Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда (стр. 7 из 20)

Если рассматривать только частотный диапазон устойчивой работы системы «генератор – регулятор», то с учетом формул (3.13) получим

,

,

. (3.15) Формула (3.15) показывает, что в диапазоне частот устойчивого взаимодействия генератора с регулятором напряжение на нагрузке генератора не зависит от возмущений и остается постоянным. Естественно, справедливость этого вывода определяется величиной ошибки, возникающей от замены участков экспонент в форме мгновенного напряжения генератора прямыми линиями.

Не останавливаясь на особенностях способов улучшения рабочих характеристик вибрационного регулятора напряжения, представленных на рисунке 3.15 схемами регуляторов с ускоряющим сопротивлением и с комбинацией ускоряющего и выравнивающего сопротивлений, обратим внимание только на следующие, принципиальные его особенности:

- по принципу действия, вибрационный регулятор опирается на широтно-импульсный способ регулирования напряжения, который является наиболее распространенным принципом действия наиболее совершенных современных регуляторов, в том числе и регуляторов напряжения;

- в вибрационном регуляторе, в чрезвычайно простом техническом варианте, реализован астатический принцип регулирования напряжения.

Последующие поколения регуляторов напряжения, фактически, развивались по пути преодоления недостатков вибрационного регулятора, которые проявились в виде:

- ограничения на степень сближения характеристик электромагнитных сил

и , а также жесткости возвратной пружины, связанного с обеспечением условий гашения электрической дуги при разрыве контактной пары и исключением дребезга контактов в момент их возврата в исходное состояние;

- ограничения на величину тока возбуждения генератора (

), связанного с необходимостью обеспечения нормального теплового режима контактной пары при приемлемых ее габаритных размерах;

- переменного периода пульсаций напряжения на нагрузке генератора;

- наличие подвижных элементов;

- недостаточной стабильности рабочих характеристик регулятора, вызванных механическим износом поверхностей контактной пары, изменением коэффициента упругости возвратной пружины, износом контактных поверхностей якоря и магнитопровода.

Первым удачным техническим решением, связанным с преодолением недостатков вибрационного регулятора, следует считать запуск в эксплуатацию угольного регулятора напряжения. Этот тип регулятора по настоящее время является основным типом регулятора напряжения в системах электроснабжения постоянного тока. Как и вибрационном регуляторе напряжения, основным структурным элементом угольного регулятора является электромагнитное реле. Но в отличие от двух устойчивых положений якоря электромагнита, используемых в вибрационном регуляторе для реализации его рабочих свойств, рабочий процесс угольного регулятора основан на использовании всего диапазона перемещения якоря электромагнита.

Основные элементы конструкции угольного регулятора напряжения, диаграмма силового взаимодействия его элементов и схема взаимодействия регулятора с генератором постоянного тока представлены на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17. Конструкция угольного регулятора и схема его включения

Принцип, положенный в основу стабилизации положения якоря электромагнита в произвольной точке рабочего зазора показан на рисунке 3.17, а). Допустим, как это показано на рисунке, возвратная пружина электромагнита выполнена с изменяющимся коэффициентом упругости, и на каждом из участков изменения рабочего зазора ( например, на участке АВ) существует общая точка (например, точка С) для характеристики электромагнитной силы и силы пружины. Свяжем перемещение ползунка реостата и величину напряжения на обмотке электромагнита

с перемещением якоря в рабочем зазоре. Тогда, если в точке С согласовать положение движка реостата с величиной напряжения , при котором снималась зависимость , то будут созданы условия или для стабилизации положения якоря в точке С, или вблизи точки С. Для подтверждения этого положения рассмотрим ход рабочего процесса в электромагните с момента подключения реостата к источнику . В момент подключения величина рабочего зазора максимальна, и на обмотку электромагнита подано напряжение . Так как при указанных обстоятельствах сила электромагните превышает силу возвратной пружины, то якорь начнет перемещение в сторону полюса электромагнита, и, одновременно, в процессе перемещения якоря, будет снижаться напряжение, приложенное к обмотке электромагнита. По мере перемещения якоря к точке С ускорение его движения будет уменьшаться и в точке С примет нулевое значение. Дальнейшее состояние якоря электромагнита будет зависеть от его механической инерционности. При малой инерционности якоря процесс его движения прекратится в точке С. При повышенной инерционности якоря процесс его перемещения может прекратиться в любой из точек на участке СВ характеристики возвратной пружины. Точка В является предельным положением якоря электромагнита применительно к рассматриваемому процессу, так как излом характеристики возвратной пружины в точке В приводит к перемене знака ускорения, действующего на якорь.

Таким образом, за счет использования обратной связи по напряжению, подаваемому на обмотку электромагнита можно добиться стабилизации положения якоря электромагнита в произвольной точке рабочего зазора. Применительно к схеме, представленной на рисунке 3.17, а), каждая из выбранных точек равновесия требует предварительного согласования по положению ползунка реостата и соответствию характеристики электромагнитной силы напряжению, которое подается на обмотку электромагнита.

В угольном регуляторе напряжения функцию реостата выполняет переменное сопротивление, включенное последовательно с обмоткой возбуждения генератора. Переменное сопротивление выполнено в виде набора (столба) угольных шайб. Установлено, сопротивление «угольного столба» зависит от его геометрических размеров (размеров единичной угольной шайбы и числа шайб в угольном столбе) и степени сжатия шайб между собой в общей конструкции угольного столба. Из конструкции угольного регулятора, представленной на рисунке 3.17, видно, что его основным структурным элементом является электромагнит. Электромагнит имеет броневое исполнение (на рисунке 3.17 показаны основные элементы конструкции электромагнита: магнитопровод, полюс, дисковый якорь, обмотка и возвратная пружина). На магнитопроводе электромагнита жестко закреплен радиатор с внутренней цилиндрической полостью. Набранный из угольных шайб угольный столб располагается внутри цилиндрической полости радиатора и изолирован от поверхности радиатора. Изолятором обычно служит цилиндрическая, полая, пластмассовая втулка (на рисунке не показана). Нижняя и верхняя угольные шайбы армированы металлическими, контактными шайбами, одна из которых имеет электрический контакт с обмоткой возбуждения, другая – с плюсовым зажимом генератора. Настройка регулятора производится с помощью двух регулировочных винтов, один из которых (нижний на рисунке 3.17) совмещен с полюсом электромагнита. Конструкция угольного регулятора обеспечивает его работоспособность при любом его пространственном положении.

Как следует из схемы объединения генератора с угольным регулятором, стабилизация положения якоря электромагнита в произвольной точке рабочего зазора (степень сдавливания угольного столба) обеспечивается наличием обратной связи между положением якоря и напряжением генератора (напряжением, приложенным к обмотке электромагнита). Преимущество подобного способа организации обратной связи состоит в том, что при таком способе ее организации открывается возможность стабилизации положения якоря в произвольной точке рабочего зазора при стационарном положении характеристики электромагнитной силы.