеристики генератора с самовозбуждением.
1. Ознакомиться с приборами и электрическими аппаратами, относящимися к
данной работе (см. макет и рис.8).
Рис.8. Расположение приборов и электрических аппаратов на столе
Рис.9. Электрическая схема включения приборов и оборудования для штанин
ГПТ
2. Переключатель B-I установить в положение СВ (самовозбуждение ГПТ), а
выключатель нагрузки В-П - в положение "Выкл." Ползунки реостатов RВ и RH
переместить на себя до упора.
3. Включить автомат АВ и запустить исследуемый двигатель-генератор.
4. Замерить прибором V-I остаточную э.д.с. Еост генератора. Данные занести в
таблицу 1.
5. Увеличивая ток возбуждения IВ при помощи реостата RВ до значения IB =
1 А (по А-I), замерить э.д.с. шунтового генератора (5... 7 значений). Данные
наблюдений занести в табл.1. Эти данные отражают характеристику холостого
8
хода Е = f(IB) шунтового генератора при токе нагрузки I = 0.
6. Установить с помощью реостата RB по V-I э.д.с. равную 13 B и замерить
ток возбуждения поA-I. Включить выключатель В-П (нагрузка) и снять внешнюю
характеристику U = f(I) шунтового ГПТ, изменяя сопротивление нагрузки при
помощи регулировочного реостата RН (5... 7 различных значений нагрузки по А-П
в пределах от 0 до 4А ). При этом для разной нагрузки ток возбуждения с
помощью RВ необходимо поддерживать неизменным, т.е. должно быть IB =
const. Данные наблюдений занести в табл.1.
7. Снять регулировочную характеристику IB = f(I) шунтового ГПТ (по А-I и АII) при UH = 12 B. При этом поддерживать UН = CONST при различной нагрузке,
изменяя сопротивление реостата RB. Данные для 5...7 значений нагрузки занести в
табл.1.
Таблица 1
Хар-ка
холостого хода
шунтового ГПТ
IB(A)
E(B)
Внешняя харка шунтового
ГПТ
I(A)
U(B)
Регулировочна
я хар-ка
шунтового
ГПТ
IB=f(I);U =
const
I(A)
IB(A)
8. Ползунки реостатов RВ и RH перевести на себя до упора. Отключить
нагрузку выключателем B-II. C помощью автомата АВ отключить двигательгенератор.
9. Переключатель В-I
установить в положение НВ (независимое
возбуждение) и снова запустить исследуемый двигатель-генератор.
10. Снять характеристику холостого хода Е = f(IB) ГПТ с независимым
возбуждением (аналогично п.5).
11, Включить выключатель нагрузки В-П и снять, внешнюю характеристику
U = f(I) ГПТ с независимым возбуждением при IB = const.
Значение тока возбуждения установить и поддерживать равным IВ в п.6 при Е = 13
В
12. По п.10,11 снять 5...7 различных показателей и полученные результаты
занести в табл.2.
9
13. Пo полученным данным табл.1 и табл.2 построить характеристики ГПТ с
независимым возбуждением и шунтового ГПТ с самовозбуждением.
Таблица 2
Хар-ка
холостого хода
ГПТ
Е = f(IB)
IB(А)
Е(В)
Внешняя хар-ка I(A)
ГПТ U= f(I);
IB = const
U(B)
5. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет по выполняемой работе должен содержать:
1) электрическую схему установки (рис.9);
2) табл.1 и 2 с результатами измерений;
3) графики характеристик ГПТ с самовозбуждением - холостого хода,
внешнюю и регулировочную;
4) графики характеристик генератора с независимым возбуждением
(холостого хода и внешнюю);
5) выводы по работе.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Пояснить принцип действия и назначение коллектора.
2. Как можно регулировать э.д.с. генератора?
3. Классификация МПТ по способу возбуждения.
4. Каковы особенности ГПТ с независимым возбуждением?
5. Пояснить принцип и условия самовозбуждения.
6. Каковы особенности внешней и регулировочной характеристик ГПТ с
параллельным возбуждением (шунтовых генераторов)?
7. Пояснить вид внешней характеристики и возможность регулирования
напряжения ГПТ с независимым возбуждением.
8. Объяснить, почему ГПТ с параллельным возбуждением не сможет
работать при неправильном присоединении обмотки возбуждения к якорю.
9. Написать формулу связи между э.д.с. и напряжением в режиме нагрузки
для шунтового генератора.
10
ЛИТЕРАТУРА
1. Немцов М. В. Электротехника и электроника. – М.: МЭИ. 2003.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.– М.: Высшая школа. 2000.
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Цель работы………………………………………………………………3
Общие теоретические положения……………………………………….3
Описание лабораторной установки……………………………………...7
Порядок выполнения работы…………………………………………….8
Требования к отчету……………………………………………………...10
Контрольные вопросы……………………………………………………10
Литература………………………………………………………………...11
11