2. Від чого залежить кут нахилу початкової частки магнітної характеристики до осі абсцис? Чому при збільшенні магнітного потоку характеристика відхиляється від лінійної?

3. Як виражаються сили і моменти ЕМП через енергію і координати, що характеризують взаємне розташування індуктора та якоря?

4. У чому полягає правило “50 на 50” для лінійного ЕМП?

5. Що таке магнітна коенергія і як вона зв’язана з магнітною характеристикою?

6. Напишить рівняння енергетичного балансу для ЕМП, що працює у режимі двигуна.

7. Напишить формулу момента для ЕМП реактивного типу і ЕМП з двома обмотками. У чому полягає різниця між ними?

8. Назвіть основну умову працездатності будь-якого ЕМП.

9. Напишіть формулу, що зв’язує між собою момент і потужність обернених ЕМП.

10. У чому полягає принцип зворотності ЕМП?

11. Чи може ЕМП постійного струму з електромагнітним збудженням працювати від мережі змінного струму?

Лаботорна робота 4

ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

З ПАРАЛЕЛЬНИМ ЗБУДЖЕННЯМ

Мета роботи

Ознайомитися з властивостями генератора постійного струму (ГПС) з паралельним збудженням шляхом експериментального визначення його характеристик.

Теоретичні положення

Генератори постійного струму з паралельним збудженням достатньо широко розповсюджені на виробництвах та літаках. На останніх їх використовують як основні, так і допоміжні джерела енергії постійного струму.

Позитивною особливістю таких генераторів є їхня здатність до самозбудження. Це робить їх незалежними від інших джерел постійного струму.

Самозбудження – це динамічний процес появи напруги в обмотці якоря генератора під час його обертання без будь-яких втручань у його схему.

Самозбудження ГПС з паралельним збудженням відбувається на холостому ходу, тобто при розімкненому колі якоря.

Самозбудження, однак, можливе за умови дотримання таких вимог.

1. У магнітопроводі індуктора повинен бути магнітний потік залишкового магнетизму .

2. Струм, який тече в обмотці збудження, повинен створювати у повітряному зазорі магнітний потік, який збігається за напрямком з потоком залишкового магнетизму.

3. Опір кола збудження повинен бути меньшим за деякий критичний опір , який залежить від кутової частоти обертання ротора .

Як відомо, ЕРС обмотки якоря ГПС визначається за формулою

,

де Ф – магнітний потік у повітряному зазорі; С_е – постійний коефіцієнт.

Процес самозбудження ГПС з паралельним збудженням проходить таким чином.

При обертанні якоря у потоці залишкового магнетизму в його обмотці виникає ЕРС = С_е∙Ω∙ і тому, що обмотку збудження підключено паралельно обмотці якоря, ця ЕРС спричиняє первісний струм збудження _. Цей струм створить у пові-тряному зазорі магнітний потік і за умови, що вимога 2 дотримується, магнітний потік у зазорі зростає.

Це викличе зростання ЕРС і подальше зростання струму збудження і так далі.

Оскільки магнітний потік нелінійно залежить від струму збудження, то зростання ЕРС буде продовжуватися до того часу, коли ЕРС не зрівняється зі спадом напруги кола збудження .

Внаслідок цього на затисках обмотки якоря установиться ЕРС

,

де – усталене значення струму збудження після закінчення процесу самозбудження.

Сказане ілюструється рис. 4.1, на якому зображені характеристики холостого ходу (крива 1) і пряма 2, яка визначає спад напруги на опорі збудження, тобто напругу генератора . Цю пряму називають променем збудження.

Тангенс кута  нахилу променя збудження до осі абсцис дорівнює опору кола збудження генератора (tg = ).

Рівняння електричної рівноваги у процесі самозбудження ГПС згідно з другим законом Кірхгофа має вигляд:

, (4.1)

де – ЕРС, що виникає у колі якоря внаслідок його обертання у магнітному полі полюсів;– ЕРС самоіндукції, що виникає в обмотці збудження внаслідок зміни струму збудження у часі. Ця ЕРС існує тільки до того часу, коли процес самозбудження не закінчиться.

На початковому етапі самозбудження магнітне коло ГПС ненасичене і тому індуктивність L можна вважати постійною.

Підставляючи у формулу (4.1) значення ЕРС самоіндукції , отримаємо рівняння

. (4.2)

У процесі самозбудження струм збудження зростає від нуля до сталого значення , тому похідна повинна бути більшою за нуль, тобто розвитку процесу самобудування згідно з формулою (4.2) відповідає нерівність:

. (4.3)

Диференціюючи нерівність (4.3) по струму збудження отримуємо третю умову самозбудження у вигляді:

при  = const. (4.4)

Похідна ЕРС

має назву критичного опору кола збудження R₃ і графічно на рис. 4.1 може бути зображена тангенсом кута нахилу початкової частки характеристики холостого ходу до осі абсцис. З іншого боку, різниця ординат кривої 1 і прямої 2, що дорівнює , характеризує інтенсивність процесу самозбудження. Самозбудження закінчується у точці А (рис. 4.1) перетину характеристики холостого ходу і променя збудження, внаслідок чого на затисках обмотки якоря установлюється ЕРС, що визначається ординатою точки А.

З формули (4.4) можна бачити, що критичний опір кола збудження

не залишається постійним і залежить від частоти обертання ротора  .Тому для кожного генератора існує так звана критична чи мертва частота обертання , за якої нерівність (4.4) перетворюється у рівність, і самозбудження стає неможливим. Значення критичної частоти обертання, як можна бачити з формули (4.4), дорівнює

, (4.5)

де – характеризує крутизну початкової частки магнітної характеристики; С_е – постійний коефіцієнт, який визначається параметрами обмотки якоря.

Залежність критичного опору від частоти обертання ротора має велике значення для авіаційних генераторів, які працюють у широкому діапазоні зміни цієї величини.

Властивості ГПС оцінюються його характеристиками (графічними залежностями), які знімають за деяких визначених умов. Усі характеристики знімають при постійній частоті обертання ротора.

Характеристика холостого ходу (рис.4.2) визначає залежність ЕРС обмотки якоря від струму збудження за умови відсутності струму якоря:

при , .

Ця характеристика жорстко зв’язана з магнітною характеристикою Ф = f (I₃) і збігається з нею за зовнішнім виглядом.

Внаслідок магнітного гістерезіса висхідна і низхідна вітки характеристиками не збігаються і за характеристику холостого ходу приймають середню криву.

Зовнішня характеристика ГПС з паралельним збудженням (рис 4.3) − це залежність напруги від струму навантаження генератора за умови сталості частоти обертання ротора і опору кола збудження:

при; .

Для ГПС з паралельним збудженням можна вважати, що cтрум навантаження практично дорівнює струму кола якоря

,

тому що струм збудження складає лише декілька відсотків струму якоря.

По закінченні самозбудження на затисках кола якоря установлюється ЕРС холостого ходу Е₀ (рис.4.3).

Під час навантаження рівняння електричної рівноваги у колі якоря має вигляд:

(4.6)

де – падіння напруги у колі якоря, включаючи опір ковзного контакту.

Слід зрозуміти, що у формулі (4.6) ЕРС Е дорівнює ЕРС холостого ходу Е₀ лише в одній точці, де струм якоря . Це тому, що із зростанням струму якоря у машині зростає розмагнічуюча реакція якоря і тепер магнітний потік Ф залежить не лише від струму збудження, а і від струму якоря: . Але доки струм якоря невеликий, розмагнічуюча дія реакції якоря майже не впливає на магнітний потік і тому, згідно з рівнянням (4.6), зовнішня характеристика має вигляд прямої лінії, що спадає.

Подальше збільшення струму якоря збільшує розмагнічуючу реакцію якоря, і ЕРС машини починає зменшуватися внаслідок зменшення магнітного потоку.

Зовнішня характеристика відхиляється від прямої вниз. У ГПС з паралельним збудженням струм збудження залежить від напруги , тому її зменшення викликає зменшення струму збудження і ступеня насиченості магнітного кола машини. При переході магнітної характеристики у ненасичену область незначне зменшення струму збудження викликає значне зменшення магнітного потоку, тому ГПС з паралельним збудженням не можна навантажити струмом, більшим за критичний (рис. 4.3).

При короткому замиканні ГПС з паралельним збудженням його напруга, а, отже і струм збудження, дорівнюють нулю. Тому струм короткого замикання таких генераторів визначається ЕРС залишкового магнетизму Е_зал і опором кола якоря: .

Стале значення струму короткого замикання ГПС з паралельним збудженням знаходиться у межах номінального і не є пожежонебезпечним. Але внаслідок утворюючої дії поперечної реакції якоря може виникнути сильне іскріння під щітками аж до самого кругового вогню.

Авіаційні генератори середньої і великої потужності поряд з додатковими полюсами мають компенсаційні обмотки і виникнення кругового вогню в них практично неможливе.

Регулювальною характеристикою ГПС називають залежність струму збудження від струму навантаження за умови сталості швидкості обертання і напруги: І₃=f (І_я) при =const; U=const.

Як випливає з формули (4.6), для підтримання напруги U постійною зі зростанням струму якоря І_я , треба збільшувати магнітний потік, збільшуючи струм збудження, тому регулювальна характеристика (рис.4.4) має вигляд кривої , що підіймається спочатку лінійно, а потім її схід збільшується внаслідок необхідності компенсувати розмагнічуючу дію реакції якоря і насичення магнітного кола.

При холостому ході генератор повинен мати струм збудження холостого ходу І_зо , який необхідний для створення ЕРС холостого ходу Е₀ , яка дорівнює значенню напрузі, при якій знімається характеристика.