1. Цель работы
Приобретение практических навыков работы с генератором постоянного тока (ГПТ) и исследование основных характеристик ГПТ.
2. Содержание работы
2.1 Снятие характеристики холостого хода генератора с независимым возбуждением
2.2 Снятие внешних характеристик ГПТ при независимом и параллельном возбуждении
2.3 Построение и анализ характеристик ГПТ
3. Особенности правил и мер безопасности при проведении экспериментальных исследований
3.1 Студенты допускаются к выполнению экспериментов только после того, как ознакомятся с расположением всех измерительных приборов и органов управления на панели стенда и четко усвоят последовательность операций пуска и содержание экспериментов
Длительность включения стенда во избежание его перегрева не должна превышать 7 минут.
4. Подготовка к выполнению работы
Для выполнения работы необходимо:
4.1. Изучить тему «Машины постоянного тока»([1], c . 377-413; [2], c 73-86), «Трансформаторы»([1], c 256-288; [2], c 56-71) и настоящие методические указания
4.2. Подготовить бланк отчета, содержащий цель работы, принципиальную схему экспериментальной установки (рис. 1), таблицы 1-3
5. Описание лабораторной установки для исследования трансформатора
5.1. Установка для исследований (рис.1) выполнена в идее стенда «АД-ГПТ» (электропривод: асинхронный двигатель-генератор постоянного тока), состоящего из двух электрических машин, валы которых соединены муфтой, и щита управления. Питание АД осуществляется от трехфазной сети переменного тока линейным напряжением 220В, 50Гц. Обмотка возбуждения ГПТ с помощью переключателя S 1 может подключаться как к независимому источнику питания постоянного тока напряжением 125В («незав. возб»), так и в режиме самовозбуждения параллельно выходу генератора («парал. возб»)
ГПТ служит для преобразования механической энергии, сообщаемой ему приводным двигателем (АД), в электрическую энергию постоянного тока, получаемую в виде э.д.с. на выходных зажимах генератора
E=C*Ф*n (5.1)
где С – конструктивная постоянная ГПТ
Ф – магнитный поток
n – частота вращения якоря
Рис.1 Упрощенная электрическая принципиальная схема лабораторного стенда электропривода «АД-ГПТ» для исследования генератора постоянного тока
Принцип действия ГПТ основан на явлении электромагнитной индукции. Приводной двигатель вращает якорь в магнитном поле стартера, которое создается обмотками возбуждения, при пропускании по ним тока. Проводники обмотки якоря пересекают силовые линии индукции магнитного поля, и в обмотке якоря индуктируется переменная э.д.с. Щеточно-коллекторное устройство синхронно переключает концы секций обмотки таким образом, что во внешней цепи действует постоянное напряжение. Величину напряжения на выходе ГПТ можно регулировать (5.1) изменением магнитного потока, что достигается регулированием тока возбуждения с помощью регулировочного реостата Rp . При параллельном возбуждении ГПТ свойственен процесс самовозбуждения, условиями возникновения которого являются:
- Наличие остаточного поля в полюсах стартера
- Совпадение полярностей остаточного магнитного потока и потока, создаваемого током возбуждения
- Сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического значения, чтобы его мог преодолеть ток возбуждения, создаваемый э.д.с. обмотки якоря от остаточного магнитного потока (для этого Rp снижают до нуля)
При пуске ГПТ с параллельным возбуждением, ток возбуждения отсутствует. Однако вращающиеся проводники якоря пересекают силовые линии слабого остаточного магнитного поля. В результате в обмотке якоря наводится небольшая э.д.с., которая создает малый ток возбуждения. Магнитное поле ГПТ увеличивается, следовательно, растет э.д.с. генератора, что еще больше увеличивает магнитный поток. Процесс самовозбуждения нарастает, пока, вследствие насыщения стали ГПТ, не остановится. Для снятия внешней характеристики ГПТ, основной характеристики генератора, представляющей собой зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки U=f(Iн) , в схеме стенда (рис.1) предусмотрены сопротивления R 1- R 4, которые вводятся с помощью переключателей S 2- S 5.
Работа ГПТ с параллельным возбуждением является предпочтительной, т.к. не требует дополнительного источника питания, однако возможна только при мощностях, потребляемых нагрузкой не выше 0.5-1 кВт, т.к. низкоомная нагрузка закорачивает высокоомную обмотку возбуждения, что ведет к срыву возбуждения ГПТ.
В таком случае необходимо использовать ГПТ с независимым возбуждением.
ГПТ применяется для качественной сварки, зарядки аккумуляторов, для питания обмоток возбуждения синхронных машин, гальванических ванн, ДПТ.
6. Порядок проведения экспериментов
6.1. Снять характеристику холостого хода ГПТ с независимым возбуждением, для чего:
- Переключатель «измер. Мощности» установить в положение «пуск»
- Переключатель режима возбуждения S 1 установить в положение «незав. возбуж»
- Тумблеры S 2- S 5 для включения нагрузки R 1- R 4 отключить
- Реостат плавной регулировки в цепи возбуждения Rp вывести до нуля, а ступенчатый ввести на максимальное сопротивление, повернув до упора против часовой стрелки.
6.1.1. Пустить АД и снять зависимость э.д.с. ГПТ от тока возбуждения Ip при его возрастании Iв от 0 до Iвмах – восходящая ветвь характеристики холостого хода, и при его уменьшении от I вмах до I в=0 – нисходящая ветвь.
Измерения производить, переключая Rp на одно деление. Результаты измерений занести в табл.1
Таблица 1. Характеристики холостого хода
| Увеличение Iв,А | 0 | |||||||
| Э.Д.С.ГПТ - Е,В | ||||||||
| Уменьшение Iв,А | 0 | |||||||
| Э.Д.С. - Е,В |
6.2. Снять внешнюю характеристику ГПТ с независимым возбуждением, для чего установить выходное напряжение ГПТ на холостом ходу (э.д.с.), равное 120В с помощью регулировочного реостата Rp вращением сначала ступенчатого переключателя «напр. ген.», а затем регулятора плавной настройки.
6.2.1. Получить зависимость выходного напряжения ГПТ от тока нагрузки Uг=f(Iн) изменяя величину I н включением резисторов нагрузки R 1- R 4. При этом необходимо регистрировать характер изменения тока возбуждения I в. Результат измерений занести в таблицу 2.
Таблица 2. Внешняя характеристика ГПТ с независимым возбуждением
| Параметры ГПТ | Изменение параметров ГПТ от числа резисторов нагрузки | ||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
| Uг,В | |||||
| Iн,А | |||||
| Iв,А | |||||
6.3. Снять внешнюю характеристику ГПТ с параллельным возбуждением, для чего
- Уменьшить ток возбуждения до нуля с помощью ступенчатого регулятора Rp
- Переключить обмотку возбуждения ГПТ на холостом ходу равным 120В, таким же, как и для ГПТ с независимым возбуждением
6.3.1. Получить зависимость Uг=f(Iн) аналогично предыдущему эксперименту (6.2.1). Результаты измерений занести в таблицу 3. После эксперимента отключить нагрузку и приводной асинхронный двигатель.
Таблица 3. Внешняя характеристика ГПТ с параллельным возбуждением
| Параметры ГПТ | Изменение параметров ГПТ от числа резисторов нагрузки | ||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
| Uг,В | |||||
| Iн,А | |||||
| Iв,А | |||||
7. Обработка результатов эксперимента.
7.1. Построить характеристику холостого хода Ег=f(Iв) при n=const, In=0. Эта зависимость (рис.2) аналогична кривой намагничивания магнитной цепи машины.
Рисунок 2. Характеристика холостого хода ГПТ.1-восходящая ветвь, 2-нисходящая ветвь
Начальный участок ее линейный. С началом магнитного насыщения линейность нарушается, замедляется рост э.д.с. Нисходящая ветвь идет выше за счет гистерезиса магнитной цепи. Остаточная э.д.с. Ео наводится остаточным магнитным потоком магнитной системы.
Характеристика показывает регулировочные возможности ГПТ. Номинальный режим выбирают при токе возбуждения, соответствующему началу насыщения.
7.2. Построить на одном графике внешние характеристики ГПТпри независимом и параллельном возбуждении Uг=f(Iн) при n=const, Rp=const.
Как видно на рисунке 3, внешняя характеристика ГПТ с независимым возбуждением (кривая 1) достаточно жесткая, но напряжение генератора уменьшается с ростом нагрузки из-за падения части напряжения на обмотке якоря, так как Uг=E-IяRя и э.д.с. уменьшается от действия реакции якоря.
Внешняя характеристика ГПТ с параллельным возбуждением (рисунок 3, кривая 2) падает круче, т.к. здесь действует еще один дополнительный фактор – с ростом нагрузки уменьшается напряжение как на выходе ГПТ, так и в цепи возбуждения, что в большей степени снижает ток возбуждения и магнитный поток, а, следовательно, э.д.с. генератора.
Рисунок 3. Внешняя характеристика ГПТ
8. Контрольные вопросы:
8.1. Каково назначение ГПТ?
8.2. Какие конструктивные особенности у стартера, якоря, щеточно-коллекторного устройства?
8.3. Как действует в ГПТ явление электромагнитной индукции в электромагнитной силы?
8.4. Как в ГПТ создается и замыкается магнитный поток?
8.5. Каким образом регулируется напряжение генератора и какая характеристика показывает его регулировочные возможности?
8.6. Каковы условия самовозбуждения генератора?
8.7. Почему в обмотке якоря ГПТ проходит переменный ток?
8.8. Чем объясняется уменьшение напряжения на выходе генератора? Почему у ГПт с параллельным возбуждением это уменьшение больше?
8.9. Когда применяют ГПТ с независимым и когда с параллельным возбуждением?