Лабораторна робота № 5

ВИПРОБУВАННЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ПАРАЛЕЛЬНИМ ЗБУДЖЕННЯМ

Мета роботи - ознайомитися з пристроєм генератора постійного струму, його паспортними даними; навчитися визначати основні характеристики генератора постійного струму.

Основні теоретичні відомості

Електрична машина постійного струму зворотної дії може працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Вона складається із статора і ротора.

Статор машини постійного струму служить для створення постійного магнітного поля й називається індуктором. Він являє собою сталевий циліндр, з внутрішньої сторони якого укріплені полюси з обмотками збудження. При пропусканні по цих обмотках струму, що називається струмом збудження, у міжполюсному просторі виникає магнітний потік.

Ротор машини, котрий називається якорем, виконаний у вигляді сталевого циліндра, набраного з ізольованих тонких листів електротехнічної сталі з пазами, в які укладена обмотка якоря. Остання складається із секцій, сполучених таким чином, що вони утворюють замкнутий ланцюг.

На одному валу з якорем укріплений колектор у формі циліндра, котрий складається з ізольованих один від одного і від вала мідних пластин. До кожної пластини приєднаний кінець однієї секції й початок наступної за нею секції обмотки якоря.

Під час обертання якоря по колектору ковзають мідно-графітні щітки, забезпечуючи електричний контакт із зовнішнім електричним ланцюгом.

Якщо через обмотки збудження пропускати струм від стороннього джерела живлення (генератор із зовнішнім збудженням) або від якоря тієї ж машини (генератор із самозбудженням), то магнітний потік збудження Ф перетинається провідниками обмотки якоря, і в них індукується змінна ЕРС, яка за допомогою колектора підключається до зовнішнього електричного ланцюга завжди однією і тією ж полярністю, тобто колектор машини перетворює змінну ЕРС на однополярну

Е=С_еnФ,

де С_е - конструктивна постійна машини; n - частота обертання якоря.

За способом з’єднання обмоток якоря і збудження розрізняють машини паралельного, послідовного й змішаного збуджень. Схема з’єднання обмоток якоря й генератора паралельного збудження показана на рис.5.1. ЕРС створює на затисках генератора напругу (різниця потенціалів) U, яка має той же напрям, що і ЕРС (Е).

При замиканні зовнішнього ланцюга генератора на навантаження (режим навантаження) по ланцюгу якоря протікає струм І_я, створюючи в ньому падіння напруги: І_яR_Я. Тоді напруга на затисках генератора

U=Е-І_яR_я,

де R_я - опір ланцюга якоря.

При розімкненому зовнішньому ланцюзі генератора (холостий хід) напруга на його затисках: U_х = Е.

Генератор паралельного збудження (шунтовий генератор) запускається при розімкненому зовнішньому ланцюзі (холостий хід) і при повністю введеному реостаті збудження R_в.

У початковий момент у ланцюзі генератора струму немає, а отже, немає і потоку Ф, створюваного обмоткою збудження.

Проте в магнітопроводі машини звичайно існує невеликий потік залишкового намагнічування Ф_ост, при перетині якого витками обмотки якоря в ній індукується ЕРС

Е_ост=С_еn ∙ n∙ Ф_ост.

ЕРС Еоствикликає в обмотці струм збудження І_з, що створює свій потік. Якщо він спрямований у той же бік, що і потік залишкового намагнічування, загальний потік збудження Ф збільшується, що, у свою чергу, приводить до збільшення струму збудження, магнітного струму і т.д. Цей процес називається самозбудженням генератора. Отже, необхідними умовами самозбудження є наявність у магнітопроводі генератора залишкового потоку намагнічування; збіг напряму магнітного потоку, створюваного струмом збудження, з напрямом потоку залишкового намагнічування.

Значення ЕРС, до якого збудиться генератор, визначається опором ланцюга збудження, установлюваного за допомогою реостата R_в.

При зменшенні опору реостата струм у ланцюзі збудження збільшується, що приводить до збільшення магнітного потоку і напруги на затисках генератора.

Залежність Е=Ux=f(І_з) за відсутності навантаження і при постійній частоті обертання (n= Const) називається характеристикою холостого ходу генератора (рис.5.2, а).

За допомогою зовнішньої характеристики можна визначити відносну зміну напруги при зміні навантаження, %

.

У генераторі постійного струму з паралельним збудженням є можливість підтримувати напругу на його затисках постійною, не залежною від величини навантаження.

Для цього одночасно із зміною струму навантаження необхідно змінювати за допомогою реостата збудження R_в струм збудження І_з, а отже, і потік Ф, і ЕРС якоря Е.

Залежність І_з=f(І_н) при постійних значеннях напруги на затисках генератора U і частота обертання якоря n називається регулювальною характеристикою. Зразковий її вигляд зображений на рис.5.2, в.

При підключенні до затисків генератора опору навантаження R_H по ньому потече струм навантаження: І_Н=U/R_н.

Струм якоря при цьому становить І_я=І_Н+І_з. Із збільшенням струму якоря падіння напруги на його обмотці І_яR_Я збільшиться, що приведе до зменшення напруги на його затисках: U=Е-І_яR_Я.

Зменшення напруги U при постійному опорі ланцюга збудження R_в приведе до зменшення струму збудження і, отже, потоку Ф. У результаті напруга на затисках генератора різко зменшується із зростанням струму навантаження.

Залежність U=f(І_Н) при незмінних значеннях опору в ланцюзі збудження R_в і швидкості обертання якоря n називається зовнішньою (навантаження) характеристикою. Зразковий її вигляд показаний на рис.5.2, б.

У пристроях, котрі вимагають постійності вихідної напруги при навантаженні, що часто змінюється, застосовуються генератори із змішаним збудженням.

У цих машинах, крім основної паралельної обмотки збудження, існує інша обмотка з невеликою кількістю витків, яка включається послідовно з навантаженням. При збільшенні струму навантаження зростає струм і в послідовній обмотці збудження, завдяки чому сумарний магнітний потік дещо підвищується, тим самим збільшуючи індуковану ЕРС. Цим частково компенсується падіння напруги в ланцюзі якоря.

Опис лабораторної установки

Випробовувана установка складається з генератора постійного струму із зовнішнім збудженням, обертання якого здійснюється асинхронним двигуном. Електрична схема установки показана на рис.5.1. Вольтметр V вимірює напругу на затисках генератора, амперметри А_в, А_н - струм у ланцюзі відповідно обмоток збудження і навантаження.

Струм навантаження змінюється залежно від зміни опору навантаження R_н перемикачем П₂, струм збудження - за допомогою реостата R_в, що включається послідовно з обмоткою збудження перемикачем П₃. Асинхронний двигун запускається автоматом увімкнення П₁.

Порядок виконання роботи

1.Ознайомитися з елементами електричної схеми випробовуваної установки. Записати паспортні дані генератора, визначити ціну поділки електровимірювальних приладів.

2.Зняти характеристику Х.Х. генератора: Е=f(І_в) при І_Н = 0; n=const. Для цього вимкнути навантаження (перемикач П₂ перевести в крайнє ліве положення), розімкнути ланцюг збудження (перемикач П₃ вимкнений), движком реостата збудження R_в установити його максимальне значення і перемикачем П₁ запустити привідний асинхронний двигун.

Записати показання вольтметра на затисках генератора при струмі збудження І_з=0 у табл. 5.1. Це буде перша точка висхідної гілки характеристики холостого ходу.

Таблиця 5.1

Поступово зменшуючи величину опору реостата R_в до нуля R_в = 0, записати в табл.5.1 струм збудження й напругу холостого ходу генератора U_х = Е через інтервали, рівні 15.., 20 В.

Зняти ту ж характеристику у зворотному напрямі, знижуючи ЕРС якоря ступенями по 15...20 В до максимального опору реостата R_в.

Примітка. При знятті як висхідної, так і низхідної гілки характеристики холостого ходу струм збудження повинен змінюватися в одному і тому ж напрямі, а саме: на висхідній гілці - в бік збільшення, а на низхідній - у бік зниження. Якщо випадково движок реостата R_в буде переведений далі, ніж це необхідно, для отримання ступеня ЕРС, рівного 15-20 В, слід записати цю точку, яка вийшла, але у жодному випадку не пересувати движок реостата в зворотному напрямі.

3. Зняти зовнішню характеристику генератора: U=f(І_н) при R_в=const. Для цього при розімкненому зовнішньому ланцюзі (І_н = 0) порушити генератор до максимально можливої напруги (R_в = 0) і ступенями (за допомогою перемикача П₂) збільшувати струм навантаження, записуючи при цьому відповідне кожному струму навантаження напруги генератора.

Дані вимірювань занести в табл.5.2.

4. Зняти регулювальну характеристику генератора: І_в = f(І_н) при n=const; U=const. Для цього при холостому ходу генератора встановити движок реостата R_в в середнє положення. Напругу генератора встановлює викладач.

Таблиця 5.2

Збільшуючи ступенями струм навантаження за допомогою перемикача П_2, установлювати кожного разу первинне значення вихідної напруги збільшенням струму збудження. Дані вимірювань занести в табл.5.3.

Таблиця 5.3

Обробка результатів вимірювань

1. Використовуючи дані табл.5.1. - 5.3. викреслити (в масштабі) характеристики холостого ходу, зовнішню й регулювальну.

2. За даними зовнішньої характеристики обчислити відносну зміну напруги генератора для кожного струму навантаження .

Контрольні запитання

1. Як улаштований генератор постійного струму?

2. Як відбувається процес самозбудження генератора?

3. Як регулюється напруга генератора?

4. У чому полягає призначення колектора машини постійного струму?

5. Чому коротке замикання генератора з паралельним збудженням не небезпечне?