BADANIE SILNIKA SZEREGOWEGO

8. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami silnika szeregowego oraz wyznaczenie

charakterystyk badanego silnika.

Silnik szeregowy nie może pracować w stanie jałowym, ponieważ bez obciążenia na wale „rozbiega

się”. W związku z tym wał silnika powinien być stale obciążony w taki sposób, aby prędkość obrotowa nie
przekraczała prędkości znamionowej przy napięciu znamionowym. Przed uruchomieniem silnika należy
zapewnić występowanie momentu hamującego na wale wirującego silnika, np. przez sprzęgnięcie go
z prądnicą.

8.1. Przebieg pomiarów

8.1.1. Charakterystyka rozruchowa

Charakterystyka rozruchowa M = f(I

a

) przedstawia zależność momentu elektromagnetycznego M

w funkcji prądu twornika I

a

. Charakterystykę rozruchową wykonuje się na podstawie schematu połączeń

przedstawionego na rys.8.1, a wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 8.1.

Próbę wykonuje się przy zahamowanym wirniku. Do wału silnika przymocowuje się dźwignię, której

koniec opiera się na wadze. Moment na wale silnika M

2

wyraża się jako iloczyn długości ramienia l i ciężaru

G równoważącego wagę:

M

2

= 9,806 G l [Nm],

gdzie G [kg], l [m].

Silnik zasilany jest regulowanym napięciem prądu stałego, lub, przy stałym napięciem zasilania, przez

regulowany opornik wodny R

r

, w granicach prądu twornika od I

a

= 1,2I

n

do uzyskania momentu równego

zero.

V

2 2 0 V =

A

E

I

I

a

I

f

A 1

A 2

B 1

B 2

D 1

D 2

R

r

Rys.8.1. Schemat połączeń do pomiaru charakterystyki rozruchowej silnika szeregowego

1

Tabela.8.1.

Lp

U

I

a

G

l

M

2

M

M

V

A

kg

m

Nm

Nm

Nm

W silniku szeregowym prąd twornika, równy prądowi obciążenia, jest jednocześnie równy prądowi

magnesującemu (wzbudzenia), czyli I

a

= I = I

w

. Moment elektromagnetyczny, przy pominięciu nasycenia

obwodu magnetycznego i reakcji twornika, jest wyrażony jako:

2

a

cI

M



,

co tłumaczy prawie paraboliczny przebieg wyznaczonej charakterystyki. Moment ten jest większy od
zmierzonego momentu na wale silnika - M

2

– o wartość momentu strat wywołanych tarciem w łożyskach

i szczotek o komutator. Dodając do rzeczywistego przebiegu charakterystyki moment strat, otrzymuje się
przebieg momentu elektromagnetycznego M w funkcji prądu twornika I

a

.

Charakterystyka rozruchowa M = f(I

a

) przedstawiono na rys.8.2. Jej rzędne otrzymuje się przez

dodawanie wartości

M = OB. do linii eksperymentalnie wyznaczonego momentu M

2

. Punkt B leży na osi

rzędnych, w miejscu jej przecięcia z przedłużeniem B

1

B charakterystyki M

2

= f(I

a

).

M

M

I

a

0

B

B

1

Rys.8.2. Charakterystyka rozruchowa silnika szeregowego

M = f(I

a

)

8.1.2. Charakterystyka mechaniczna

Charakterystyka mechaniczna jest zależnością między prędkością obrotową n lub kątową

 = 2n

silnika od jego momentu elektromagnetycznego M, przy stałym napięciu zasilania U –

n = f(n) lub n = f(

), U = const.

Z powodu bezpośredniej zależności momentu elektromagnetycznego od prądu twornika maszyny –

M = c

M

I

a

, charakterystyką mechaniczną jest również zależność

n = f(I

a

), U = const,

nazywanej czasem charakterystyką elektromechaniczną.

2

Silnik jest obciążony za pomocą obcowzbudnej prądnicy prądu stałego sprzęgniętej z badana maszyną.

Charakterystykę mechaniczną n = f(I

a

) zdejmuje się, korzystając z układu pomiarowego przedstawionego na

rys.8.3, przy wyłączniku W otwartym.

V

V

n

220V =

220V =

A

A

A

M

R

r

R

2

R

W

A1

A2

B1

B2

E2

E1

G

A1

A2

B1

B2

A

R

1

D1

D2

W

Rys.8.3.Schemat połączeń do badań silnika szeregowego

Obciążenie silnika ustawia się tak, aby przy napięciu i prądzie znamionowym osiągnąć prędkość

obrotową zbliżoną do znamionowej. Następnie reguluje się obciążenie w przedziale zmian prądu silnika od
wartości I

a

= 1,2I

n

w dół, aż do uzyskania prędkości n = 1,2n

n

. Rozruch i regulacja prędkości obrotowej

odbywa się za pomocą opornika R

r

, przy zasilaniu układu ze źródła o stałym napięciu, lub przez regulację

napięcia zasilania. Wyniki pomiaru należy umieścić w tabeli podobnej do tab. 8.2. Charakterystyka
mechaniczna (nazywana czasem „charakterystyką obciążenia”) n = f(I

a

) przy U = U = const przedstawiono

na rysunku 8.4.

Tabela 8.2

I

A

n

obr/min

Zależność n = f(I

a

) ma w przybliżeniu charakter hiperboliczny, bowiem, przy założeniu I

a

R

0 oraz

c

1

I

a

:

a

a

E

a

I

K

cI

U

c

R

I

U

n











,

gdzie K = U/c = const.

n

n

n

I

n

I

a

0

Rys.8.4.Charakterystyka mechaniczna silnika szeregowego

8.1.3. Charakterystyki regulacyjne

3

Charakterystykami regulacyjnymi silnika szeregowego prądu stałego są zależności:

n = f(I

w

) przy U = const, M

ob

= const,

n = f(U) przy I = I

a

= const.

Pierwsza z nich wskazuje w jaki sposób można regulować prędkość obrotową silnika za pomocą zmian
strumienia magnetycznego (wzbudzenia), druga – za pomocą zmiany napięcia zasilania.

A. Charakterystyka n = f(I

w

)

Bardzo często charakterystyka ta przedstawiana jest w jednostkach względnych. Oznaczając

n

n

n

n





,

a

w

r

I

I

k



(wielkość ta nazywana jest współczynnikiem regulacji), dla powyższej charakterystyki można

napisać:

n* = f(k

r

)

Pomiary przeprowadza się według schematu przedstawionego na rys.8.3. Regulację prądu wzbudzenia I

w

uzyskuje się za pomocą zmiany rezystancji R

b

bocznikującej uzwojenie wzbudzenia. Wartość rezystancji R

b

dobiera się tak, aby prąd płynący przez bocznik był mniejszy od 0,5I

n

. Pomiar rozpoczyna się przy otwartym

wyłączniku W, obciąża się silnik do takiej wartości, aby przy prądzie znamionowym otrzymać prędkość
obrotową n = n

n

. Następnie zamyka się wyłącznik W i stopniowo zmniejsza się rezystancję R

b

, bez zmiany

obciążenia na wale silnika. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 8.3, gdzie I = I

a

jest prądem twornika

silnika.

Tabela 8.3.

Lp.

Pomiar

Obliczenia

U

I=I

a

I

w

n

k

r

n*

V

A

A

obr/min

-

-

4

Charakterystyka prędkości obrotowej n* w funkcji współczynnika regulacji k

r

przedstawiona jest na

rys.8.5.

1

1

n

n

n

n*=

k =

r

I

w

I

a

0

Rys.8.5 Charakterystyka regulacyjna silnika szeregowego n* = f(k

r

)

B. Charakterystyka n = f(U) przy I

a

= const

Pomiary przeprowadza się według schematu przedstawionego na rys.8.3 przy otwartym wyłączniku W.

Wykonuje się trzy charakterystyki, utrzymując dla każdej z nich stałą wartość prądu I

a

= 0,8I

n

, I

a

= I

n

,

I

a

= 1,2I

n

. Prąd obciążenia reguluje się za pomocą zmian obciążenia obcowzbudnej prądnicy bocznikowej

sprzęgniętej z badanym silnikiem. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 8.4.

Tabela 8.4.

I

a

= 0,8I

n

I

a

= I

n

I

a

= 1,2I

n

Lp

U

n

U

n

U

n

V

obr/min

V

obr/min

V

obr/min

Charakterystyki n = f(U), podane na rys.8.6, mają przebieg prostoliniowy. Korzystając z zależności:











E

a

E

c

IR

U

c

E

n

przy I

a

= const i

const





otrzymuje się wzór:

2

1

c

U

c

n





określający zależność prędkości obrotowej silnika szeregowego n w funkcji napięcia U.

5

I <

I

n

I =

I

n

U

n

I >

I

n

0

Rys.8.6. Charakterystyki obciążenia n = f(U), I

a

= const

8.2. Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:
 dane znamionowe badanej maszyny,
 charakterystykę rozruchową i obliczenia momentu rozruchowego,
 charakterystykę mechaniczną,
 charakterystyki regulacyjne,
 wnioski i spostrzeżenia.

6