Обмотки, расположенные на полюсах статора  и создающие постоянный магнитный  поток, называются обмотками возбуждения. По способу включения обмоток возбуждения различают следующие типы машин:

• с независимым возбуждением, когда обмотка питается от независимого источника постоянного тока;
• с параллельным возбуждением (шунтовая машина);
• с последовательным возбуждением (сериесная машина);
• со смешанным возбуждением (компаундная машина)

      Три последние типа машин не требуют для питания обмоток возбуждения отдельного источника, поскольку напряжение подается на эти обмотки непосредственно от обмотки якоря. Такие машины получили название машин с самовозбуждением.

     Суть  самовозбуждения состоит в том, что магнитная система машины, будучи однажды намагниченной, сохраняет  остаточную магнитную индукцию. При вращении якоря остаточная индукция наводит в его обмотках ЭДС, которая и создает первоначальный ток в обмотке возбуждения, связанной электрически с обмоткой якоря. Этот ток усиливает магнитное поле возбуждения и тем самым увеличивает ЭДС в обмотке якоря. Увеличение ЭДС вызывает дальнейшее увеличение тока возбуждения, что усиливает магнитный поток полюсов и в свою очередь ведет к увеличению ЭДС якоря и т.д. Процесс этот продолжается до тех пор, пока падение напряжения на обмотке возбуждения не уравновесит напряжение на обмотке якоря U_я = U_ном. Наиболее широкое применение в качестве генератора постоянного тока нашла машина с параллельным возбуждением. Она самая экономичная из машин постоянного тока, так как ее обмотка возбуждения имеет большое число витков, намотанных тонким проводом, и ток возбуждения не превышает 5 % от тока якоря.

     Внешняя характеристика. Второй важной характеристикой генератора является его внешняя характеристика U=f(I_н) — зависимость выходного напряжения U от тока нагрузки I_н.

     Внешние характеристики существенно зависят  от способа возбуждения машины (рис. 2.1).

     Кривая  1 соответствует генератору с независимым возбуждением. Уменьшение напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется в основном увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи (внутреннем сопротивлении источника).

     Кривая  2 соответствует генератору с параллельным возбуждением. Ее более резкое падение объясняется дополнительным уменьшением тока возбуждения при уменьшении выходного напряжения.

Рис. 2.1. Внешние характеристики генератора:

с независимым  возбуждением (1), с параллельным возбуждением (2), со смешанным возбуждением при согласном (3) и встречном (4) включении обмоток 

     В машине со смешанным возбуждением и  согласным включением обмоток (обе увеличивают магнитный поток) можно компенсировать падение напряжения за счет обмотки последовательного возбуждения (кривая 3). При встречном включении обмоток (намагничивающие силы их направлены встречно) выходное напряжение падает резко (кривая 4), так как магнитный поток создается разностью намагничивающих сил параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

     Процентное  уменьшение напряжения при переходе от холостого хода к номинальному току нагрузки определяется по формуле 

     Приборы и оборудование

     Объектом  испытаний является машина постоянного  тока с параллельным возбуждением, работающая в режиме генератора. Ее приводом служит асинхронный электродвигатель с коротко-замкнутым ротором.

     Защитные устройства — предохранители для постоянного и переменного тока, лампы, сигнализирующие о подаче питания в ЭД.

     Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями по данной теме. Подготовить в рабочей тетради протокол испытаний.
2. В соответствии с данными табл. 2.1 для своего варианта вычислить в первом приближении ЭДС генератора. Формулы и результаты вычислений занести в протокол испытаний.

     Таблица 2.1

 

3. Ознакомиться  с помощью демонстрационного  макета с конструкцией машины постоянного  тока, изучить схему коммутации и управления системой двигатель—генератор, определить используемые измерительные приборы.
4. Собрать схему

     Занести в протокол испытаний паспортные данные приводного двигателя и генератора

     Тип…

     Напряжение…

     Ток…

     Частота вращения…

5. Для снятия внешней характеристики U(I_н) установить ток возбуждения генератора таким, чтобы напряжение на зажимах генератора на холостом ходу (без нагрузки) было номинальным U_ном, увеличить ток нагрузки от нуля до I=1.1I_н. Снять показания приборов и результаты занести в таблицу 2.2.

 Таблица 2.2

6. После согласования протокола испытаний с преподавателем отключить двигатель, разобрать ЭЦ, проводники и приборы сдать лаборанту, рабочее место привести в порядок.
7. На основании данных табл. 2.2 построить внешнюю характеристику U=f(Iн): Определить процентное изменение напряжения ΔU٪.
8. Основные формулы

Е = с_еФп;

.

9. Сделать краткие выводы по работе, составить отчет.

     Контрольные вопросы

1. Какие законы положены в основу работы электрических машин?
2. Что такое генератор?
3. Какие основные узлы входят в состав машины постоянного тока?
4. Какую роль играют статор, ротор и коллектор генератора?
5. Назовите способы возбуждения машин постоянного тока.
6. Назовите основные характеристики генератора постоянного тока.
7. Что позволяет определить характеристика холостого хода?

     ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

 

     Исследование  двигателя постоянного тока

     Цель  работы. Изучить конструкцию двигателя постоянного тока. Снять частотную характеристику двигателя.

     Краткие теоретические сведения

     Электрическая машина постоянного тока, работающая в режиме двигателя, преобразует подводимую электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения вала.

     Поскольку машина постоянного тока обратима и  может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, конструктивная схема электрического двигателя аналогична схеме генератора и включает в себя те же основные узлы: статор, ротор и коллектор. Аналогичны и схемы включения обмоток возбуждения.

     В основу работы электрического двигателя  положены законы электромагнитной индукции и электромагнитных сил. В соответствии с законом Ампера на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, пропорциональная магнитному потоку Ф и электрическому току I:

                                                        F = lФI, 

     где l — длина проводника (конструктивный параметр).

     Если  двигатель постоянного тока с  параллельным возбуждением подключить к источнику постоянного напряжения, то в якорной обмотке и обмотке возбуждения появится ток. Намагничивающая сила обмотки, возбуждения создает постоянный магнитный поток Ф, пронизывающий обмотку якоря с током I_я. Это приводит к возникновению действующего на якорь вращающего момента

                                                           М_вр = с_мФI_я,                                           

     где с_м — конструктивный коэффициент, т. е. постоянный для данной машины коэффициент, определяемый ее конструктивными параметрами.

     Как только якорь приходит во вращение и его обмотка начинает пересекать магнитный поток возбуждения Ф, в ней в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, пропорциональная величине потока Ф и частоте вращения п

                                                      Е_я = с_еФn                                        

     Наведенная  ЭДС направлена навстречу приложенному напряжению и стремиться уменьшить ток якоря. В момент пуска двигателя n = 0 и, соответственно, E = 0. Ток якоря

     I_я = U/R _я

     велик, так как его сопротивление R _я мало.

     Пусковой  ток двигателя постоянного тока может превышать номинальное  значение тока якоря в 20—50 раз, что  отрицательно влияет на надежность его  работы — увеличивается искрение коллектора, перегреваются обмотки якоря и нарушается их изоляция. Поэтому для нормального пуска двигателя используются специальные пусковые реостаты, включаемые последовательно с обмоткой якоря. В этом случае ток якоря

                                                         I_я = U/(R_я+R_п.р)                                     

     где R_п.р  — сопротивление пускового реостата.

     Как только якорь приходит во вращение, в его обмотках индуктируется ЭДС и выражение для тока принимает вид

                                                       I_я = (U-Е_я)/(R_я+R_п.р)                           

     Под действием ЭДС ток уменьшается, благодаря чему можно уменьшать  сопротивление R_п.р постепенно по мере разгона двигателя вплоть до нуля. После выведения из цепи обмотки якоря сопротивления пускового реостата

                                                I_я = (U - E_я)/ R_я = (U - с_еФn)/ R_я                  

     Основными параметрами двигателя являются частота вращения n и развиваемый момент М_вр. Выражение для частоты вращения:

                           n = (U -  I_я R_я)/(с_еФ) =U/ (с_еФ) -  (R_я  / (с_еФ)) I_я = n₀ – Δn,

     где n₀ = U/ (с_еФ) — номинальная скорость на холостом ходу;

 Δn = (R_я  / (с_еФ)) I_я  - уменьшение частоты вращения при увеличении нагрузки на двигатель.

     Важнейшее свойство двигателя постоянного  тока — способность плавно изменять свою частоту вращения от нуля до номинальной величины — сделали его основным приводным двигателем транспортных устройств (трамвая, троллейбуса, электропоезда, электрокара и др.).