Методические указания по подготовке к выполнению и выполнению лабораторной работы Описание лабораторного стенда (стр. 8 из 20)

Рабочий диапазон изменения сопротивления угольного столба определяют два предельных положения якоря электромагнита. При нулевом значении тока в обмотке электромагнита (максимальная величина рабочего зазор) угольный столб сжат возвратной пружиной и его сопротивление будет минимальным. В этом положении якоря усилие пружины

уравновешивается силой реакции угольного столба . Если в обмотку электромагнита подать ток, величина которого достаточна для выполнения соотношения , то величина рабочего зазора в электромагните станет минимальной. Обычно минимальная величина рабочего зазора ограничивается немагнитной прокладкой, наличие которой исключает явление «залипания якоря» при работе электромагнита. При минимальном зазоре угольный столб растянут, и величина его сопротивления будет иметь максимальное значение. При анализе стационарного состояния якоря электромагнита в любом промежуточном положении ( ) кроме электромагнитной силы и силы возвратной пружины необходимо учитывать силу реакции угольного столба ( ). Направление сил, действующих на якорь электромагнита, показано на рисунке 3.17, б). Обычно силу возвратной пружины и силу реакции угольного столба с учетом их взаимной направленности заменяют силой , величина которой определяется уравнением . Силу называют механической силой электромагнита.

Таким образом, в соответствии с рисунком 3.17, статическое положение якоря в произвольной точке (

) рабочего зазора электромагнита определяется равенством двух сил, действующих на якорь – электромагнитной силы и силы механической.

Для обеспечения требуемых свойств системы «генератор – угольный регулятор напряжения» подбирают характеристику возвратной пружины так, чтобы было обеспечено совпадения электромагнитной силы и силы механической на определенном интервале (

) изменения рабочего зазора. Технически, эта возможность реализуется в виде особой конструкции возвратной пружины. При нелинейном характере изменения электромагнитной силы ее совпадение с силой механической возможно только при нелинейности коэффициента упругости возвратной пружины. Эта нелинейность коэффициента упругости возвратной пружины получена за счет ее особой конструкции. Возвратная пружина в угольном регуляторе выполняется в виде системы упругих металлических лепестков, которые последовательно вступают в работу при изменении величины рабочего зазора. Если в интервале изменения рабочего зазора достигнуто равенство электромагнитной и механической сил, то при стабилизированной величине сопротивления обмотки электромагнита открывается возможность изменения величины сопротивления угольного столба при постоянном значении напряжения генератора. Это означает, что в интервале изменения рабочего зазора угольный регулятор будет регулятором астатическим.

На рисунке 3.18 представлены скоростные характеристики генератора постоянного тока, работающего в комплекте с угольным регулятором напряжения, на полюсе которого расположена единственная (основная) обмотка.

Для сравнения эффективности использования угольного регулятора напряжения скоростные характеристики генератора представлены для двух режимов взаимодействия регулятора с генератором. Графики 1 и 2 соответствуют режиму работы генератора при отключенной обмотке электромагнита. В этом режиме, независимо от частоты вращения вала генератора и его нагрузки, угольный столб регулятора будет находиться в сжатом состоянии, а сопротивление угольного столба будет минимальным. График 1 соответствует режиму холостого хода генератора, график 2 показывает взаимосвязь между напряжением генератора и частотой вращения его вала при постоянном сопротивлении нагрузки

, подключенной на зажимы генератора.

В нормальном режиме использования регулятора напряжения по основной обмотке его электромагнита протекает ток, величина которого пропорциональна напряжению генератора. Следовательно, при любой частоте вращения вала генератора

, на якорь электромагнита, кроме силы пружины и силы реакции угольного столба, будет воздействовать и электромагнитная сила, созданная МДС обмотки электромагнита. Поскольку электромагнитная сила стремится уменьшить величину рабочего зазора, то скоростные характеристики генератора, соответствующие рассматриваемому режиму использования угольного регулятора, будут располагаться ниже ранее полученных характеристик 1 и 2. Это произойдет из-за увеличения сопротивления цепи возбуждения генератора, равного . Новые скоростные характеристики генератора представлены на рисунке графиками 3 и 4.

Рисунок 3.18. Скоростные характеристики генератора

Из графиков, представленных на рисунке 3.18 можно сделать вывод, что протяженность зоны (

), в которой на нагрузке генератора поддерживается номинальный уровень напряжения, зависит от величины нагрузки генератора. В режиме холостого хода эта зона имеет максимальную протяженность, при максимальной нагрузке генератора – минимальную. В скоростном диапазоне напряжение генератора остается постоянным и равным номинальному значению независимо от скорости вращения вала генератора и величины нагрузки, подключенной на его зажимы. Для обеспечения названных свойств источника электроэнергии необходимо, чтобы конструкция угольного столба допускала изменение его сопротивления в интервале .

Полная схема угольного регулятора, позволяющая реализовать его положительные свойства в реальных условиях эксплуатации, представлена на рисунке 3.19.

Как было установлено при анализе схемы угольного регулятора с единственной обмоткой на полюсе электромагнита, его положительные свойства проявляются только в том случае, если приняты меры по выполнению равенства

. (3.16) Из содержания формулы (3.16) можно установить, что основным, дестабилизирующим уровень регулируемого напряжения фактором, является изменение температуры, свойственное области эксплуатации угольного регулятора. В регуляторе напряжения, схема которого представлена на рисунке 3.19, задача по стабилизации зависящей от напряжения генератора МДС решается введением заменой единственной обмотки эквивалентной электрической системой, состоящей из двух обмоток и сопротивления. Если, по направлению МДС, основную обмотку регулятора и обмотку температурной компенсации включить встречно и последовательно с сопротивлением основной

обмотки включить сопротивление

с нулевым температурным коэффициентом, то можно вычислить величину эквивалентной МДС электромагнита в виде

Рисунок 3.19 Техническая схема источника постоянного тока

с угольным регулятором напряжения

. (3.17)

Формула (3.17) показывает, что с помощью рассмотренного способа не удается достигнуть полной компенсации температурного дестабилизирующего фактора на уровень регулируемого напряжения. Его техническое использование можно рассматривать как компромиссное решение по достижению приемлемости степени ухода регулируемого напряжения из-за изменения температуры окружающей среды и массы регулятора напряжения.

Вторым схемным решением, улучшающим скоростную характеристику генератора, является введение в техническую схему угольного регулятора (рисунок 3.19) выравнивающей обмотки

. При правильном подборе сопротивлений резисторов и , разрешенное направление тока, протекающего по выравнивающей обмотке, сохраняется только при малой частоте вращения вала и большой нагрузке генератора (при малом сопротивлении угольного столба). При встречном (как это видно их схемы, представленной на рисунке 3.19) направлении взаимодействия МДС выравнивающей обмотки и эквивалентной МДС получается задержка в перемещении якоря электромагнита в рабочем зазоре. Если, с помощью диода , ограничить зону активного использования обмотки диапазоном малых частот вращения вала , то скоростная характеристика генератора займет новое положение. Новое положение скоростных характеристик генератора, при наличии в схеме угольного регулятора напряжения выравнивающей обмотки, показано на рисунке 3.19 графиками 5 (для режима холостого хода) и 6 (для режима работы генератора с расчетной нагрузкой). Этот способ коррекции скоростной характеристики генератора позволяет уменьшить частоту вращения вала , при которой генератор способен отдать расчетную мощность.