Краткие сведения из теории

Электрические машины постоянного тока обратимы, как и все электрические машины. Поэтому каждая машина постоянного тока может работать в режимах, как генератора, так и двигателя. Основными частями такой машины являются: магнитная система с обмоткой возбуждения (индуктор); якорь (система проводников, в которой индуцируется э.д.с.) коллектор; со щетками и корпус с подшипниками, в которых вращается вал якоря.

Магнитная система машин постоянного тока состоит из станины и полюсов. Станина изготовляется из стали или отливается из чугуна. Станина имеет фланцы или лапы для установки машины. К ней болтами крепятся основные полюса с обмоткой возбуждения , создающей основное магнитное поле машины. Форма полюсного наконечника подбирается такой, чтобы получить желаемое распределение индукции по окружности якоря.

Для безыскровой работы щеток и коллектора в больших машинах к станине между основными полюсами крепятся добавочные полюса.

Якорь состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в пазах сердечника, и коллектора, посаженного на вал якоря. Сердечник набирается из пластин электротехнической стали. В паз сердечника якоря заложена обмотка якоря, состоящая обычно из отдельных секций. Обмотки машин пропитываются изоляционными лаками и компаундами, что улучшает условия теплопередачи и придает дополнительную механическую прочность обмоткам. Коллектор набирается из изолированных друг от друга и от вала медных пластин (ламелей). К каждой ламеле присоединен конец одной секции и начало следующей за ней секции. Для отвода тока от коллектора служат угольные или медные щетки, установленные в щеткодержателях. Щетки электрически соединены с зажимами, к которым присоединена внешняя цепь.

Важным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного потока. По этому признаку машины делятся на: генераторы с независимым возбуждением (цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника постоянного тока) и на генераторы с самовозбуждением (цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора). Последние по способу соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения делятся на машины последовательного, параллельного и смешанного возбуждения. У генераторов с последовательным возбуждением обмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и внешней нагрузкой. У генератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения соединяется параллельно щеткам генератора и внешней нагрузке. У генератора со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения – одна включается параллельно, а другая – последовательно с внешней цепью. Необходимо отметить, что мощность, затрачиваемая в цепи возбуждения, при любом способе включения обмотки возбуждения мала, порядка 5% номинальной мощности у малых машин и менее 1% - у больших.

В настоящей работе испытывается генератор с независимым возбуждением.

При вращении якоря каким-либо приводным двигателем магнитный поток возбуждения пересекается проводниками обмотки якоря; в них индуцируется переменная э.д.с., которая выпрямляется коллектором в э.д.с. постоянного направлении.

Е=сn , (1)

где С- конструктивная постоянная машины; n- скорость вращения якоря; - поток возбуждения.

Из простого выражения видно, что регулировать э.д.с. на зажимах генератора можно 2-мя способами:

1. изменением магнитного потока , для чего нужно изменять ток возбуждения;

2. изменением скорости вращения приводного двигателя.

Последний способ практически не применяется.

При замыкании цепи генератора на нагрузку (нагрузочный режим) по цепи якоря протекает ток I_Я. Взаимодействие тока якоря с магнитным потоком возбуждения  создает тормозящий момент, который должен преодолеть первичный двигатель. При работе машины в режиме двигателя взаимодействие тока якоря с магнитным потоком возбуждения создает вращающий момент. Направление передачи энергии при работе машины в двух режимах генератора и двигателя различные, но природа электромагнитного момента, воздействующего на якорь, одна и та же. Величина его определяется по формуле:

M=с I_Я (2)

Способ возбуждения генератора определяет его свойства, которые проще всего выражаются графическим путем, т. е. в виде кривых, так называемых характеристик генератора. Обычно рассматривается зависимость какой-либо одной величины, характеризующей работу генератора, от другой при постоянных остальных величинах.

Наиболее важной величиной, определяющей работу генератора, является его напряжение U. Поэтому характеристики генератора должны показать, как зависит напряжение U от тока возбуждения I_в или тока нагрузки I_н; в этих случаях скорости вращения якоря n=const . Кроме того, большой интерес представляет зависимость тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при заданном характере изменения напряжения на зажимах генератора, обуславливаемом требованиями его эксплуатации.

Скорость вращения генератора зависит от свойства приводных деталей и обычно постоянна (n=const).

Характеристики электрических машин могут быть получены расчетным путем и опытным, т. е. в лаборатории или на заводской испытательной площадке.

Зависимость э.д.с. от тока возбуждения при замкнутой цепи якоря IЯ=Iн=0 и постоянной скорости вращения n=const называется характеристикой холостого хода Е=f(I_в) т.е. меняя I_в, изменяют главный магнитный поток и пропорционально ему э.д.с.

Если цепь возбуждения разомкнута (I_в=0), а якорь вращается, то Е_Я , т. к. в станине генератора сохраняется некоторая остаточная индукция. Чтобы снять характеристику холостого хода, нужно подать напряжение на обмотку возбуждения и постепенно увеличивать ток возбуждения до максимального значения, отмечая соответствующие значения э.д.с.. Таким путем будет получена восходящая ветвь характеристики (рис 1).

рис. 1 Затем путем постепенного уменьшения величины тока возбуждения можно получить нисходящую ветвь характеристики. Она расположится несколько выше восходящей вследствие влияния гистерезиса. Из рис. 1 видно, что вначале при малых токах возбуждения Е растет пропорционально I_в эта линейная зависимость нарушается и характеристика принимает вид, характерный для кривых намагничивания.

Действительно при n=const формула (1) принимает вид: Е=к. С другой стороны, по оси абсцисс вместо тока возбуждения можно отложить в ином масштабе пропорциональную току возбуждения намагничивающую силу возбуждения и тогда аналитическое выражение характеристики холостого хода примет вид:  = f(I_в), что равноценно зависимости В= f(Н). Такая функциональная зависимость отражается кривой намагничивания. Следовательно, характер кривой холостого хода определяется свойствами магнитной цепи машины, в частности, магнитным насыщением.

Д ля ответа на вопрос, Как зависит напряжение U от тока нагрузки Iн, снимают внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость U= f(Iн) при n=const и Iв=const. Чтобы получить ее (рис. 2) экспериментальным путем, необходимо нагрузить генератор до номинального тока Iном при номинальном напряжении на зажимах генератора.

Последнее устанавливается путем регулирования Iв. Затем нужно постепенно уменьшать ток якоря до нуля при Iв=const. Напряжение на зажимах генератора с ростом тока нагрузки уменьшается за счет падения напряжения I_яr_я на внутреннем сопротивлении генератора, т. е. U=E-I_яr_я. Зависимость U= f(I_я) изображалось бы прямой линией, если бы э.д.с. Е оставалось постоянной, но с ростом нагрузки усиливается размагничивающее влияние реакции

рис. 2 якоря, что приводит к уменьшению магнитного потока , а, следовательно, к уменьшению э.д.с. Е. В результате чего внешняя характеристика изгибается в сторону абсцисс.

У меньшение напряжения при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке позволяет определить относительное изменение на зажимах генератора.

Регулировочную характеристику снимают, изменяя ток нагрузки и регулируя ток возбуждения так, чтобы напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным. При увеличении тока нагрузки для поддержания напряжения неизменным при n=const приходится увеличивать ток возбуждения (рис. 3).

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из соединенных на одном валу электрической машины постоянного тока, работающей в режиме генератора трехфазного асинхронного двигателя (АОЛ 011/4), а также регулируемого источника постоянного напряжения (источник возбуждения). Электрическая схема установки представлена на рис. 4. Вольтметр показывает напряжение на зажимах генератора (якоря), амперметр А1 – ток в цепи якоря (нагрузки), амперметр А2 – ток в цепи возбуждения

Рис. 4

А1- амперметр постоянного тока на 500мА; А2- амперметр постоянного тока на 1А;

V- Вольтметр постоянного тока на 30В; Реостат на 1000 Ом, 0,4А;

Реостат на 500 Ом, 0,6А; Реостат на 30 Ом, 5А.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством генератора постоянного тока независимого возбуждения и приводным двигателем, записать данные щитка генератора и двигателя.

2. По схеме соединения (рис. 4) найти на стенде все входящие в нее аппараты и приборы, составить таблицу с их перечнем и указанием номинальных данных и характеристик каждого элемента схемы.

3. Собрать схему, изображенную на рис. 4, дать ее проверить руководителю или лаборанту.

4. Снять характеристику холостого хода. Для чего ввести полностью сопротивление реостата R3 и R4 и сопротивление R2 на одну треть. Ручку ЛАТРа повернуть против часовой стрелки до упора. Разомкнуть ключ В3 и подать напряжение на схему. Записать в таблицу 1 ток возбуждения Iв и э.д.с. якоря Е. Постепенно поворачивая, ползунок ЛАТРа по часовой стрелке, записывать ток возбуждения через каждые 50 мА и соответствующую э.д.с. Е якоря генератора, доведя последнюю до 30 В. Снять ту же характеристику в обратном направлении, т. е. Уменьшая ток возбуждения до 0.

При снятии характеристики холостого хода следует изменять ток плавно и только в одном направлении, т. е.

Увеличивать или уменьшать. Если случайно движок ЛАТРа будет переведен дальше, чем это необходимо для получения ступени Iв~50мА, следует записывать ту же точку, которая получилась, а не передвигать движок ЛАТРа в обратном направлении.

Таблица 1

5. № п/п	Восходящая ветвь		Нисходящая ветвь
   	Iв, mA	E, В	Iв, mA	E, B
   1
   2
   3
   4
   5
   6
   7
   8
   9
   10
   11
   12

   Снять внешнюю характеристику.

При разомкнутой внешней цепи, меняя ток возбуждения выставить на зажимах генератора напряжение, равное 30 В. Включить ключ В3 и, изменяя плавно сопротивление реостата R3 от 0 до максимального значения, уменьшать ток нагрузки Iн от 400 мА до 0. Через каждые 50 мА записывать в таблицу 2 величину тока якоря Iя=Iн и соответствующее значение напряжения на зажимах генератора.

Таблица 2

№	Iн, mA		U, B		Iв, mA=const
1
2,
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

6. Снять регулировочную характеристику.

В цепи возбуждения установить такой ток, чтобы напряжение на зажимах генератора было равно 20 В. Затем постепенно нагружать генератор ступенями через 50 мА и довести ток Iн до 300-400 мА. Во время опыта (на каждой степени нагрузки напряжение поддерживать постоянным, изменяя ток в цепи возбуждения). Данные записывать в таблицу 3.

Таблица 3

№	Iв, mA	Iн, mA	U, B=const
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

7. По окончании работы обесточить стенд, разобрать схему.

Содержание отчета

1. В отчете должна быть представлена рабочая схема с перечнем машин, аппаратов, приборов и указанием их номинальных параметров.

2. Результаты испытаний должны быть представлены в виде графиков, построенных по полученным данным.

3. Проанализировать полученные характеристики и дать оценку полученным результатам.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных частей состоит машина постоянного тока?

2. Почему э.д.с. отдельной секции обмотки якоря переменная, а во внешней цепи постоянная?

3. Как скажется на величине э.д.с. генератора постоянного тока увеличение зазора между индуктором и якорем?

4. Чем вызывается изменение напряжения на зажимах генератора при изменении его нагрузки?

5. Почему короткое замыкание генератора с независимым возбуждением опасно?

6. Какие зависимости характеризуют свойства генераторов постоянного тока?

7. Опишите процессы, происходящие в генераторе при увеличении нагрузки. Объясните возрастание тормозящего момента.

8. Какой режим работы генератора является наиболее отвечающим требованиям практики?

Лабораторная работа №12

Испытание трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Целью данной работы является ознакомление с принципом действия и устройством асинхронного двигателя, определения начала и концов обмотки (концов фаз) статора. Изучение пуска двигателя, изменение направления вращения и снятия рабочих характеристик.

Краткие сведения из теории.

Асинхронная машина является машиной переменного тока, скорость вращения не связана жестко с частотой. А синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в разобранном виде. А - статор, б - ротор, в - подшипниковые щитки, г - вентилятор, с отверстием для входа и выхода охлаждающего воздуха, д - коробка, перекрывающая зажимы обмоток.

Асинхронные машины применяются, в основном, в качестве двигателя в диапазоне частот до 2 кГц. При мощности асинхронных машин свыше 0,5 кВт применяются главным образом трехфазные машины, при мощности менее 0,5 кВт – однофазные. Электромагнитная система асинхронной машины состоит из двух частей: неподвижной - статора, в пазах которого располагается трёхфазного или две однофазные обмотки,

Рис.1 и вращающейся – ротора с обмоткой в виде стержней, замкнутых с торцов кольцами. Для уменьшения потерь мощности на вихревые токи сердечники статора и ротора (как и сердечники трансформатора) набираются из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Обмотки статора и ротора выполняются из меди или алюминия. Обмотки фаз статора соединяются между собой в звезду или треугольник. При питании обмотки статора трёхфазным током в сердечниках статора и ротора в зазоре между ними создаётся, как известно, вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого пропорционально f тока и равна

,

где P-число пар полюсов магнитного поля. Вращающееся магнитное поле наводит в замкнутой обмотке ротора токи, которые, взаимодействуя с полем, создают электромагнитный момент вращения. Скорость вращения ротора n_1. Меньше скорости n магнитного поля. Отношение называется скольжением.

В момент пуска двигателя, когда скорость вращения ротора n₁, скольжение равно единице. При холостом ходе двигателя скорость ротора очень близка к скорости поля, а S . Номинальное скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, составляет 0,02-0.05.

Вращающееся магнитное поле пересекает витки обмотки статора и ротора, наводя в них соответственно Э.Д.С. самоиндукции E₁

(1)

Взаимоиндукции E₂

(2)

где K_об1 и K_об2 – обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора, учитывающие уменьшение Э.Д.С., вследствие пространственного распределения обмотки;

W₁ и W₂ – числа витков статора и ротора;

f₁ и f₂ – частоты э.д.с. в статоре и роторе;

Ф – магнитный поток, Вб.

Частота э.д.с. и тока в роторе равна

Если в данную формулу (2) подставить f₂=Sf, то получим

(3)

Из (3) формулы видно, что э.д.с. ротора при вращении последнего пропорциональна скольжению и имеет наибольшую величину E_2H при неподвижном роторе, когда S=1. В этом случае аналогия асинхронной машины с трансформатором очевидна, т.к. частоты э.д.с. статора и ротора равна частоте сетки, в которой включён двигатель. Ток I₂ в роторе создаётся электродвижущей силой, индуцируемой в обмотке ротора, которая представляет собой замкнутую цепь, поэтому I₂ равен э.д.с., делённой на сопротивление цепи роторной обмотки:

, (4)

где r₂ – активное сопротивление ротора; x₂ – индуктивное сопротивление неподвижного ротора.

Электромагнитный момент, развиваемый ротором, определяется магнитным потоком и током ротора

, (5)

где c – коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные особенности машины; ψ – угол между э.д.с. и током ротора.

Вращающийся момент машины зависит от изменяющихся при нагрузке Ф, I_2, cos(ψ₂), но его можно представить в виде функции одной переменной, а именно скольжение S

(6)

При работе машины в обычных условиях, э.д.с. E₁ статора приблизительно равна напряжению U₁ сети и поэтому:

, (7)

а, следовательно, асинхронный двигатель очень чувствителен к понижению напряжения сети.

Из (7) следует, что при малых скольженьях вращающий момент двигателя растет примерно пропорционально скольжению. При значительном увеличении скольжения момент начинает убывать, т.к. знаменатель растёт быстрее, чем числитель, и поэтому зависимость M(S) проходит через максимум (рис.2), который разделяет кривую на 2 участка. Первый от S=0 до S_k соответствует устойчивой работе двигателя, второй – от S_k до S=1 – неустойчивой работе двигателя. В первом случае у работающего двигателя вращающий момент M двигателя уравновешивается тормозным моментом нагрузки M_t до тех пор, пока M_t<M_max(Максимальный момент двигателя). Если скорость двигателя уменьшается, скольжение возрастает, при этом вращающий момент двигателя также уменьшается, вследствие чего новое равновесие моментов наступить не может и двигатель останавливается. При нормальной работе двигатель должен иметь запас устойчивости, для чего максимальный момент двигателя должен быть больше номинального момента M_H, соответствующего номинальной мощности двигателя. Отношение M_max/M называется перегрузочной способностью двигателя и для асинхронных двигателей обычно равно 1,8-2,5.

Определим теперь критическое скольжение S_k, при котором вращающий момент M=M_max. Для этого нужно приравнять нулю первую производную по S от выражения (7)

П ри работе машины в режиме двигателя S>0, подставляя положительное значение критического скольжения в (7), получим:

Из последнего следует, что M_max не изменяется при изменении активного сопротивления ротора, однако, при этом меняется критическое скольжение. Возможность увеличения критического скольжения за счёт увеличения активного сопротивления ротора при одновременном сохранении неизменного M_max привела к созданию и использованию асинхронного двигателя с фазовым ротором. У последнего обмотка фазового ротора выполнена по типу обмотки статора и соединяется, как правило, в звезду. Концы обмоток подключают к трём контактным кольцам, изолированных друг от друга и насажанным на вал через диэлектрические прокладки. При помощи неподвижных щёток, наложенных на контактные кольца, в цепь ротора можно включить трёхфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели применяются там (с фазным ротором), где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движении механизма, а также частых пуска двигателя под нагрузкой. О свойствах любого двигателя судят обычно по его рабочим характеристикам. Рабочие характеристики трёхфазного асинхронного двигателя (рис.3) представляют собой зависимость тока статора I₁, коэффициента cos(φ₁), скорости вращения n₁, скольжения S, вращающего момента и КПД η от полезной мощности P₂ на валу двигателя при неизменных значениях питающего напряжения U₁ и частоты f₁.

Характеристика тока статора I₁=f(P₂). Ток холостого хода двигателя составляет 0,25-0,5 номинального тока двигателя. С увеличением нагрузки (с возрастанием скольжения) растёт ток ротора I₂ вследствие роста э.д.с. E₂, пропорциональной скольжению, что вызывает увеличение тока статора, а, следовательно, кривая I₂=f(P₂) носит восходящий характер. Характеристика коэффициента мощности cos=f(P₂). На холостом ходу угол φ велик, т.к. двигатель потребляет почти чисто реактивный ток, идущий на создание основного магнитного потока машины. При увеличении нагрузки и приближении её к номинальной возрастает активная составляющая тока вследствие увеличения механической мощности на валу двигателя. Реактивная составляющая тока мало изменяется , т.к. основной поток примерно постоянен. Поэтому с ростом нагрузки cos(φ) резко увеличивается.

При нагрузках выше номинальных возрастают магнитные потоки рассеяния, реактивная составляющая тока увеличивается, а cos(φ) уменьшается.

Характеристика n=f(P₂) или S=f(P₂). На холостом ходу ротор вращается со скоростью , а, следовательно, S=0. По мере увеличения нагрузки скорость вращения n уменьшается, а скольжение растёт. При возрастании нагрузки от 0 до номинального изменение скорости или скольжения составляет 2-5% и поэтому говорят, что асинхронный двигатель обладает жесткой скоростной характеристикой.

Характеристика вращающего момента M=f(P₂).В установившемся режиме работы двигателя вращающий момент складывается из полезного момента M₂ на валу двигателя и момента холостого хода M_0. Последний затрачивается на покрытие механических потерь. Этот момент можно приближенно считать не зависящим от нагрузки двигателя. Полезный момент пропорционален полезной мощности P₂ и обратно пропорционален скорости вращения

Последняя с ростом P₂ немного уменьшается и поэтому зависимость M₂(P₂) отклоняется от линейной. Кривая вращающего момента M(P₂) на величину M₀.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности P₂ к подводимой P₁:

,

где подводимая мощность равна сумме P₂ и мощностей всех потерь в двигателе. В асинхронных машинах существуют те же виды потерь, что и в др. электрических машинах.

Электромагнитный тормоз (ЭТ) представляет собой устройство, в котором тормозящий момент создаётся взаимодействием вихревых токов, наводимых во вращающемся диске, и магнитного поля электромагнитов. Основными элементами ЭТ являются алюминиевый диск, соединяемый с валом испытуемого двигателя и системы электромагнитов, укреплённых на кольце, установленном в шарикоподшипниках. К системе электромагнитов, которая может поворачиваться в направлении вращения диска, прикреплена стрелка и маятник с грузами. Тормозящий момент, создаваемый вихревыми токами, передаётся системе электромагнитов и поворачивает и до тех пор, пока отклоняющийся маятник не уравновесит момент двигателя. Величина тормозящего момента зависит от величины магнитного потока, а, следовательно, тока электромагнитов, поэтому, изменяя ток, можно менять величину тормозящего момента, т.е нагрузку двигателя. По углу отклонения стрелки на шкале определяется величина момента. Для измерения скорости вращения испытуемого двигателя применяется электронный тахометр.