Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда (стр. 1 из 20)

МОСКОВСКИЙ ЭНРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Источник переменного тока на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов

Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы

Описание лабораторного стенда,

указания к технологии выполнения

лабораторной работы,

методический материал к обработке результатов

экспериментальных исследований и

подготовке к защите лабораторной работы

Описание составил профессор И.М. Беседин

Москва 2004 г.

Цель работы. Исследование функциональных свойств источника электроэнергии переменного тока, структурно реализованного в виде синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов и регулятора напряжения. Исследование элементов структуры регулятора напряжения и особенностей его взаимодействия с объектом регулирования.

Объект исследования. Объектом исследования в лабораторной работе является источник электроэнергии переменного тока, представленный функционально связанными структурными элементами: синхронным генератором с возбуждением от постоянных магнитов (силовой элемент структуры) и регулятором напряжения (устройство управления одним из показателей качества электроэнергии). Структура источника переменного тока является типовой для самолетных систем электроснабжения, а способ возбуждения синхронного генератора не является определяющим признаком при исследовании функциональных свойств источника.

В общем случае, при обосновании структуры источника переменного тока следует принять во внимание, что и в варианте источника переменного тока постоянной частоты, и варианте источника переменного тока переменной частоты силовым элементом структуры источника будет электромеханический преобразователь, а в части выбора устройства управления уровнем напряжения источника имеется определенная свобода для разработчика.

Учтем, что отдельные исследования и технические разработки по использованию на летательных аппаратах разновидностей электромеханических преобразователей в генераторном режиме работы не позволяют сделать вывод, что они в ближайшее время будут реально конкурировать с синхронным электромеханическим преобразователем в системах генерирования переменного тока. Поэтому в лабораторной работе внимание студентов сосредотачивается на особенностях использования именно синхронного генератора в структуре источника переменного тока.

Решение вопроса о необходимости введения в структуру источника электроэнергии регулятора напряжения определяется двумя обстоятельствами. В автономном режиме работы источника регулятор напряжения необходим в том случае, если в заданном диапазоне изменения нагрузки генератора его напряжение выходит за допусковую зону, определяемую нормой эксплуатации потребителей электроэнергии. То есть, если генератор как источник электроэнергии сильно отличается по качеству напряжения от характеристики идеального источника ЭДС. При использовании генератора в режиме параллельной работы с другими источниками переменного тока необходимость использования регулятора напряжения возникает лишь в том случае, если этого требует выбранный метод параллельной работы. С учетом отмеченных обстоятельств ниже дается анализ основных факторов, определяющих степень отличия свойств синхронного генератора от идеального источника ЭДС. Опорным элементом анализа является математическая модель синхронного генератора (лабораторная работа 1).

Основной характеристикой электромеханического преобразователя, используемого в генераторном режиме работы, является его внешняя (нагрузочная) характеристика. Внешняя характеристика показывает взаимосвязь между напряжением

на нагрузке и током генератора при изменении сопротивления нагрузки. Характеристика снимается в автономном режиме работы генератора, при этом поддерживаются постоянными частота вращения вала генератора ( ) и коэффициент мощности нагрузки ( ). Характер изменения внешней характеристики в координатах должен свидетельствовать о способности генератора к отдаче расчетной мощности в рамках заданных границ по току и напряжению. Кроме того, наблюдаемая по внешней характеристике степень изменения напряжения на нагрузке в расчетном диапазоне изменения тока генератора, помогает решить вопрос и о необходимости использования в структуре источника регулятора напряжения, и о предпочтительном способе регулирования напряжения. На форму внешней характеристики генератора оказывают влияние три фактора: способ возбуждения генератора, величина внутреннего сопротивления генератора и характер (коэффициент мощности) нагрузки. Учитывая, что идеальной внешней характеристикой генератора как источника электроэнергии является внешняя характеристика источника ЭДС, рассмотрим степень влияния названных факторов на возможность достижения названного идеала.

На рисунке 3.1 представлены схемы современных систем возбуждения электромеханических преобразователей. Системы возбуждения показаны применительно к генераторному режиму использования преобразователя и являются инвариантными относительно типа электромеханического преобразователя.

Рисунок 3.1 Способы возбуждения электромеханических преобразователей

Как следует из схем, представленных на рисунке 3.1, для создания магнитного поля в электромеханическом преобразователе можно использовать индукторы двух типов. Наиболее распространенным способом возбуждения магнитного поля является способ, связанный с использованием в структуре индуктора системы катушек с током. Этот способ получил название электромагнитного возбуждения. Другой способ связан с включением в структуру индуктора системы предварительно намагниченных постоянных магнитов. Генераторы, в структуре индукторов которых используются постоянные магниты, получили название генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (реже – магнитоэлектрических генераторов). При электромагнитном способе возбуждения генератора электропитание его обмотки возбуждения можно осуществить двумя способами. Если для питания обмотки возбуждения генератора используется независимый источник, то способ возбуждения называется независимым, а генератор называется генератором с независимым возбуждением. При совмещении источников питания нагрузки и обмотки возбуждения имеет место система самовозбуждения, а генератор получает название генератора с самовозбуждением.

Влияние способа возбуждения генератора на вид его внешней характеристики показано на рисунке 3.1 применительно к идентичным по мощности генераторам. Наибольшее различие во внешних характеристиках наблюдается у генераторов с электромагнитным возбуждением. При одинаковой мощности генераторов с электромагнитным возбуждением, ток короткого замыкания генератора с независимым возбуждением будет наибольшим током генератора, в то время как ток короткого замыкания генератора с самовозбуждением не превосходит номинального тока генератора. Малая величина тока короткого замыкания в генераторе с самовозбуждением объясняется тем, что в его формировании участвует только ЭДС, определяемая магнитным потоком остаточной намагниченности полюсной системы генератора. При использовании для возбуждения генератора системы постоянных магнитов, остаточная намагниченность полюсов индуктора становится основным источником магнитного поля в магнитной системе генератора. Поэтому внешняя характеристика генератора с возбуждением от постоянных магнитов (по виду) может занимать любое промежуточное положение между внешними характеристиками генераторов с электромагнитным возбуждением.

На рисунке 3.2 двумя фрагментами представлены процесс самовозбуждения генератора с электромагнитным возбуждением и процедура формирования внешней характеристики генератора с самовозбуждением.

Возможность возбуждения магнитного потока в магнитной системе генератора, обмотка возбуждения которого подключена непосредственно на напряжение генератора (через выпрямитель в случае генератора переменного тока) обычно связывают с наличием остаточного магнитного потока, обусловленного использованием в генераторе ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы, входящие в конструкцию индуктора генератора, хотя и относятся к магнитно-мягким материалам (с малой величиной коэрцитивной силы), способны поддерживать магнитный поток в магнитной системе генератора даже после снятия напряжения с обмотки возбуждения. Применительно к магнитным системам это явление называют остаточной намагниченностью.

Анализ процесса самовозбуждения генератора рассмотрим, опираясь на характеристику холостого хода генератора

и постоянное значение сопротивления обмотки возбуждения.