Основные теоретические положения

 

Генератор состоит из двух основных частей: неподвижного статора, предназначенного для создания основного магнитного поля машины, и вращающегося якоря, где происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую.

Основой статора является станина - полый цилиндр отлитый из чугуна или стали (рис. 8).  К внутренней поверхности  станины  болтами  крепятся сер-

дечники главных полюсов. На сердечники надеты катушки из изолированной медной проволоки, соединенные электрически между собой и составляющие обмотку возбуждения. Якорь представляет собой стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали и надетый на вал генератора. На наружной поверхности якоря имеются пазы, в которых размещается обмотка якоря, присоединенная к коллектору. Коллектор вместе с прижимаемыми к нему неподвижными медно-графитовыми щетками выполняет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную ЭДС на щетках, с которыми связана внешняя цепь нагрузки.

В исследуемом генераторе обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены параллельно. Поэтому такой генератор иногда называется генератором с самовозбуждением, поскольку наводимая в обмотке якоря ЭДС вызывает ток в обмотке возбуждения.

При прохождении постоянного тока по обмотке возбуждения создается (возбуждается) основное постоянное магнитное поле, характеризуемое магнитным потоком f. При приведении якоря во вращение с частотой n привода его обмотки будут вращаться (перемещаться) в созданном магнитном поле то под северным N, то под южным S  полюсом, вследствие чего в обмотке якоря будет наводиться переменная ЭДС, которая при помощи коллектора и щеток выпрямляется:

Е = С_е×n×f,                                              (1)

где С_е - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров

         генератора;

     Из формулы (1) следует, что величина ЭДС Е, наводимая в обмотке якоря, зависит от величины магнитного потока f главных полюсов, который в свою очередь пропорционален току обмотки возбуждения  I. Зависимость Е=f(I_В), снятая при отключенной внешней цепи генератора (ток нагрузки I=0) и при постоянной частоте вращения якоря (n = const), называется характеристикой холостого хода (сокращенно – х.х.х.) и имеет вид, показанный на рис.9.

Даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения (I_В = 0) во вращающейся обмотке якоря наводится небольшая по величине начальная ЭДС Е_ОСТ за счет наличия остаточного магнитного поля в стали магнитной системы генератора. Затем, пока нет магнитного насыщения стали магнитопровода, ЭДС Е якоря возрастает почти прямо пропорционально с увеличением тока возбуждения I_В, но по мере насыщения стали ее рост замедляется. Кривая зависимости Е = f(I_В), соответствующая возрастающему току возбуждения, лежит ниже кривой для убывающего тока. Это объясняется явлением гистерезиса магнитной

Рис. 8. Устройство генератора

 

Рис. 9. Характеристика              Рис. 10. Внешняя характеристика

     холостого                         генератора

хода

 

системы генератора, имеющей стальной магнитопровод. За практическую х.х.х. может быть принята линия, показанная на рисунке пунктиром. Характеристика холостого хода имеет такой же вид, что и кривая намагниченной стали, и позволяет судить о магнитных свойствах генератора. Обычно рабочая точка генератора лежит на колене (перегибе) кривой х.х.х. В этом случае при небольшом колебании величины номинального тока возбуждения I_В из-за каких-либо причин напряжение генератора изменяется незначительно.

Для электрической цепи (рис.11), содержащей обмотку якоря и нагрузку генератора R_Н может быть записано следующее уравнение электрического состояния, вытекающее из 2-го закона Кирхгофа:

U = E – I_Я × R_Я = Е – (I + I_В) × R_Я,

где I - ток внешней цепи или нагрузки;

I_В  - ток возбуждения (обычно составляет несколько процентов от тока якоря);

I_Я - ток якоря;

R_Я  - сопротивление цепи якоря;

U=I×R_Н - напряжение на зажимах генератора или на нагрузке.

Уравнение (2) позволяет нам провести анализ одной из важнейших характеристик генератора - внешней характеристики (рис. 10), которая представляет собой зависимость напряжения U  на зажимах генератора от тока нагрузки  I, т.е. U = f (I), при условии постоянства сопротивления цепи обмотки возбуждения (R_В = R_ав ¸ R_RВ=const) и частоты вращения якоря (n=const).

Присоединение к генератору нагрузки вызывает заметное увеличение тока якоря I_Я = I + I_В, который возбуждает сам соответствующее магнитное поле якоря. Последнее влияет на основное магнитное поле главных полюсов и вызывает ослабление его воздействия на обмотку якоря, в результате чего ЭДС Е генератора уменьшается (1), что снижает и величину напряжения U (2).

При возрастании тока нагрузки I, а следовательно, и тока якоря I_Я, увеличивается величина падения напряжения в цепи обмотки якоря  I_Я×R_Я, что также приводит к дополнительному снижению напряжения генератора U (2).

Уменьшение напряжения U  на зажимах генератора от указанных выше двух причин вызывает, в свою очередь, снижение тока возбуждения I_В= U: R_В в параллельно присоединенной цепи обмотки возбуждения. Снижение тока I_В приводит к уменьшению величины магнитного потока f главных полюсов, а, следовательно, и к уменьшению наводимой ЭДС Е (1), что еще больше снижает величину напряжения  U.

Таким образом, увеличение тока нагрузки I генератора параллельного возбуждения сопровождается заметным снижением напряжения U  на его зажимах. Поэтому такой генератор можно нагружать током до известного предела, до так называемого критического тока нагрузки I_КР (рис. 10). Дальнейшее уменьшение сопротивления внешней цепи R_H вызывает быстрое снижение напряжения  U вплоть до нуля и установление в цепи нагрузки тока короткого замыкания I_КЗ = Е_ОСТ.: R_Я.

 

Порядок выполнения работы

         

1. Ознакомиться с устройством генератора и записать его паспортные данные.

2. Собрать схему для испытания генератора, изображенную на рис.11, и предъявить ее для проверки преподавателю.

Рис. 11. Схема установки для испытания генератора постоянного

тока параллельного возбуждения

 

3. Разомкнув предварительно выключатели Р₁ и Р₂  , включить в работу выключателем АВ асинхронный электродвигатель, который подает механическую мощность на генератор и приводит якорь во вращение с постоянной скоростью.

4. Снять характеристику холостого хода генератора Е = f (I_В) для чего:

     а) при разомкнутых выключателях Р₁ и Р₂ записать в табл. 8 значение тока возбуждения I_В  (показание амперметра А₁) и значение ЭДС Е_ОСТ (показание вольтметра V);

     б) замкнуть выключателем Р₁ цепь обмотки возбуждения ОВ и, перемещая ручку регулирующего реостата R_РB, ступенями только увеличивать ток возбуждения I_В от нуля до наибольшего значения  I_{В MAX}, при котором напряжение на зажимах генератора достигнет величины U_O = 1,2U_H. Записать в табл. 8 6-8 значений тока I_В и соответствующие им величины ЭДС Е;

     в) не производя переключений в схеме, с помощью реостата R_PB только уменьшать ток возбуждения I_В от значения I_{В MAX} до нуля (разомкнуть выключатель Р₁). Также записать в табл. 8 6-8 значений тока I_В и ЭДС Е, соответствующие уже размагничиванию магнитной системы генератора;

 

Таблица 8

I = 0;  n = const

 

	1	2	3	4	5	6	7	8
IВ, А от 0 до IВ MAX
Е, В
IВ, А от IВ MAX до 0
Е, В

 

     г) по полученным данным (табл. 8) в масштабе построить характеристику холостого хода генератора (см. рис. 9).

6. Снять внешнюю характеристику генератора U = f (I),  для чего:

     а) не отключая установку при замкнутом выключателе Р₁  установить с помощью реостата R_PB такой ток возбуждения I_В, чтобы напряжение на зажимах генератора стало U_O = 1,2U_H  при I = 0, и записать показания амперметра А₂  и вольтметра V  в табл. 9.

В дальнейшем реостат не трогать!

     б) замкнуть выключателем Р₂ цепь нагрузки генератора и, уменьшая ступенями величину сопротивления нагрузки R_H, увеличивать ток нагрузки  I  от нуля до  I_H. Снять и записать в табл. 9 6-8 значений тока I и напряжения U.

 

Таблица 9

R_B = const; n = const

 

I, А
U, В
P, Вт

     в) по данным (табл. 9) построить в масштабе внешнюю характеристику генератора (см. рис. 10);

     г) рассчитать величину электрической мощности Р, отдаваемой генератором нагрузке, и записать ее значения в табл. 9.

7) По результатам работы сделать выводы:

     а) о полученной характеристике холостого хода генератора;

     б) о внешней характеристике генератора.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Какие электрические машины называются генераторами?

2. Каково устройство и назначение основных частей генератора постоянного тока?

3. От чего зависит величина ЭДС генератора постоянного тока?

4. Что называется характеристикой холостого хода генератора и как она снимается?

5. Объясните возникновение ЭДС Е_ОСТ в генераторе при отключенной обмотке возбуждения?

6. Каково назначение регулировочного реостата R_Р.В. в цепи обмотки возбуждения генератора?

7. Как и почему влияет на величину ЭДС генератора ток обмотки возбуждения?

8. Объясните причины снижения напряжения на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки?

9. Почему с увеличением тока нагрузки уменьшается ток обмотки возбуждения генератора?

10. Почему исследуемый генератор называется генератором параллельного возбуждения или самовозбуждением?

11. Как можно определить величину сопротивления нагрузки R_H?

12. Расскажите об электрической схеме лабораторной установки.

 

 

Лабораторная работа №11

Испытание схемы управления и защиты электродвигателя

 

Цель работы: изучить устройство и работу схемы управления и защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; произвести испытание магнитного пускателя и теплового реле.