1603

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра электротехники и электрооборудования

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ЧАСТЬ 1

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов неэлектротехнических специальностей по дисциплине «Электротехника и электроника»

Новокузнецк

2010

УДК 621.34 (075) Э 25

Рецензент кандидат технических наук,

профессор кафедры автоматизированного электропривода и промышленной электроники СибГИУ

Мурышкин А.К.

Э25 Электрические машины. Машины постоянного тока. Ч.1 : метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т ; сост.: Р.Э. Живаго, В.А. Мыльников, О.А. Стрельцова. – Новокузнецк : СибГИУ, 2010. – 24 с. : ил.

Содержится описание конструкции, принцип действия электрических машин, порядок выполнения работы, таблицы для записи результатов измерений, контрольные вопросы для защиты лабораторных работ.

Предназначены для студентов неэлектрических специальностей всех форм обучения.

2

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

Назначение генератора – преобразование механической энергии в электрическую.

Генераторы независимого возбуждения применяются в качестве источников постоянного тока с изменением знака напряжения и его регулирования от нуля до номинальной величины.

Такие режимы работы генератора используются для реверсирования и регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока большой единичной мощности от 200 до 1300 кВт. Системы электроприводов, называемые системами Г-Д (генератор – двигатель), широко используются для привода прокатных станов, шахтных подъемов, карьерных экскаваторов, гребных винтов океанских лайнеров, автосамосвалов большой грузоподъемности, мощных бульдозеров, портальных кранов.

Цель работы – изучить назначение, конструкцию, принцип действия генератора, провести экспериментальные исследования и анализ его характеристик.

Конструкция и принцип действия машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из трех основных узлов: индуктора, якоря, щеточно-коллекторногоаппарата (рис.1).

На индукторе (неподвижная часть машины – часто именуемая ярмом) расположены основные (главные) и дополнительные (добавочные) полюса.

Основной полюс состоит из сердечника, набранного из отдельных листов электротехнической стали; обмотки (обмотка возбуждения) и полюсного наконечника. Его назначение – возбуждать неподвижное магнитное поле.

Добавочный полюс состоит из сердечника и обмотки. Его назначение – улучшение коммутации, уменьшение искрения под щетками и снижение реакции якоря.

3

1

3

5

2

4

9	6
8	7

Рис. 1.Устройство генератора:

1 – станина; 2 – сердечник главного полюса; 3 – обмотка возбуждения; 4 – дополнительный полюс; 5 – графитовые щетки; 6 – сердечник якоря; 7 – обмотка якоря; 8 – коллектор; 9 – вал якоря.

Коммутация есть процесс переключения витков обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, сопровождающейся изменением направления тока в коммутируемых секциях.

Реакция якоря – влияние магнитного поля якоря на основной магнитный поток.

Якорь (вращающаяся часть машины) состоит из вала, сердечника, набранного из отдельных листов электротехнической стали, обмотки, уложенной секциями на внешнем ободе якоря и коллектора.

Щеточно-коллекторный аппарат состоит из графитовых или медно-графитовых щеток, расположенных в щеткодержателях, прижимающихся к коллектору, и цилиндрического коллектора, набранного из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К каждой пластине коллектора припаяны проводники обмотки якоря. Щеточно-коллекторный аппарат осуществляет скользящий контакт с вращающейся обмоткой якоря и выполняет функцию механического выпрямителя переменной ЭДС обмотки якоря (в режиме генератора). Число щеток – четное и соответствует числу главных полюсов. Линия, разделяющая машину между северными и южными полюсами, называется геометрической нейтралью, именно на ней и устанавливаются щетки. Магнитная индукция в нейтральной зоне равна нулю, что улучшает процесс изменения направления тока в обмотках якоря при прохождении ими от полюса одной полярности к другому.

4

Характерной особенностью электрических машин постоянного тока является взаимная неподвижность основного поля и поля, возбуждаемого током якоря. Машины постоянного тока обратимы, т.е. могут работать в режиме генератора или двигателя.

Принцип действия: на обмотку главных полюсов подается постоянный ток, который возбуждает основное магнитное поле. Приводной двигатель вращает якорь генератора с постоянной скоростью, при этом в обмотке якоря индукцируется ЭДС (направление ЭДС определяется правилом правой руки). К обмотке якоря подключают внешнее электрическое сопротивление, которое является нагрузкой генератора. В образовавшейся цепи течет ток якоря, который взаимодействует с основным магнитным полем. Возникает электромагнитный тормозной момент, который направлен навстречу моменту приводного двигателя и уравновешивает его.

Характеристика холостого хода генератора (рис.2) представляет собой зависимость ЭДС генератора от величины и направления тока в обмотке возбуждения при неизменной частоте вращения якоря и разомкнутой цепи якоря: E=f(IВ), при n=const, Ia=0.

+ Е, В

I

IV

В

+ IВ, А

– IВ, А

II	F
III	– Е, В

Рис. 2. Характеристика холостого хода генератора

При росте тока возбуждения IВ, получают восходящую ветвь характеристики, участок IV, при снижении величины IВ, зависимость характеризуется участком I кривой. Изменение направления тока возбуждения меняет знак ЭДС якоря, о чем свидетельствуют участки кривых II и III, расположенные в зоне отрицательных значений тока и ЭДС. Величина ЭДС определяется выражением:

(

,

1)

5

где Ф – магнитный поток, создаваемый током возбуждения (Вб); n – частота вращения якоря (об/мин);

СЕ – конструктивная постоянная машины.

Точки пересечения кривой холостого хода с осью ординат (B, F) характеризуют величину остаточной намагниченности магнитной системы генератора.

Внешняя характеристика генератора (рис.3) есть зависимость напряжения на якоре (U) от тока якоря (Ia) при неизменных значениях частоты вращения и тока возбуждения: U=f(Ia) при n=const, IВ=const.

U, В
UO
Uном
	Ia , А
О	Iном
Рис. 3. Внешняя характеристика генератора

Связь между напряжением на якоре генератора (или на нагрузке) характеризуется выражением:

(2

)

где RA – сопротивление якоря генератора.

Уменьшение напряжения на якоре U происходит по двум причи-

нам:

1.С ростом тока якоря Ia увеличивается падение напряжения на якоре ;

2.Уменьшается ЭДС якоря E благодаря размагничивающему действию, оказываемому током якоря на основное поле машины (реакция якоря).

Порядок выполнения лабораторной работы

На рис. 4 приведена электрическая схема генератора независимого возбуждения. Якорь приводится во вращение трехфазным асин-

6

хронным двигателем (АД). Обмотка возбуждения (ОВ) генератора питается от независимого источника постоянного тока (+ -). Нагрузкой генератора является регулируемое сопротивление R1, включенное в цепь якоря. Регулирующее сопротивление R2 в цепи возбуждения питается от двух выпрямителей, что позволяет изменять не только величину, но и направление тока возбуждения. Переключатели SA-6 и SA-7 регулируют величину сопротивлений R1 и R2. PA-4– амперметр, измеряет ток возбуждения IВ. PV- 4 – вольтметр измеряет ЭДС якоря Е, или напряжения на нагрузке U. PA-5 – амперметр измеряет ток якоря Ia.

380 B

А

В AD

С

РA-5

SA-6

			R1		5
Г РV-4
					4
					3
					2
					1
					0

OB РA--4

SA-7

	R2		5
			4
	+(−)		3
			2
	−(+)		1
			0

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема

Подготовка стенда к работе:

1.Установить переключатели (командоконтроллеры) SA-1, SA- 6, SA-7, SA-2 в нулевое положение.

2.Включить автоматические выключатели QF-1, QF-5.

3.Кнопкой «пуск» SB-2 осуществить запуск электромашинного агрегата. Наличие напряжения и запуск агрегата контролировать сигнальной лампой EL-1, вольтметром PV-1 и тахометром PC.

4.Разгон агрегата заканчивается переключением ротора асинхронного двигателя в режим короткого замыкания. Это осуществля-

7

ется переводом переключателя SA-2 во второе положение. Нормальным режимом работы агрегата при холостом ходе генератора считается режим, когда потребляемая мощность не превышает 880 Вт (прибор PW).

5. В случае отклонения от нормальных показаний приборов агрегат следует отключить от сети нажатием кнопки «стоп» (SB-1).

Выполнение работы:

1. Снять опытные данные характеристики холостого хода. Установить переключатель SA-7 в крайнее правое (пятое) поло-

жение и зафиксировать значения E и IВ, по показаниям приборов PV- 4, PA-4.

Поочередно переводя переключатель SA-7 от крайнего до среднего (нулевого) положения зафиксировать показания приборов в таблицу 1.

Переводя переключатель SA-7 от среднего (нулевого) до крайнего левого положения зафиксировать показания приборов.

Повторить операции с переключателем SA-7 переводя его от крайнего левого до среднего (нулевого) и крайнего правого положений.

Таблица 1 Опытные данные характеристики холостого хода

№

Поло-

+

+I

Поло-

-

-

Поло-

-

-

Поло-

+

I

опы

жение

E

В

жение

E

I

жение

E

I

жение

E

В

та

SA-7

В

А

SA-7

В

В

SA-7

В

В

SA-7

В

А

А

А

1

+5

-1

-5

+1

2

+4

-2

-4

+2

3

+3

-3

-3

+3

4

+2

-4

-2

+4

5

+1

-5

-1

+5

6

0

0

2. Снять опытные данные для внешней характеристики Установить переключатель SA-7 в крайнее правое положение

(пятое), а переключатель SA-6 в нулевое (центральное) положение. Поочередно переводя переключатель SA-6 от нулевого до край-

него правого (пятого) положения зафиксировать значения напряжения и тока якоря по показаниям приборов PV-4 и PA-5 в табл. 2.

8

Таблица 2 Опытные данные внешней характеристики генератора

№ опыта	Положение SA-6	U, В	Ia, А
1	0
2	1
3	2
4	3
5	4
6	5

Обработка экспериментальных данных

1.Построить по опытным данным табл. 1 характеристику холостого хода генератора (см. рис.1).

2.Построить по опытным данным табл. 2 внешнюю характеристику генератора (см. рис.2). Из характеристики определить относительную потерю напряжения по формуле:

(3)

Где значение UНОМ находят из внешней характеристики при номинальном токе IНОМ=5А.

Контрольные вопросы

1.Устройство генератора постоянного тока?

2.Принцип действия генератора постоянного тока независимого возбуждения?

3.Как связано напряжение на зажимах якоря с ЭДС, индуктируемой в якоре?

4.Как влияет изменение направления тока в обмотке возбуждения на ЭДС?

5.По каким причинам падает напряжение на якоре при увеличении тока якоря?

6.Назначение щеточно-коллекторного аппарата?

7.Что такое реакция якоря?

8.Назовите характерные точки на характеристике холостого хода генератора, объясните их расположение.

9

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

Для генераторов параллельного возбуждения не требуется отдельный источник питания обмотки возбуждения. В этих машинах напряжение на якоре регулируется без изменения его знака.

Применение последовательной обмотки возбуждения наряду с параллельной в генераторах обеспечивает практическое постоянство напряжения при изменении нагрузки от нуля до номинальной. Несмотря на широкое развитие полупроводниковых выпрямителей такие генераторы применяются для электросварки ответственных конструкций, в качестве источника для зарядки аккумуляторов, для питания потребителей постоянного тока в полевых условиях, где отсутствуют линии электропередач или другие источники энергии для возбуждения генератора.

Цель работы – изучить назначение, конструкцию и принцип действия генератора, провести экспериментальные исследования и анализ его характеристик.

Конструкция и принцип действия генератора постоянного тока

Конструктивно генератор постоянного тока с параллельным возбуждением аналогичен генератору с независимым возбуждением. Отличие состоит в способе подключения обмотки возбуждения. В данном генераторе обмотка возбуждения подключается параллельно якорю.

Генератор параллельного возбуждения самовозбуждается без нагрузки в цепи якоря – при холостом ходе. Для его самовозбуждения необходимо выполнение следующих условий:

−Наличие остаточного магнитного потока;

−Совпадение направлений возбуждаемого и остаточного пото-

ков;

− Величина сопротивления обмотки возбуждения не должна превышать критическую.

10