РОЗДІЛ 3
ЛАБОРАТОРНІ ЗАНЯТТЯ

3.1 Лабораторне заняття №1П – Дослідження характеристик генераторів постійного струму з незалежним, паралельним і змішаним збудженням

3.1.1.1 Генератор з незалежним збудженням

Характеристикою холостого ходу називається залежність вихідної напруги від струму збудження U₀ = f(I_з) за відсутності струму якоря (I_а = 0), для чого коло навантаження повинно бути розімкненим.

В цьому режимі в генераторі відсутні реакція якоря і спад напруги в якірному колі, в зв’язку з чим вихідна напруга U₀ дорівнює ЕРС E₀, що наводиться в обмотці якоря:

                                                                                    (3.1)

яка при постійній швидкості ω пропорційна основному потоку Ф₀. Оскільки залежність Ф₀ = f(I_З) є кривою намагнічування машини, характеристика холостого ходу повинна повторювати її вигляд. Якщо магнітне коло машини було повністю розмагнічене, то при збільшенні струму збудження залежність U₀ = f(I_з) графічно зображається кривою 1 – кривою початкового намагнічування (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Характеристика холостого ходу генератора з незалежним збудженням

Кожному значенню струму збудження I_з при його зменшенні (крива 2) відповідають дещо більші значення потоку Ф₀ і ЕРС E₀, ніж при збільшенні струму збудження. При I_з = 0 генератор має невеликий потік залишкового магнетизму Ф_зал. і відповідну йому ЕРС E_зал (відрізок 0D). Здебільшого величина залишкової ЕРС E_зал не перевищує (2¸6)% від номінального значення Е_ном.

За розрахункову приймають характеристику 1. Точку А, що відповідає номінальним параметрам генератора, вибирають при розрахунках на „коліні” (на вигині) характеристики холостого ходу. Вибирати точку в області значного насичення феромагнітних матеріалів недоцільно, тому що це призводить до значного збільшення струму, потужності й габаритних розмірів обмотки збудження при незначному збільшенні ЕРС.

Навантажувальна характеристика є залежністю U = f(I_з) при постійному значенні струму навантаження, здебільшого при I_а = I_ном = const.

Рівняння генератора в цьому режимі має вигляд:

                                                                (3.2)

При постійному струмі навантаження I_а спад напруги I_аR_а = const, де ΔΕ залежить від міри насичення машини, тобто від струму збудження I_з. При малих I_з магнітне коло насичене, тому поперечна реакція якоря тільки викривляє основне поле машини, не змінюючи його за величиною, внаслідок чого ΔΕ = 0, а U = E₀ – I_аR_а (рис. 3.2, ділянка ke навантажувальної характеристики 1).

Рисунок 3.2 – Навантажувальна характеристика генератора з незалежним збудженням

При насиченні магнітного кола поперечна реакція якоря починає зменшувати основне магнітне поле машини, а як наслідок, і ЕРС, яка наводиться в обмотці якоря, що враховується в рівнянні величиною ΔΕ. Зі збільшенням струму збудження ступінь зменшення ЕРС ΔΕ також зростає. Внаслідок цього навантажувальна характеристика 1 в ненасиченій області розміщена майже паралельно характеристиці холостого ходу 2, а в зоні насичення вони поступово розходяться через збільшення ΔΕ (рис. 3.2, ділянка ec). Характеристику холостого ходу можемо розглядати як один із випадків навантажувальної характеристики при I_а = 0.

Наочне уявлення про ці фактори дає характеристичний трикутник aвc (див. рис. 3.2). Для побудови характеристичного трикутника на навантажувальній характеристиці (крива 1) відмічають точку с, що відповідає номінальній напрузі U_ном. Потім відкладають вертикальний відрізок вc, рівний спаду напруги в колі якоря при номінальному навантаженні (І_а.номR_а) і проводять горизонтальний відрізок вa до перетину з характеристикою холостого ходу (крива 2). З’єднавши точку a з точкою c, отримують трикутник aвc, який називають характеристичним. Катет вc пропорційний струму якоря. Катет aв в масштабі струму збудження є собою розмагнічоючою дією поперечної реакції якоря. Інакше кажучи, він пропорційний тій частині струму збудження генератора, яка йде на компенсацію розмагнічуючої реакції якоря при номінальному режимі роботи.

Відрізок fd на рис. 3.2 в масштабі напруги відповідає виразу E₀ = с_мωΦ₀,, відрізок fc – номінальній напрузі U_ном, а відрізок вd відповідає ΔΕ.

Зовнішня характеристика – це залежність U = f(I_а) за відсутності будь-якого регулювання в колі збудження, тобто при R_з = const. Оскільки напруга джерела не змінюється, то не буде змінюватись і струм збудження І_з, а як наслідок, Φ₀ = const і E₀ = с_мωΦ₀ = const.

В режимі холостого ходу (І_а = 0) U₀ = E₀, а при збільшенні навантаження напруга почне зменшуватися відповідно до рівняння

                                                                                (3.3)

При номінальному струмі якоря І_а.ном і струмі збудження І_з.ном напруга на виході генератора повинна бути номінальною. Різниця ΔU_ном = U₀ – U_ном називається зміною напруги генератора.

Відповідно до основного рівняння

                                                                      (3.4)

тобто зміна напруги генератора обумовлена:

1) зменшенням ЕРС в результаті розмагнічуючої дії реакції якоря;

2) спадом напруги в опорах кола якоря.

Величина ΔU_ном здебільшого виражається у відсотках від номінальної напруги:

                                                         (3.5)

В сучасних генераторах ΔU_ном в основному складає 5–10% номінальної напруги U_ном. Зовнішня характеристика генератора незалежного збудження подана на рис. 3.3 (крива 1).

Рисунок 3.3 – Зовнішня характеристика генератора з незалежним збудженням

Зовнішню характеристику можна побудувати за характеристикою холостого ходу і характеристичним трикутником (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Побудова зовнішньої характеристики генератора з незалежним збудженням за допомогою характеристики холостого ходу і характеристичного трикутника

В координатних осях U, І_з будують спадну частину характеристики холостого ходу і характеристичний трикутник aвc. Характеристичний трикутник розміщують так само, як і на рис. 3.2, тобто його вертикальний катет вc співпадає з лінією усталеного струму збудження І_з.ном, а вершина a знаходиться на лінії характеристики холостого ходу; положення вершини c визначається напругою U = U_ном на затискачах генератора при номінальному навантаженні. Тоді точка c характеристики холостого ходу буде відповідати точці 1 зовнішньої характеристики U = f(I_з) при І = І_а.ном. Якщо врахувати, що катети, а отже, й гіпотенуза характеристичного трикутника змінюються пропорційно струму якоря І_а, то для визначення інших точок зовнішньої характеристики достатньо провести, як показано на рис. 3.4, відрізки, паралельні гіпотенузі ac (гіпотенузи нових характеристичних трикутників). Тоді нижні точки цих відрізків (наприклад, ) на прямій df будуть визначати значення напруги  при струмі

                                                                                        (3.6)

і т.д. Перенісши ці точки по горизонталі в лівий квадрант для відповідних значень І_а і з’єднавши їх плавною кривою, отримаємо зовнішню характеристику.

Регулювальна характеристика – це залежність I_з = f(I_а) при постійній напрузі на затискачах генератора (U = U_ном = const). Вона показує яким чином потрібно регулювати струм збудження, щоб підтримувати постійну напругу генератора при зміні навантаження. Оскільки при I_з = const напруга на затискачах генератора знижується при збільшенні струму якоря I_а, що видно із зовнішньої характеристики, то для підтримання його постійним потрібно збільшувати ЕРС Е₀ збільшуючи струм збудження.

                               (3.7)

Регулювальна характеристика генератора з незалежним збудженням зображена на рис. 3.5 (крива 1).

Рисунок  3.5 – Регулювальна характеристика генератора з незалежним збудженням

Характеристика короткого замикання – це залежність I_а = f(I_з) при U = 0. При короткому замиканні обмотки якоря генератора його рівняння має вигляд:

                                                                                      (3.8)

звідки

                                                                                            (3.9)

а

                                                                                (3.10)

де  – коефіцієнт пропорційності ЕРС.

При I_а.к = I_а.ном ЕРС E_0к в основному не перевищує 5% номінальної напруги. При цьому магнітне коло машини ненасичене і тому характеристика короткого замикання є прямою лінією (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Характеристика короткого замикання генератора з незалежним збудженням

Оскільки в машині є залишковий потік, то при I_з = 0 в колі якоря протікає струм короткого замикання I_а.к.0, обумовлений залишковою ЕРС:

                                                                        (3.11)