Пояснения к лабораторной работе

Краткое описание лабораторной установки.

Исследуемые электрические машины находятся в центральной части лаборатории, между двумя проходами. Для удобства подключения, концы обмоток машин выведены на стенды, расположенные по краям лаборатории. На стендах, также, расположены электроизмерительные приборы, регулировочные и пусковые реостаты, клеммы питания, автоматические выключатели, другая аппаратура.

Вводная лабораторная работа выполняется на стендах "Генератор постоянного тока" и "Двигатель постоянного тока".

Пояснения к лабораторной работе.

Известно, что когда проводники пересекают силовые линии магнитного поля, в них наводится ЭДС, направление которой опре­деляется по известному правилу правой руки. В машине постоянного тока для создания такого поля предназначены главные полюсы, по обмотке которых течет постоянный ток возбуждения i_в Пересечение проводниками якорной обмотки магнитных силовых линий происходит при вращении якоря. Величина ЭДС обмотки якоря определяется по формуле:

(В.1)

где C - машинная постоянная, зависящая от конструкции обмотки и числа полюсов машины;

ω - частота вращения якоря, рад/с,

Ф - полезный поток одного из полюсов, Вб. (Полезным потоком называется основная часть потока полюса, наводящая ЭДС в проводниках якорной обмотки; другая часть - при­мерно 15-20 % от Ф - представляет собой поток рассеяния).

Из формулы (В.1) видно, что величина ЭДС данной машины зависит как от частоты ее вращения ω, так и от величины потока Ф, а, следовательно, от тока i_в, создающего этот поток. Для измене­ния направления ЭДС достаточно изменять направление вращения яко­ря или полярность полюсов (направление тока i_в).

Шунтовая обмотка возбуждения (ШОВ) может быть подсоединена либо к не­зависимому источнику питания (генератор независимого возбуждения – рисунок В.1), либо к выходным зажимам якоря (генератор параллельного возбуждения - рисунок В.2). Величина тока i_в регулируется с помощью реостата R_P.

Как известно из курса электротехники, магнитная цепь может быть охарак­теризована зависимостью потока от МДС Ф= f(F). Учитывая, что при неизменной частоте вращения ЭДС машины Е≡ Ф, а МДС F_в= I_вw_в≡ I_в, эта же зависимость в другом масштабе представ­ляет собой так называемую характеристику холостого хода (Х.Х.Х.) E₀=f(I_в), снимаемую при постоянной величине ω и токе якоря I_а=0 и являющуюся одной из основных характеристик генератора (рис. В.3.а). В начальной части характеристика прямолинейна, затем, по мере насыщения магнитной системы машины, начинает силь­нее отклоняться вправо.

Определить величину ЭДС генератора независимого возбужде­ния можно c помощью Х.Х.Х. задавшись любым значением i_в. При параллельном возбуждении такое определение становится более сложным: ток возбуждения зависит от напряжения на зажимах цепи ШОВ U_в, а оно, будучи на холостом ходе практически равным ЭДС Е₀, само зависит от тока i_в.

Если на одном графике изобразить Х.Х.Х. генератора параллельного воз­буждения и вольтамперную характеристику цепи ШОВ

(В.2)

(рис. В.3.а), где R_в - сопротивление вcей цепи ШОВ, то мы увидим, что первым необходимым условием самовозбуждения генератора являетcя нали­чие остаточной ЭДС Е_ост, обусловленной остаточным потоком глав­ных полюсов. Эта ЭДС создает ток в ШОВ

,

(В.3)

которому, согласно Х.Х.Х, соответствует, ЭДС Е > Е_ост. Эта ЭДС создает уже ток i_в большей величины и т.д. ЭДС генератора нарастает до тех пор, пока не достигнет величины Е₀=U_в (точка пересечения Х.Х.Х. и вольтамперной характеристики цепи ШОВ). Увеличение сопротивления R_в ведет к уменьшению установившегося значения напряжения на выходных зажимах генератора. На рисунке В.3.а показаны две вольтамперные характеристики цепи возбуждения, одна пересекает Х.Х.Х. в точке 1 и обеспечивает номинальное напряжение генератора, вторая – в точке 2, соответствующей напряжению, близкому к Е_ост.

Вторым необходимым условием самовозбуждения является пра­вильное включение ШОВ, т.е. такое включение, при котором создаваемый ею поток и остаточный поток были бы направлены в одну сторону. На рисунках В.3.б и В.3.в показаны (в увеличенной масштабе по сравнение с рис. В.3.а) часть Х.Х.Х и вольтамперной характеристики цепи ОВ в случаях, когда второе условие самовозбуждения не выполняется. В этом случае ЭДС в установившем­ся режиме оказывается меньше Е_ост.

Если к генератору подключить нагрузку, то по его якорной обмотке будет протекать ток I_а. Проводники с током, находящиеся в маг­нитном поле, испытывают так называемую электромагнитную силу, направление которой определяется по известному правилу левой ру­ки. Вместе все проводники создают суммарный электромагнитный момент:

.

(В.4)

В установившемся генераторном режиме электромагнитный мо­мент М является тормозным и уравновешивает вращающий момент М_в со стороны приводного двигателя.

При подключении к генератору нагрузки напряжение на его зажимах

,

(В.5)

где R_{а S} - сопротивление якорной цепи (внутреннее сопротив­ление источника электроэнергии), включающее в себя, в рассматриваемой схеме, сопротивление якорной обмотки и сопротивление добавочных полюсов

Е - ЭДС генератора.

На снижение напряжения при подключении нагрузки влияет, также, реакция якоря. Из-за ее действия при одном и том же значении i_в ЭДС генератора на холостом ходе Е₀ и ЭДС при нагрузке Е не равны между собой. Это явление рассматривается в [1] /Гл. 4/, [2] /Гл.5/ и на лекциях. Здесь отметим, что при правильной установке щёток (на так называемой геометрической нейтрали) у современных машин ре­акция якоря приводит к снижению полезного потока и ЭДС на несколь­ко процентов.

У генератора параллельного возбуждения к этим двум причинам снижения напряжения под нагрузкой прибав­ляется третья: с уменьшением напряжения U=U_в по закону Ома уменьшается и ток i_в, что, в свою очередь, ведет к дополнитель­ному снижению ЭДС и напряжения. Поэтому у генераторов параллельного воз­буждения напряжение с увеличением нагрузки уменьшается значительнее, чем у генераторов с независимым возбуждением.

В качестве двигателя постоянного тока используются машины, конст­руктивно не отличающиеся от генератора (схема двигателя с параллельным возбужде­нием представлена на рис. В.4).

При подключении обмоток якоря и возбуждения к источнику питания возникает электромагнитный момент (В.4), приводящий ротор маши­ны во вращение. Двигатель разгоняется, увеличивая частоту враще­ния ω до тех пор, пока вращающий электромагнитный момент М не сравняется с тормозным моментом М_в, обусловленным нагрузкой на его валу.

Из уравнения (В.5), которое при исследовании двигателя пред­почитают обычно записывать в несколько другом виде:

,

(В.6)

следует, что в первый момент пуска, когда ротор двигателя неподвижен, его ЭДС равна нулю, пусковой ток:

,

(В.7)

окажется слишком большим и приведет к недопустимому искрению на коллекторе и даже порче коллекторно-щёточного устройства, если не будет ограничен до допустимой величины. Для относительно мало­мощных машин, установленных в лаборатории, допустимая величина I_{а пуск} составляет 2-3 номинальных значения тока якоря I_ан; у мощных машин, например, гребных электродвигателей и двигателей траловых лебедок пусковой ток ограничивают величиной (1,5-1,8) I_ан.

При пуске двигателя от сети постоянного тока, когда U = const, ограничение I_{а пуск} осуществляется с помощью пускового реоста­та R_п, вводимого последовательно в цепь якоря (рис. В.4)

,

(В.8)

(т. к. пусковой реостат рассчитывается на кратковременное протекание по нему тока, сразу по окончании пуска он должен быть выведен).

При питании двигателя от отдельного источника, например, от специ­ального генератора, т.е. по схеме генератор-двигатель (Г-Д), для уменьшения пускового тока снижают напряжение на якоре двигателя, уменьшая для этой цели i_в независимой обмотки возбуждения генератора. В дальнейшем, по мере разгона ротора двигателя, ток возбуждения генератора постепенно увеличивают таким обра­зом, чтобы ток I_а при этом не превышал предельно допустимого значения. Если в системе Г-Д используется генератор с параллельным возбуждением (рис. В.5), ограничивать его ток возбуждения не требуется, т.к. самовозбуждение генератора происходит достаточно плавно.

Обычно стремятся произвести пуск двигателя как можно быстрее. Чтобы увеличить пусковой момент, магнитный поток Ф, как это следу­ет из (В.4), должен быть максимальным. Поэтому во время пуска реостат R_р в цепи возбуждения двигателя полностью выводится.