Тема: «Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением».

Цель: Сформировать умение определять характеристики и свойства генератора постоянного тока опытным путем.

По окончании выполнения лабораторной работы студент должен

знать:

- классификацию, устройство, принцип действия и технические характеристики генераторов постоянного тока;

- условия и процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока параллельного возбуждения;

- правила безопасной эксплуатации;

уметь:

- экспериментально определять характеристики машин постоянного тока.

 

Основные теоретические положения:

 

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора – механическо­го преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непре­рывный процесс электромеханического преобразо­вания энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рисунке 48 изобра­жена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора – якорь, вал кото­рого посредством шкива и ременной передачи меха­нически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) – источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря распо­ложена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолирован­ным друг от друга полукольцам, образующим про­стейший коллектор. На поверхность коллектора на­ложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротив­лением R .

Предположим, что приводной двигатель враща­ет якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное зна­чение которой , а направление для положе­ния якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

 

 

Рисунок 48 – Упрощенная модель коллекторной машины

 

В процессе работы генератора якорь вращается и виток a,b,c,d занимает разное пространственное по­ложение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, пока­занном на рисунке 48, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В  отрицательной. После поворота якоря на 180⁰ (рисунок 49, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а, следовательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рисунок 49, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположен­ным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным под юж­ным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослаб­ится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их рав­номерном распределении по поверхности якоря и соответствую­щем увеличении числа пластин в коллекторе.

 

Рисунок 49 – К принципу действия генератора постоянного тока:

__________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

               _ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

 

В настоящее время электромашиностроительные заводы изго­товляют электрические машины постоянного тока, предназначен­ные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конст­рукцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть — якорем (рисунок 50).

 

 

Рисунок 50 – Устройство машины постоянного тока

 

Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Ста­нина 6 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали – ма­териала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 4. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключе­нием машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и мон­таж машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердеч­ника 6 и полюсной катушки 5. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспе­чивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1-2 мм или из тон­колистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вих­ревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницае­мостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницае­мость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавоч­ных полюсов.

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными – намоткой медного обмоточно­го провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рисунок 51, а). В боль­шинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рисунок 51, б). В некоторых конструкциях машин полюсную ка­тушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока (рисунок 50) состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 7. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штам­пованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Лис­ты покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или пря­моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

1 – станина, 2 – сердечник полюса, 3 – полюсная катушка.

 

Рисунок 51 – Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) по­люсными катушками

Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, соб­ранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндриче­скую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе. На рисунке 52, а показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами. Ниж­няя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хво­ста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются за­жатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолированными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щет­ками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пласти­нами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рисунок 52, б). Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рисунок 52, а), называе­мая петушком, имеет узкий продольный паз, в который заклады­вают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.

Рисунок 52 – Устройство коллектора с конусными шайбами

 

В машинах постоянного тока малой мощности часто приме­няют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в из­готовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком кол­лекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространст­во между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллек­тора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рисунок 53). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит замыкание пла­стин стальными (армирующими) кольцами 3.

Электрический контакт с коллектором осуществляется по­средством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4 (см. рисунок 50).

Щеткодержатель (рисунок 54) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержа­тель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тро­сиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сбор­ными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из ос­новных условий бесперебойной работы машины – плотный и на­дежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим – искрение на коллекторе.

Рисунок 53 – Устройство коллектора на пластмассе

 

Рисунок 54 – Щеткодержатель (сдвоенный)

 машины постоянного тока

 

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 (со стороны коллектора) и задний 7 (см. рисунок 50). В центральной части щита имеется рас­точка под подшипник. На переднем подшипниковом щите име­ется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 8 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллектор­ной машины постоянного тока следует, что непременным элемен­том этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел – механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асин­хронной машине) в надежности и имеют более высокую стои­мость.

Порядок выполнения работы:

1. Выполнить задание лабораторной работы.

2. Составить отчет.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Ход работы:

Состав электрической схемы стенда (рисунок 55):

G1 – трехфазный источник питания;

G2 – источник питания двигателя постоянного тока;

G3 – возбудитель синхронной машины;

G4 – машина постоянного тока;

G5 – преобразователь угловых перемещений;

М1 – машина переменного тока;

А2 – трехфазная трансформаторная групп;

А6, А8 – трехполюсный выключатель;

А9 – реостат для цепи ротора машины переменного тока;

А10 – активная нагрузка;

А11 – реостат возбуждения машины постоянного тока;

А13 – реостат;

Р1 – блок мультиметров;

Р3 – указатель частоты вращения.

Источник G1 – источник синусоидального напряжения промышленной частоты.

Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания регулируемым напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока G4, работающей в режиме генератора с независимым возбуждением.

Активная нагрузка А10 используется для нагружения генератора G4.

Возбудитель G3 служит для питания обмотки возбуждения машины переменного тока М1, работающей в режиме синхронного двигателя.

Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р3 электромашинного агрегата.

Машина (синхронный двигатель) М1 получает питание от источника G1 через трехфазную трансформаторную группу А2 и выключатель А6 и позволяет снимать требуемые характеристики генератора G4 при постоянстве частоты вращения n.

Реостат А9 выполняет роль резистора синхронизации и подключается выключателем А8 к обмотке возбуждения синхронного двигателя М1 на этапе пуска последнего.

Реостат А11 ограничивает ток в цепи возбуждения генератора постоянного тока G4.

Реостат А13 повышает дискретность изменения тока возбуждения генератора G4.

С помощью мультиметров блока Р1 контролируются ток возбуждения I_f, ток I и напряжение U якорной обмотки испытуемого генератора G4.

 

 

Рисунок 55 – Электрическая схема соединений

 

Задание.

 

- Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

- Соберите электрическую схему соединений тепловой защиты машины переменного тока.

- Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.

- Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений        (рисунок 55).

- Переключатели режима работы источника G2, возбудителя G3 и выключателей А6 и А8 установите в положение "РУЧН.".

- Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

- Регулировочные рукоятки активной нагрузки А10 установите в положение "0".

- В трехфазной трансформаторной группе А2 установите номинальное напряжение вторичных обмоток трансформаторов равным 230 В.

- Установите в каждой фазе реостата А3 сопротивление 8 Ом.

- Включите выключатель «СЕТЬ» выключателей А6 и А8, блока мультиметров Р1, указателя частоты вращения Р3.

- Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

- Включите выключатель А8 кнопкой «ВКЛ».

- Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

- Включите выключатель «СЕТЬ» возбудителя G3 и, вращая его регулировочную рукоятку, установите на его выходе напряжение равным 20 В.

- Включите выключатель А6 кнопкой «ВКЛ». При этом двигатель М1 должен начать вращаться.

- Нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3. Двигатель М1 при этом должен перейти из асинхронного в синхронный режим работы с сетью. Частота его вращения n должна достичь 1500 мин^-1.

- Отключите выключатель А8 кнопкой «ОТКЛ».

- Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

- Вращая регулировочную рукоятку источника G2, установите и поддерживайте неизменным в ходе эксперимента ток возбуждения I_f , равным, например, 0,1 А.

- Перемещая регулировочные рукоятки нагрузки А10, изменяйте ток I якорной обмотки генератора G4 и заносите показания амперметра Р1.1 (ток I) и вольтметра Р1.2 (напряжение U якорной обмотки генератора G4) в таблицу 16.

 

Таблица 16 – Результаты измерений

 

I, A
U, B

 

- Верните регулировочные рукоятки активной нагрузки А10 в положение "0".

- Установите путем регулирования тока возбуждения I_f  напряжение U якорной обмотки генератора G4, равным, например, 140 В.

- Перемещая регулировочные рукоятки активной нагрузки А10 по часовой стрелке и поддерживая путем регулирования тока возбуждения I_f напряжение U якорной обмотки неизменным и равным 140 В, изменяйте ток I якорной обмотки генератора G4 и заносите показания амперметров Р1.1 (ток I) и Р1.3 (ток I_f) в таблицу 17.

 

Таблица 17 – Результаты измерений

 

I, A
If, А

 

- Меняя положение регулировочных рукояток активной нагрузки А10 и поддерживая путем регулирования тока возбуждения I_f ток I якорной обмотки неизменным и равным, например, 0,15 А, изменяйте напряжение U якорной обмотки генератора G4 и заносите показания вольтметра Р1.2 (напряжение U) и амперметра Р1.3 (ток I_f) в таблицу 18.

 

Таблица 18 – Результаты измерений

 

If, А
U, В

 

- По завершении эксперимента у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора, нажмите кнопку "ОТКЛ." и отключите выключатель "СЕТЬ". Отключите выключатель А6 нажатием кнопки "ОТКЛ.". Отключите источник G1 нажатием на кнопку – гриб, и последующим отключением ключа – выключателя. Отключите выключатель "СЕТЬ" возбудителя G3, выключателей А6 и А8, блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.

- Используя данные таблиц 14-16 постройте:

- внешнюю характеристику U = f ( I ) при n = const, I_f = const (таблица 16);

- регулировочную характеристику I_f = f ( I ) при n = const, U = const (таблица 17);

- нагрузочную характеристику U = f ( I_f ) при n = const, I = const (таблица 18).

 

Контрольные вопросы:

1. Какими уравнениями описывается рабочий процесс генератора?

2. При каких условиях происходит самовозбуждения генератора постоянного тока (ГПТ)?

3. Чем и почему отличается по конструкции последовательная и параллельная обмотка возбуждения?

4. Почему внешняя характеристика ГПТ независимого возбуждения более жесткая, чем генератора параллельного возбуждения?

5. Почему при встречном включении обмоток возбуждения ГПТ смешанного возбуждения при увеличении нагрузки резко падает напряжение?

6. Почему генераторы последовательного возбуждения практически не используются?

 

 

Лабораторная работа №10

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: