Пояснения к лабораторной работе.

Краткое описание лабораторной установки.

Краткое описание установки дано в МУ к вводной лаборатор­ной работе к курсу "Судовые электрические машины", которую сле­дует защитить прежде чем приступать к исследованию генератора постоянно­го тока.

Пояснения к лабораторной работе.

Свойства электрических машин анализируются с помощью ха­рактеристик, показывающих зависимость между параметрами, опре­деляющими их работу. У генераторов постоянного тока основными считаются характеристики: холостого хода, нагрузочная, внешняя, регули­ровочная.

Характеристика холостого хода (х.х.х.) представляет собой зависимость ЭДС холостого хода от тока возбуждения при постоянной частоте вращения и отсутствии нагрузки:

.

Под Е₀ понимают ЭДС, наводимую в якоре потоком главных полюсов, без влияния реакции якоря.

У генератора независимого возбуждения (рис.1.1) характеристику снима­ют, начиная с максимального значения (точка а на рис.1.2), затем постепенно уменьшают ток i_в до минимального значения (при пол­ностью введённом реостате R_р в цепи возбуждения), а потом и до нуля; ЭДС при этом становится равной Е_ост. После этого меняют полярность возбуждения и увеличивают i_в до тех пор, пока ЭДС не достигает такого же абсолютного значения, что и в точке а. В результате получают нисходящую ветвь х.х.х. (отмечена стрелками на рис.1.2).

После этого, постепенно уменьшая ток возбуждения до нуля, а затем, изменив полярность, снова увеличивая его, можно снять восходящую ветвь характеристики. Опыт заканчивается в той же точке, откуда был начат, т.е. в точке а.

ЭДС т.е. пропорциональна полезному по­току главных полюсов, следовательно, х.х.х., как и характерис­тика магнитной системы машины , имеет вид петли, обусловленной явлением гистерезиса. Площадь петли невелика, так как в магнитную цепь машины входят воздушные зазоры между полюсами и якорем; кроме того, полюсы выполняются из специальной электротехничес­кой стали, в которой потери на гистерезис относительно малы.

Найдя средние значения ЭДС восходящей и нисходящей ветвей х.х.х. при одних и тех же значениях i_в, можно построить так на­зываемую расчётную х.х.х., проходящую через начало координат (пунктирная линия на рис. 1.2).

У генератора параллельного возбуждения (ГПВ) или генератора смешанного воз­буждения (ГСмВ) х.х.х. может быть снята только после того, как будет обеспечено самовозбуждение. При этом ЭДС генератора будет того же знака, что и Е_ост, следовательно, вся характеристика будет рас­полагаться в одном квадранте (рис.1.3).

В отличие от ГНВ, здесь оказывается более удобным снимать сначала восходящую, а потом нисходящую ветви характеристики.

Строго говоря, при параллель­ном возбуждении на холостом ходе генератора ток якоря не равен нулю. По якорной обмотке протекает ток и напряжение генератора

(1.1)

(знак приблизительного равенства применен потому, что на напряжение генератора влияет, также, реакция якоря, которую формула (1.1) не учитывает).

Однако ток возбуждения составляет только несколько процен­тов от величины номинального тока якоря, поэтому падением напряжения и реакцией якоря от этого тока обыч­но пренебрегают и считают, что у ГПВ и ГСмВ на холостом ходе , а .

С помощью х.х.х. можно оценить насыщение магнитной системы генератора в различных режимах его работы. Кроме того, используя х.х.х. и характеристический треугольник, можно построить внешнюю, нагрузочную и регулировочную характеристики генератора, не подклю­чая к нему нагрузку.

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимостьнапряжения на зажимах якорной обмотки генератора от тока возбужденияпри неизменных значениях частоты вращения и тока якоря:

.

Рассмотренная ранее х.х.х. является частным случаем нагрузочной харак­теристики, снятой при .

Снимают нагрузочную характеристику обычно при независимом возбуждении, постепенно уменьшая ток возбуждения от максимального значения до i_вк, при котором генератор оказывается в режиме короткого замыкания (U=0).

Совместное использование х.х.х. и нагрузочной характеристики позволяет проиллюстрировать факторы, влияющие на изменение напряжения генератора по сравнению с ЭДС Е₀, наведенной потоком главных полюсов. Как уже отмечалось ранее, таких факторов два: падение напряжения на сопротивлении якорной цепи и реакция якоря. На схеме замещения якорной цепи (рис. 1.4) влияние реакции якоря учитывается величиной DЕ, на которую изменяется ЭДС в результате действия мдс реакции якоря. Разные знаки перед DЕ соответствуют различному действию реакции якоря – подмагничивающему (знак "плюс") и размагничивающему (знак "минус").

Таким образом, расположение нагрузочной характеристики относительно х.х.х. в значительной мере зависит от характера и величины реакции якоря.

На рисунке 1.5 представлена нагрузочная характеристика, соответствующая идеализированному случаю: имеет место только продольная реакция якоря. Характер реакции – размагничивающий (например, щетки сдвинуты с геометрической нейтрали по направлению вращения ротора), то есть,

.

(1.2)

Поскольку при неизменном токе якоря неизменной остается МДС продольной реакции якоря, а поток и ЭДС, зависят еще и от насыщения магнитной системы, величину Е удобней найти по формуле

.

(1.3)

Зависимость , снятаяпри постоянных значениях частоты вра­щения и тока якоря, проходит выше нагрузочной характеристики на величину ВС=I_анR_а (пунктирная линия на рис. 1.5). Эту характеристику называют внутренней нагрузочной характеристикой генератора.

После построения этой линии на рис. 1.5 видны обе причины, по которым при заданном значении тока возбуждения, например i_вн, напряжение генератора при нагруз­ке (U_н) меньше чем ЭДС на холостом ходе (Е₀): падение напряжения в якоре, равное ВС, и уменьшение ЭДС из-за размагничивающе­го действия реакции якоря (∆Е).

На рис. 1.5 видно также, что при холостом ходе снижение ЭДС на ту же величину∆Еимело бы место, если ток возбуждения уменьшить на величину ∆ i_в, равную отрезку АВ. Это обстоятельство позволяет при расчетах нагруженного генератора не строить вспомогательную зависи­мость , а использовать х.х.х., считая при этом, что ток в обмотке возбуждения меньше фактического зна­чения на величину ∆ i_в= АВ.

Треугольник ABC называется характеристическим, так как с его помощью можно строить такие важные характеристики, как внешняя и регулировочная графическим путем, не подключая никакой нагрузки к генератору.

Как известно, действие поперечной реакции якоря в значительной мере зависит от насыщения магнитной системы машины: у ненасыщенной машины поперечная реакция якоря практически не влияет на величину потока в зазоре. Это значит, что длина катета AВ характерис­тического треугольника уменьшается при уменьшении насыщения маг­нитной системы. В режиме короткого замыкания, например, от характеристического треугольника может остаться только катет ВС, а горизонтальный катет, обусловленный поперечной реакцией якоря, станет равным нулю (рис. 1.6).

Работа генератора в режиме нагрузочной характеристики, т.е. с неиз­менным значением тока якоря при любом значении напряжения на его зажимах на практике встречается редко, хотя есть и исключе­ния. Это так называемые системы неизменного тока, в которых генератор снабжается специаль­ным автоматическим регулятором, поддерживающим во всех режимах работы I_a=const. Чаще нагрузочная характеристика использу­ется для того, чтобы с помощью неё и х.х.х. находить размеры характеристического треугольника.

Внешняя характеристика генератора показывает, как меняется напряжение на его зажимах при изменении тока нагрузки.

Для ГНВ внешняя характеристика есть зависимость

.

У ГПВ и ГСмВ , поэтому, по закону Ома, i_в меняет­сяпропорционально напряжению генератора, и для них внешняя характеристика снимается при постоянстве сопротивления цепи возбуждения, т.е.

.

Оценить стабильность, с которой при этом поддерживается напряжение на зажимах генератора, можно с помощью так называемого номи­нального изменения напряжения

,

(1.4)

где U_н - напряжение в номинальном режиме работы генератора,

Е₀ - ЭДС, имеющая место после полного отключения нагрузки (рис.1.7).

У ГНВ ∆U_н обычно находится в пределах 5 – 10%. У ГПВ, как было выяснено во вводной лабораторной работе, напряжение с уве­личением нагрузки снижается значительней, и ∆U_н=10÷20%. Из-за этого обстоятельства ГПВ применяется редко, и в элект­ростанциях постоянного тока для стабилизации напряжения, как правило, ис­пользуют ГСмВ со стабилизирующей последовательной обмоткой. МДС последовательной обмотки возбуждения действует согласно с МДС параллельной обмотки и рассчитана таким образом, чтобы напря­жение оставалось практически неизменным в диапазоне нормальных нагрузок. При правильном расчете ГСмВ его внешняя характеристи­ка проходит так, как показано на рис.1.7, т.е. имеет место и .

Чтобы снять всю внешнюю характеристику в диапазоне от хо­лостого хода до короткого замыкания, следует постепенно умень­шать сопротивление нагрузки до нуля. Однако при токах, в 2-3 раза превышающих номинальное значение, на щётках возникает недопустимо большое искрение, и получить характеристи­ку во всем диапазоне нагрузок не удается.

Исключение составляет ГПВ, у которого напряжение падает настолько быстро, что ток нагрузки, достигнув максимального значения порядка (2÷3)I_н, при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки начина­ет также уменьшаться (рис. 1.7). В режиме короткого замыкания I_к зависит от величины Е_ост и соизмеримо с номинальным значением тока якоря. На участке внешней характеристики от I_к до I_max работа генератора оказывается обычно неустойчивой, т.е. наблюдается склонность к самопроизвольному изменению тока.

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость

.

то есть показывает, как следует регулировать ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы напряжение генератора оставалось неизменным.

У ГНВ ток i_в с ростом нагрузки следует увеличивать, чтобы компенсировать влияние падения напряжения и размагничивающей реакции якоря.

Регулировочная характеристика этого же генератора при параллельном возбуждении практически совпадает с регулировочной характе­ристикой при независимом возбуждении, если пренебречь влиянием i_в на падение напряжения в якоре (рис. 1.8).

Здесь важно разобраться с распространенным заблуждением, будто бы, поскольку DU ГПВ больше чем у ГНВ, то и, снимая регулировочную характеристику при параллельном возбуждении, i_в придется изменять сильнее, чем при независимом. При этом забы­вают, что если бы внешнюю характеристику при параллельном воз­буждении снимали, поддерживая не R_в=const, а i_в=const, то она тоже совпала бы с внешней характеристикой при независимом возбуждении.

А вот у ГСмВ есть вспомогательная последовательная обмотка возбуждения, и поэтому его внешняя характеристика, снятая и при i_в=const, не совпала бы с внешней характеристикой при не­зависимом возбуждении. Поэтому и регулировочная характеристика ГСмВ имеет другой вид (рис. 1.8): сначала, пока ток нагрузки не достигнет примерно 0,5I_н, возбуждение приходится уменьшать и только после этого начинать увеличивать.