ZESPÓŁ DYDAKTYCZNO-NAUKOWY NAP

ĘDÓW I STEROWANIA

INSTYTUT MASZYN ROBOCZYCH CI

ĘŻKICH

Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki
Pracownia Maszyn i Urz

ądzeń Elektrycznych

Ćwiczenie M 1

BADANIE MASZYN PR

ĄDU STAŁEGO:

Silnika bocznikowego i pr

ądnicy obcowzbudnej

Data wykonania

ćwiczenia……………………

Data oddania sprawozdania …………………...

Zespół wykonuj

ący ćwiczenie:

Nazwisko i imi

ę Ocena dop. do ćw. Ocena końcowa

1………………………………………. ………. ………..

2………………………………………. ………. ………..

3………………………………………. ………. ………..

4………………………………………. ………. ………..

5………………………………………. ………. ………..

6………………………………………. ………. ………..

7………………………………………. ………. ………..

8………………………………………. ………. ………..

9………………………………………. ………. ………..

Wydział SiMR PW

Rok akademicki: 200....../200.....

Semestr: … studia: / dzienne / wieczorowe / zaoczne /

Grupa: .....

Warszawa 2005

2

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

2

SPIS TRE

ŚCI

BADANIE MASZYN PR

ĄDU STAŁEGO

1. Cel

ćwiczenia……………………………………………………………………………. 3

2. Wiadomo

ści teoretyczne………………………………………………………………... 3

2.1. Budowa maszyn pr

ądu stałego………………………………………………………3

2.2. Zasada działania i podstawowe zale

żności ……………………………………… 4

2.3. Straty energii i sprawno

ść maszyn ……………………………………………… ..7

2.4. Oddziaływanie twornika……… ………………………………………………......8
2.5. Komutacja…………………… …………………………………………………… 8
2.6. Rodzaje maszyn pr

ądu stałego…………………………………………………….…8

3. Pr

ądnica bocznikowa prądu stałego……………………………………………………… 9

3.1. Wła

ściwości prądnic………………………………………………………………... 9

3.2. Rodzaje pr

ądnic bocznikowych… ……………………………………………… 9

3.3. Charakterystyki pr

ądnicy bocznikowej prądu stałego ………………………… …11

3.3.1. Charakterystyki biegu jałowego………………… ………………………… ..11
3.3.2. Charakterystyki zewn

ętrzne prądnic……………… ……………………… 12

3.3.3. Charakterystyka regulacyjna……………………… ……………………… 13
3.3.4. Zastosowanie maszyn pr

ądu stałego……………… ………………… ….. 13

4. Silnik bocznikowy pr

ądu stałego…………………………… ………………………… 14

4.1. Wła

ściwości silników………………………………… ……………………………14

4.2. Rodzaje poł

ączeń uzwojeń silników prądu stałego……… …………… ……… 15

4.3. Silnik bocznikowy pr

ądu stałego………………………… …………………… 16

4.4. Rozruch silnika bocznikowego…………………………… ………………… … 17
4.5. Regulacja pr

ędkości obrotowej silników…………………… ……………… … 18

4.6. Charakterystyki obci

ążeniowe silnika………………………… ……………… 19

4.7. Charakterystyki regulacyjne…………………………………… ……………… 20
5. Pomiary ………………………………………………………………… 20
5.1 Schemat pomiarowy ………………………………………………………………21
5.2. Badanie silnika bocznikowego pr

ądu stałego………………………………………22

5.2.1. Wyznaczenie charakterystyki n=f(I

fs

) w stanie b. jałowego………………… 22

5.2.2. Wyznaczenie charakterystyki obci

ążenia silnika n=f(M) ……………………..22

5.2.3. Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej silnika ………………………… 23
5.3 Badanie pr

ądnicy obcowzbudnej prądu stałego………………………………….. 24

5.3.1. Wyznaczenie charakterystyk biegu jałowego pr

ądnicy……………………….24

5.3.2. Wyznaczenie charakterystyki obci

ążenia prądnicy……………………………25

5.3.3. Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej pr

ądnicy………………………….25

6. Literatura pomocnicza………………………………………………………………… 26

3

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

3

Badanie maszyn pr

ądu stałego

1.Cel

ćwiczenia

Celem

ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady działania maszyn prądu stałego, charakterystyk

przy pracy pr

ądnicowej i silnikowej oraz ich wyznaczenie poprzez pomiary w stanie biegu jałowego i

obci

ążenia. Podstawowe badania eksploatacyjne to charakterystyki obciążenia i regulacyjne, a także

w przypadku silnika próby rozruchowe.

2. Wiadomo

ści teoretyczne

2.1. Budowa maszyn pr

ądu stałego

Budow

ę maszyn prądu stałego pokazano na rys. 1. Podstawowe części to stojan, zwany

magne

śnicą i wirnik zwany twornikiem.

W magne

śnicy wytwarzany jest strumień magnetyczny, a w tworniku - siła

elektromotoryczna E(sem) i moment elektromagnetyczny M

e.

. Do jarzma

2 w kształcie cylindra przymocowane s

ą: rdzenie biegunów głównych 3 z nawiniętymi uzwojeniami

6 - wytwarzaj

ące główny strumień magnetyczny

?

oraz bieguny komutacyjne 5 z uzwojeniami 7 -

słu

żące do poprawy warunków komutacji. Maszyna może mieć tylko parzystą liczbę biegunów

głównych p: 2, 4, 6, lub ogólnie liczb

ę p par biegunów. Rdzenie biegunów (elektromagnesów)

wykonane s

ą z cienkich blach magnetycznych o grubości ok. 1mm, izolowanych między sobą w celu

zmniejszenia strat na pr

ądy wirowe. Uzwojenie kompensacyjne 11 nawinięte na nabiegunnikach 4 -

biegunów głównych słu

ży do ograniczenia niekorzystnego skutku oddziaływania twornika.

Rys. 1. Przekrój maszyny pr

ądu stałego

1 - wirnik, 2 - jarzmo, 3 - rdze

ń bieguna głównego, 4 - nabiegunnik, S - rdzeń bieguna

komutacyjnego, 6 - uzwojenie bieguna głównego, 7 - uzwojenie bieguna komutacyjnego,8 -
uzwojenie wirnika, 9 - komutator, 10 - szczotki, 11 - uzwojenie kompensacyjne.

4

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

4

Wirnik 1 w formie walca ze

żłobkami, w których jest umieszczone uzwojenie twornika 8,

jest wykonany równie

ż z izolowanych blach magnetycznych (stal twornikowa) osadzonych na wale.

Na wale jest zamocowany komutator, wykonany z izolowanych mi

ędzy sobą wycinków

cylindrycznego walca miedzianego,do którego s

ą przyłączone początki i końce zwojów uzwojenia.

Po komutatorze

ślizgają się szczotki 10 służące do przepływu prądu twornika., umocowane w

trzymadłach szczotkowych (zw. szczotkotrzymaczami).

2.2. Zasada działania i podstawowe zale

żności

Zasad

ę działania maszyny prądu stałego mającej jedną parę biegunów oraz uzwojenie wirnika

składaj

ące się z jednego zwoju, którego końce są przyłączone do dwu wycinków komutatora k

1

i k

2

wraz ze szczotkami b

1

i b

2

ślizgającymi się po komutatorze, łącząc uzwojenie wirnika z obwodem

zewn

ętrznym – podano na rys 2.

Przy wirowaniu wirnika w polu magnetycznym wytworzonym przez bieguny główne stojana

zachodz

ą dwa podstawowe zjawiska:

1. W przewodach twornika indukuje si

ę sem E o wartości określonej wzorem:

E= B l v [V]

(1)

gdzie:

B- indukcja magnetyczna w teslach, l - długo

ść przewodu w m,

v - pr

ędkość, z jaką przewód przecina w kierunku prostopadłym linie sił pola magnetycznego

w m/s.

Kierunek sem E mo

żna określić regułą prawej dłoni.

2. Przy przepływie pr

ądu w przewodach twornika działa na nie siła mechaniczna o wartości:

F= B I l [N,T,A,m]

(2)

Gdzie: I - nat

ężenie prądu w amperach A.

Kierunek tej siły F mo

żna określić posługując się regułą lewej dłoni.

Siły mechaniczne działaj

ące na przewody twornika powodują powstanie momentu

elektromagnetycznego

Me, którego kierunek jest zale

żny od rodzaju pracy maszyny: prądnicowej,

lub silnikowej.

Przy pracy pr

ądnicowej moment Me skierowany jest przeciwnie do kierunku wirowania i w

zwi

ązku z tym do wału prądnicy należy dostarczyć energii mechanicznej (poprzez silnik napędowy),

która w pr

ądnicy zamieniana jest na energię elektryczną.

Przy pracy silnikowej natomiast moment elektromagnetyczny Me ma kierunek zgodny z

kierunkiem wirowania, jest wi

ęc momentem napędowym, pod wpływem, którego energia

5

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

5

elektryczna jest zamieniana na energi

ę mechaniczną, dostarczaną przez silnik napędowy maszynie

roboczej.

Jak wynika ze wzoru (1), przy wirowaniu twornika w nieruchomym polu magnetycznym stojana,

indukcja B (rys 2b) jest funkcj

ą położenia przewodu, określonego kątem

α

.

Rys.2. Zasada działania maszyny pr

ądu stałego.

a) szkic maszyny, b)przekrój, c) przebieg indukcji magnetycznej na obwodzie wirnika,
d) przebieg SEM na ko

ńcach uzwojenia wirnika k1-k2, e) przebieg SEM na

szczotkach b1-b2 po wyprostowaniu przez komutator k1-k2

Przez uzwojenie nieruchomych biegunów płynie pr

ąd wzbudzenia

I

f

(magnesuj

ący) wytwarzający strumień magnetyczny Φ

fa

(rys. 2b).

Rozkład indukcji B

x

wzdłu

ż obwodu wirnika jest przedstawiony na rys. 2c;

W osi oboj

ętnej maszyny ( rys. 2b. ) wartość tej indukcji jest równa zeru.

Je

śli wirnik obraca się z prędkością υ, to w każdym boku jego uzwojenia indukuje się sem o

warto

ści chwilowej e

c.

Na zaciskach uzwojenia składaj

ącego się z dwóch boków otrzymujemy,

zatem sem

v

lB

e

x

c

2

=

(3)

Przy stałych warto

ściach l oraz v, zmienność sem w czasie (rys. 2d) zależy od zmienności

indukcji, B

x

(rys. 2c).

6

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

6

Komutator dokonuje przeł

ączeń końców uzwojenia twornika poprzez wycinki k1-k2 i

szczotki b1-b2 w chwilach, gdy sem e

c

= 0. Dzi

ęki temu na szczotkach otrzymuje się sem e o jednym

zwrocie (rys. 2e). Komutator spełnia rol

ę prostownika mechanicznego.

W maszynie obci

ążonej przez uzwojenie wirnika płynie prąd I

t

. Oddziałuje on na strumie

ń Φ

fa

o indukcji B

x

wytwarzaj

ąc moment obrotowy, który dla jednego zwoju (dwóch boków) określa

zale

żność

m

c

= ldB

x

I

t

=

Ψ

x

I

t

(4)

gdzie: l – czynna długo

ść boku uzwojenia, d - średnica wirnika, Ψ

x

– strumie

ń skojarzony.

W budowanych maszynach wirniki maj

ą uzwojenia składające się ze znacznej liczby 2N

a

boków. Komutator wykonany z N

a

wycinków ł

ączy szeregowo

w zamkni

ętą pętlę poszczególne N

a

zwojów. Otrzymana na szczotkach sem E oraz powstały w

wirniku moment elektromagnetyczny M

e

maj

ą praktycznie stałe w czasie wartości i wyrażają się

zale

żnościami:

gdy ruch wirnika wyrazimy prędkością kątową ω, rad/s, lub pr. obrotową obr/min

E = C

Φ

fa

ω , lub E = C Ф

fa

n, gdzie C – stała konstrukcyjna (5),(6)

M

e

= C

Ф

fa

ω I

t

(7)

Gdy wirnik maszyny jest nap

ędzany przez inną maszynę wirującą np. przez turbinę - mamy

do czynienia z prac

ą prądnicową. Na zaciskach (szczotkach) prądnicy powstaje wówczas sem,

której warto

ść można regulować przez zmianę prądu wzbudzenia I

f

. Przył

ączony do szczotek

odbiornik R

L

(rys.2a) pobieraj

ąc energię elektryczną, wywołuje w tworniku (wirniku) przepływ prądu

I

t

. Napi

ęcie U na zaciskach jest mniejsze od sem E o spadek napięcia na rezystancji twornika R

a

i

poł

ączonych z nim szeregowo uzwojeniach komutacyjnym i kompensacyjnym. Całkowitą rezystancję

obwodu wewn

ętrznego, przez który płynie prąd I

t

, oznaczamy R

at

,. St

ąd,w przypadku prądnicy

napi

ęcie na jej zaciskach:

U = E – R

at

I

t

(9)

Pr

ąd I

t

ma zwrot zgodny ze zwrotem E, natomiast moment M

e

jest skierowany przeciwnie do

kierunku pr

ędkości obrotowej n (prędkości kątowej ω).

Przy pracy silnikowej zaciski maszyny s

ą przyłączone do źródła napięcia stałego U. W

uzwojeniu twornika płynie wówczas pr

ąd I

t

, a w uzwojeniach biegunów pr

ąd I

f

. wzbudzaj

ący

strumie

ń

Φ

fa

.

Powstaj

ący w następstwie oddziaływania strumienia

i pr

ądu moment M

e

nadaje wirnikowi pr

ędkość obrotową n, zwroty M

e

i n s

ą zgodne. Indukująca się

w uzwojeniu twornika sem E ma zwrot przeciwny do zwrotu napi

ęcia U i jest od niego mniejsza.

St

ąd, w przypadku silnika

7

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

7

U = E + R

at

I

t

at

t

R

E

U

I

−

=

,

t

at

I

R

U

⋅

=

∆

(10a, b)

gdzie:

∆U - spadek napięcia na tworniku

Wprowadzaj

ąc do wzoru (10) zależność (7), otrzymujemy wyrażenie na prędkość obrotową silnika,

lub k

ątową:

fa

E

t

at

C

I

R

U

n

Φ

−

=

lub

fa

t

at

C

I

R

U

Φ

−

=

ω

(11),(12)

W tablicy 1 zestawiono podstawowe zale

żności prądnic i silników prądu stałego

.

Tablica 1 Podstawowe zale

żności dotyczące maszyn elektrycznych prądu stałego

Moc mechaniczn

ą na wale wirnika, wyrażoną w watach (W), określa wzór:

60

2

n

M

M

P

s

s

s

⋅

=

=

π

ω

[W, Nm, obr/min]

(13)

w którym: M

s

- moment na wale, [N· m];

ω - prędkość kątowa, [ rad/s];

n - pr

ędkość obrotowa, [obr/min] , lub

n

M

P

s

s

1047

,

0

=

(14)

gdzie:

M

s

- moment na wale, [N· m], n - pr

ędkość obrotowa,[ obr/min] , lub

n

M

P

s

s

027

,

1

=

(15)

gdzie:

M

s

- moment na wale, [kG· m], n - pr

ędkość obrotowa, [obr/min]

2.3. Straty energii i sprawno

ść maszyn

Procesowi przemiany energii elektrycznej na mechaniczn

ą lub odwrotnie towarzyszą straty

energii, które mo

żna podzielić na dwie grupy:

straty jałowe - niezależne od obciążenia:

8

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

8

∆P

m

– mechaniczne wywołane przez tarcie w ło

żyskach i tarcie szczotek o komutator na

potrzeby wentylacji,

∆P

Fe

– od histerezy i od pr

ądów wirowych w rdzeniu twornika oraz w nabiegunnikach,

∆P

f

- w rezystancji bocznikowego uzwojenia wzbudzenia.

straty obciążeniowe – występujące tylko przy obciążeniu maszyny:

2

t

at

at

I

R

P

=

∆

– straty w rezystancji obwodu twornika

całkowite straty wynosz

ą: ∆P = ∆P

m

+

∆P

Fe

+

∆P

f

+

∆P

at

Sprawno

ść maszyny określamy wzorami

1

1

P

P

P

∆

−

=

η

lub

P

P

P

∆

+

=

2

2

η

(17)

gdzie:

P

1

– moc pobierania przez maszynę

P

2

– moc oddawana przez maszynę

2.4. Oddziaływanie twornika

Pr

ąd I

t

płyn

ący przez uzwojenie twornika wytwarza strumień magnetyczny Φ

a

, który mo

żna

podzieli

ć na dwie składowe:

Φ

dq

– wyst

ępujący w strefie obojętnej (w pobliżu osi obojętnej)

Φ

ad

– wyst

ępujący pod biegunami głównymi

Nast

ępstwem działania strumienia Φ

aq

jest nieznaczne przesuni

ęcie osi obojętnej. Strumień

Φ

ad

powoduje zmniejszenie strumienia głównego, a tym samym zmniejszenie sem E i momentu M

e

.

Rozmagnesowuj

ące działanie pradu I

t

nazywamy oddziaływaniem (reakcj

ą) twornika.

Uzwojenie kompensacyjne pokazane na rysunku 2 ma za zadanie wytworzenie strumienia

magnetycznego o przeciwnym zwrocie do

Φ

ad

i o analogicznym rozkładzie. Jest ono poł

ączone

szeregowo z uzwojeniem twornika i płynie przez nie ten sam pr

ąd I

t

2.5. Komutacja

Uzwojenie wirnika o 2Na bokach stanowi zamkni

ęty obwód elektryczny, w którym

wypadkowa sem jest równa zeru. Szczo

t

ki dziel

ą to uzwojenie na a par gałęzi równoległych w taki

sposób,

że każda ga

ł

ąź ma Na/a boków. Podczas wirowania poszczególne boki zmieniają się w

gał

ęziach, lecz suma ich jest zawsze stała. W boku przechodzącym z jednej gałęzi do drugiej

nast

ępuje zmiana zwrotu prądu.

Przeł

ączan

i

e zwojów uzwojenia z jednej gał

ęzi do drugiej przy użyciu wycinków komutatora

i szczotek oraz zwi

ązane z tym zmiany zwrotu prądu w kolejnych zwojach nazywamy komutacją.

9

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

9

Ujemnym zjawiski

e

m towarzysz

ącym komutacji może być iskrzenie szczotek na skutek

przyczyny natury mechanicznej lub elektrycznej.

2.6. Rodzaje maszyn

Sp

o

sób p

o

ł

ączenia uzwo

je

nia

twornika

i uzwojen

i

a wzbudza

j

ąc

e

go okre

śla nazw

ę

maszyn

y

:

obcowzbudna

lub

samowzbudna

(boczn

i

kowa, sz

e

regowa i

szeregowo bocznikowa).

Na rys.

3.

podano

te

po

ł

ącz

e

n

i

a.

Rys.3

Rys.3. Maszyny prądu stałego:

a) obcowzbudna; b) bocznikowa; c) szeregowa; d) bocznikowo – szeregowa (strzałki kreskowe i
litery w nawiasach dotycz

ą pracy silnikowej

3.Pr

ądnica bocznikowa prądu stałego

3.1. Wła

ściwości prądnic

Prac

ę prądnicy prądu stałego określają cztery wielkości: prędkość obrotowa n lub kątowa

ω

,

pr

ąd wzbudzenia Im, napięcie na zaciskach prądnicy U oraz prąd obciążenia I.

W praktyce, pr

ędkość obrotowa n ma zwykle stałą wartość i wobec tego sporządza się

charakterystyki wi

ążące pozostałe trzy wielkości, przy czym rozróżnia się trzy grupy charakterystyk:

charakterystyki biegu jałowego

E

o

= f (I

f

) przy I

t

= 0, i n = const

charakterystyki obciążenia

U = f (I

f

) przy I

t

= const i n = const;

charakterystyki zewnętrzne U = f (I

t

) przy I

f

= const i n = const;

charakterystyki regulacyjne I

f

= f (I

t

) przy U= const i n = const.

10

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

10

3.2. Rodzaje pr

ądnic bocznikowych prądu stałego

Ze wzgl

ędu na szersze zastosowanie prądnicy bocznikowej oraz jej badanie laboratoryjne w

ćwiczeniu - jej właśnie zostanie poświęcone dalsze omówienie dotyczące charakterystyk, jak i ich

wyznaczania.

Pr

ądnice te w zależności od zasilania uzwojenia wzbudzenia mogą być samowzbudne i

obcowzbudne. Pr

ądnicę obcowzbudną (rys. 4a) otrzymujemy poprzez zasilanie uzwojenia

wzbudzenia z obcego, niezale

żnego źródła prądu stałego. W przypadku zaś, gdy uzwojenie

wzbudzenia przył

ączone jest do zacisków twornika, prądnica jest prądnicą

samowzbudn

ą (rys. 4b).

Rys. 4. Schematy poł

ączeń prądnicy bocznikowej a)obcowzbudnej, b) samowzbudnej

Na rysunku 4 (w nawiasach podano nieaktualne oznaczenia: AB -uzwojenie twornika, CD -

uzwojenie bocznikowe pr

ądnicy samowzbudnej, KJ - uzwojenie wzbudzenia prądnicy

obcowzbudnej) - spotykane w maszynach starszej generacji.

W przypadku pr

ądnicy samowzbudnej (rys. 4b) uzwojenie wzbudzenia E1 - E2 połączone

jest równolegle z uzwojeniem twornika A1 - A2 i pr

ąd obciążenia pobierany przez prądnicę z sieci

jest równy sumie pr

ądu twornika I

t

i pr

ądu magnesującego I

f

.

W obwodzie wzbudzenia pr

ądnicy samowzbudnej znajdują się bieguny magnesów

posiadaj

ące magnetyzm szczątkowy, warunkujący istnienie strumienia remanencji, koniecznego do

samowzbudzenia si

ę prądnicy i tym samym zdolności do pracy prądnicy.

Proces samowzbudzenia

Je

żeli istnieje magnetyzm szczątkowy, to pod wpływem niewielkiego strumienia remanencji

Φr

w obracaj

ącym się ze stałą prędkością obrotową uzwojeniu twornika indukuje się niewielka sem

E

r

, zwana napi

ęciem remanencji E

r

= c

Φ

r

n.

11

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

11

W stanie biegu jałowego w obwodzie: uzwojenie wzbudzenia - uzwojenie twornika,

popłynie niewielki pr

ąd, wytwarzając znów niewielki strumień magnetyczny.

Je

śli strumień ten ma ten sam zwrot, co strumień remanencji, to wypadkowy strumień wzrośnie i w

uzwojeniu twornika powstanie wi

ększa sem E. Wzrost ten spowoduje wzrost prądu magnesującego,

a zatem i strumienia i zjawisko to b

ędzie się powtarzać, aż do

ustalenia si

ę w tworniku sem E, której wartość można określić z przecięcia się dwu charakterystyk

(rys. 5): charakterystyki E = f (I

f

) i charakterystyki napi

ęciowo-prądowej obwodu wzbudzenia E = f

(R

f

. + R), gdzie R

f

oznacza rezystancj

ę uzwojenia

wzbudzenia, a R - rezystancj

ę rezystora regulacyjnego

w obwodzie wzbudzenia (rys. 5).

Rys. 5. Graficzne wyznaczenie warto

ści sem E

Aby samowzbudna pr

ądnica mogła się wzbudzić do

pełnego napi

ęcia muszą być spełnione następujące

warunki:

-

istnienie magnetyzmu szcz

ątkowego,

-

zwrot pr

ądu wzbudzenia winien być taki, by strumień wywołany przez ten prąd wzmacniał

strumie

ń remanencji,

- napi

ęcie remanencji powinno stanowić około 2-3% sem biegu jałowego,

-

rezystancja obwodu: uzwojenie wzbudzenia - uzwojenie twornika powinna być

niewielka.

3.3. Charakterystyki pr

ądnicy bocznikowej prądu stałego

3.3.1. Charakterystyka biegu jałowego

Charakterystyka biegu jałowego jest zale

żnością sem E na zaciskach prądnicy od prądu .

wzbudzenia I

f

przy stałych obrotach - n = const, oraz pr

ądzie twornika I

t

= 0 (rys.6) Strumie

ń

magnetyczny

Φ zależy od wartości prądu wzbudzenia I

f

, a wi

ęc zmieniając wartość rezystancji R

(Rysunki 4a i b) zmieniamy

Φ, a tym samym zgodnie ze wzorem 7 wartość sem E, która wzrasta

wraz ze wzrostem I

f

. Od chwili, gdy obwód magnetyczny pr

ądnicy zaczyna wykazywać nasycenie,

sem E wzrasta wolniej. Powoduje to zagi

ęcie się charakterystyki biegu jałowego. Przy pewnej

warto

ści prądu I

f

obwód magnetyczny pr

ądnicy ulega nasyceniu (charakterystyka biegu jałowego

12

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

12

przebiega równolegle do osi odci

ętych) i dalszy wzrost prądu wzbudzenia nie powoduje wzrostu

sem E.

Rys. 6. Charakterystyki biegu jałowego: a) przy zwi

ększaniu i zmniejszaniu prądu wzbudzenia.(linia

kreskowa wypo

środkowana),

b) Charakterystyki dla dwu ró

żnych prędkości obrotowych.

Charakterystyka biegu jałowego jest, wi

ęc krzywą magnesowania dla prądnicy przy n =

const. Gdyby pr

ędkość obrotowa wirnika (twornika) była większa, czyli n

2

> n

1

, to krzywa biegu

jałowego miałaby ten sam charakter, tylko warto

ści jej przesunęłyby się do góry (krzywa z rysunku

6b).

3.3.2. Charakterystyki zewn

ętrzne prądnicy samowzbudnej i obcowzbudnej

Charakterystyki zewn

ętrzne (Rysunek 7.) przedstawiają napięcie na zaciskach prądnicy w

funkcji obci

ążenia, czyli U = f (I

t

) przy stałej pr

ędkości obrotowej wirnika n = const.

Rys. 7. Charakterystyki zewn

ętrzne prądnic U=f(It) : 1 - obcowzbudnej, 2 - samowzbudnej

bocznikowej; I

KS

– pr

ąd zwarcia prądnicy samowzbudnej, I

KO

- pr

ąd zwarcia prądnicy obcowzbudnej

Obni

żanie się wartości napięcia na zaciskach samowzbudnej prądnicy bocznikowej wraz ze

wzrostem pr

ądu obciążenia jest związane nie tylko z oddziaływaniem twornika oraz ze spadkiem

napi

ęcia na rezystancji twornika, ale także ze zmniejszeniem się prądu magnesującego. Dla prądnicy

13

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

13

samowzbudnej przy stałej rezystancji R

f

obwodu wzbudzenia przył

ączonego do szczotek, prąd

magnesuj

ący:

R

R

U

I

f

f

+

=

(19)

b

ędzie się zmniejszał wraz ze zmniejszaniem napięcia U na zaciskach prądnicy.

Spowoduj

ę to zmniejszenie się strumienia indukcji magnetycznej Φ a zatem i sem E, co prowadzi do

ponownego zmniejszenia napi

ęcia U.

Przy znacznych przeci

ążeniach prądnicy. spadek napięcia może być tak duży, że przy

dalszym zmniejszaniu rezystancji odbiornika R

zew

w obwodzie zewn

ętrznym prądnicy prąd

zew

R

U

I

=

(20)

nie wzrasta lecz opada, gdy

ż wartość U maleje szybciej niż wartość R

zew

.

Na rys. 7. lini

ą przerywaną oznaczony jest obszar przeciążeń prądnicy. Po osiągnięciu prądu

maksymalnego I

max

dla danej maszyny, pr

ąd twornika maleje do wartości I

k

, co

Odpowiada stanowi zwarcia pr

ądnicy. Wówczas R

zew

=0 oraz

napi

ęcie prądnicy U = 0. Dla stanu zwarcia prąd magnesujący I

f

= 0, a warto

ść sem E = E

r

zale

ży

tylko od pozostało

ści magnetycznej.

Obcowzbudne pr

ądnice bocznikowe ze względu na stałe niezależne od prądu obciążenie

napi

ęcia zasilania uzwojenia wzbudzenia mają bardziej sztywne charakterystyki zewnętrzne. Ilustruje

to rys. 7.

3.3.3. Charakterystyka regulacyjna

Charakterystyk

ą regulacyjną prądnicy bocznikowej jest zależność prądu wzbudzenia I

f

od

pr

ądu obciążenia I

t

przy stałej pr

ędkości obrotowej wirnika n i przy stałym napięciu U na zaciskach

pr

ądnicy (rys. 8).

Rys. 8. Charakterystyka regulacyjna pr

ądnicy bocznikowej

Wraz ze wzrostem pr

ądu obciążenia I rośnie wartość prądu twornika I

t

, a wi

ęc zgodnie ze

wzorem 1 wzrasta spadek napi

ęcia na uzwojeniu twornika, co powoduje obniżenie się napięcia U na

zaciskach pr

ądnicy (charakterystyka zewnętrzna – rys. 7). Zmniejszaniu się wartości U, przy stałej

14

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

14

pr

ędkości obrotowej wirnika prądnicy n, można przeciwdziałać tylko przez zwiększenie prądu

wzbudzenia (wzór 19). Wygi

ęcie charakterystyki regulacyjnej jest spowodowane koniecznością

znacznego zwi

ększenia prądu wzbudzenia ze względu na rosnące wraz z prądem twornika

rozmagnesowuj

ące oddziaływanie pola twornika.

3.3.4. Zastosowanie maszyn pr

ądu stałego

Pr

ądnice bocznikowe prądu stałego znalazły zastosowanie w realizacji takich procesów,

technologicznych jak galwanizacja, galwanostegia czy galwanoplastyka. Sprz

ężone z wirnikami

trójfazowych maszyn synchronicznych zasilaj

ą ich uzwojenia wzbudzenia. Służą jako prądnice

spawalnicze. Stosowane s

ą także w specjalnych układach napędowych zwanych układami Leonarda.

W automatyce małe pr

ądnice bocznikowe są używane do pomiarów prędkości obrotowej. Jako

źródła energii elektrycznej, samowzbudne prądnice bocznikowe stosuję się w pojazdach

samochodowych starszych modeli.

4. Silniki pr

ądu stałego

4.1. Właściwości silników

Prac

ę silników prądu stałego określają następujące wielkości: napięcie zasilające U, moment

obrotowy M, pr

ąd obciążenia I, prąd wzbudzenia I

f,

pr

ędkość obrotowa n.

Wła

ściwości silników, podobnie jak prądnic, określamy za pomocą charakterystyk

takich jak:

- charakterystyka pr

ędkości obrotowej zwana charakterystyką mechaniczną

n = f(M) lub obci

ążeniową przy U = const i prądzie wzbudzenia I

f

= const

- charakterystyki regulacji pr

ędkości obrotowej n = f (I

f

) lub n = f (U), przy M=const

Uwagi ogólne

Ze wzgl

ędu na sposób zasilania obwodu wzbudzenia rozróżnia się następujące typy silników

pr

ądu stałego:

- silniki obcowzbudne,

- silniki samowzbudne: bocznikowe, szeregowe i bocznikowo-szeregowe.

Schematy poł

ączeń tych maszyn i przyjęte sposoby oznaczenia zacisków wszystkich

obwodów podano na: rys.3 i 9. Własno

ści ruchowe poszczególnych typów maszyn są różne.

Przyczyna tych ró

żnic jest m.in. to, że przy pracy silnika obcowzbudnego lub bocznikowego

zmiana pr

ądu twornika nie wpływa na zmianę prądu wzbudzenia, podczas gdy w silniku szeregowym

15

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

15

pr

ąd wzbudzenia zmienia się przy zmianach prądu twornika. Natomiast własności silnika

bocznikowego s

ą identyczne z właściwościami silnika obcowzbudnego, ale jedynie przy stałej

warto

ści napięcia sieci.

Ró

żnorodne własności wszystkich typów maszyn pozwalają zaspokoić rozmaite wymagania

praktyki. Prac

ę silnika prądu stałego charakteryzuje następujące wielkości znamionowe: napięcie

zasilania twornika U

n

, moment obrotowy M

n

i zale

żny od niego prąd

twornika

(obci

ążenie)

I

tn

, pr

ąd wzbudzenia I

fn

i pr

ędkość obrotowa n

n

i moc silnika Pn. Wielko

ści te powinny się znajdować na tabliczce

znamionowej silnika. Własno

ści ruchowe silników prądu stałego wszystkich typów można określić

na podstawie równa

ń:

t

I

c

M

⋅

⋅

=

φ

(21)

t

t

I

R

E

U

⋅

+

=

(22)

φ

φ

⋅

⋅

−

=

⋅

=

c

I

R

U

c

E

n

t

t

(23)

w których M - moment obrotowy,

Φ - strumień magnetyczny, U - napięcie: zasilania, R

t

- rezystancja

twornika.

W ustalonym stanie pracy, przy pewnym momencie obrotowym obci

ążenia działa

równy mu co do warto

ści, lecz przeciwnie skierowany moment elektromagnetyczny (1).

Odpowiadaj

ą mu określone wartości gradu twornika I

t

i strumienia

Φ , przy czym wartość strumienia zależy bądź od napięcia zasilania, jak to ma miejsce w

silniku bocznikowym lub obcowzbudnym, b

ądź od prądu obciążenia w silniku szeregowym.

Na podstawie pr

ądu twornika przy zadanej wartości napięcia zasilania U można określić

warto

ść siły elektromotorycznej E, a na podstawie wartości E przy zadanej wartości strumienia

szukan

ą prędkość obrotową n.

Najbardziej interesujące własności ruchowe silnika przedstawia się za pomocą

charakterystyk otrzymanych z pomiarów w czasie badania silnika.

4.2 Rodzaje połączeń i oznaczenia uzwojeń silników prądu stałego

Je

żeli uzwojenie wzbudzenia nie jest połączone z uzwojeniem twornika, lecz zasilane jest z obcego

źródła zasilania, to silnik taki nazywa się obcowzbudnym (rys. 9a). Końce uzwojenia twornika,

oznacza si

ę A1 i A2, a końce uzwojenia wzbudzenia, połączone z obcym źródłem zasilania F1 i F2.

16

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

16

Je

żeli uzwojenie wzbudzenia jest połączone z uzwojeniem twornika to silnik taki nazywa się

silnikiem samowzbudnym. W zale

żności od sposobu połączenia uzwojenia, wzbudzenia z

uzwojeniem twornika, silniki dziel

ą się na silniki bocznikowe, szeregowe i szeregowo - bocznikowe.

Zasada poł

ączenia silnika bocznikowego podana jest na rys. 9b. Końce bocznikowego uzwojenia

wzbudzenia oznacza si

ę E1 i E2 i są one połączone z zaciskami A1 i A2 twornika.

Rys. 9c przedstawia zasad

ę połączenia silnika szeregowego prądu stałego. Końce

szeregowego uzwojenia wzbudzenia oznacza si

ę przez D1 i D2. Jest ono połączone w szereg z

uzwojeniem twornika i st

ąd nazwa tego typu silnika.

Rys. 9. Schematy poł

ączeń silników prądu stałego; a- silnik obcowzbudny; b- silnik bocznikowy; c-

silnik szeregowy, d- silnik bocznikowo-szeregowy.

Aby otrzyma

ć silnik o właściwościach pośrednich pomiędzy właściwościami silnika

bocznikowego i szeregowego stosuje si

ę równocześnie uzwojenie szeregowe

i bocznikowe wzbudzenia. Jest to silnik szeregowo-bocznikowy (rys. 9d).

4.3 Silnik bocznikowy pr

ądu stałego

Wła

ściwości silnika bocznikowego rozpatrzono przy założeniu stałej wartości napięcia

zasilaj

ącego. Na rys. 10. podano schemat połączeń bocznikowego silnika prądu stałego. W obwodzie

twornika znajduje si

ę rezystor regulacyjny R

tr

, a w obwodzie wzbudzenia rezystor regulacyjny R

fr

.

Rezystory te musza by

ć tak włączone, aby każdy z nich zapewnił regulację w swoim obwodzie

niezale

żnie od drugiego.

Rys 10. Schemat poł

ączeń silnika bocznikowego prądu stałego

17

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

17

4.4 Rozruch silnika bocznikowego

Najprostszym sposobem uruchomienia silnika bocznikowego jest przył

ączenie go

bezpo

średnio do sieci bez jakichkolwiek aparatów rozruchowych (rys. 10.,

R

tr

- zwarty). Przy nieruchomym tworniku indukowana w nim E = 0. Przez twornik płynie wtedy

pr

ąd:

(

)

tn

t

t

I

R

U

I

⋅

−

=

=

20

10

max

(24)

Du

ża wartość początkowa prądu rozruchu może być dla maszyny elektrycznej bardzo

niebezpieczna i dlatego rozruch bezpo

średni dopuszczalny jest tylko w silnikach o bardzo małych

mocach (mW, W). Aby nie dopu

ścić do nadmiernych wartości prądu rozruchu, należy stosować

rozruch za pomoc

ą rezystora rozruchowego. W miarę wzrostu prędkości obrotowej jego rezystancja

jest zmniejszana stopniowo r

ęcznie lub automatycznie do 0 (rezystor zwarty).

4.5 Regulacja pr

ędkości obrotowej silnika bocznikowego

Silniki pr

ądu stałego mają bardzo dogodną możliwość regulacji prędkości obrotowej. Z

zale

żności:

φ

φ

φ

⋅

⋅

⋅

−

=

⋅

⋅

−

=

c

R

c

M

U

c

I

R

U

n

t

t

t

(25)

wynikaj

ą trzy możliwości regulacji prędkości obrotowej silnika bocznikowego.

1. Regulacja

pr

ędkości obrotowej przez zmianę napięcia doprowadzonego do silnika.

Napi

ęcie na zaciskach twornika można zmieniać od znamionowego teoretycznie do zera.

Zmniejszanie napi

ęcia U powoduje przesunięcie charakterystyki mechanicznej n = f(M) w dół

(rys.11a). Gdyby strumie

ń silnika zachowywał stałą wartość, wówczas zgodnie z tą zależnością

pr

ędkość zmieniałaby się proporcjonalnie do napięcia i charakterystyki przebiegałyby równolegle

wzgl

ędem siebie. Jednak w przypadku silnika bocznikowego prąd wzbudzenia maleje wraz ze

zmniejszeniem doprowadzonego napi

ęcia.

Poniewa

ż silniki zwykle pracują przy znacznym nasyceniu obwodu magnetycznego, więc w

ostatecznym efekcie zale

żność między napięciem i prędkością nie jest liniowa. Zmianę napięcia

doprowadzonego do silnika mo

żna uzyskać zasilając silnik z przekształtnika tyrystorowego. Jest to

sposób ekonomiczny coraz szerzej stosowany.

18

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

18

1.Regulacja pr

ędkości obrotowej przez zmiana spadku napięć w obwodzie twornika.

Zmian

ę napięcia doprowadzonego do zacisków twornika można uzyskać przez włączenie

szeregowo w obwód twornika rezystora o zmiennej warto

ści np. R

tr

(rys. 11b). Pr

ąd twornika

powoduje powstanie spadku napi

ęcia na rezystorze, a więc na zaciskach twornika napięcie będzie

mniejsze. Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego przy tym sposobie regulacji pr

ędkości

obrotowej, przedstawiono na

Jak wida

ć włączenie dodatkowej rezystancji powodują znaczne zmniejszenie sztywności

charakterystyki, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Opisany wy

żej sposób regulacji jest

nieekonomiczny, poniewa

ż polega na wytracaniu części energii elektrycznej (R

tr

·I

t

2

) na rezystancji R

tr

regulatora. Z tej to przyczyny nie stosuje si

ę przy większych silnikach regulacji rezystorom

wł

ączanym w obwód prądu głównego.

Rys. 11. Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego pr

ądu stałego przy regulacji prędkości

obrotowej a)przez zmian

ę napięcia, b) przez zmianę spadku napięcia w obwodzie

twornika; n

o

- pr

ędkość obrotowa biegu jałowego

2. Regulacja

pr

ędkości obrotowej przez zmianę strumienia wzbudzenia.

Zmian

ę strumienia wzbudzenia mocna osiągnąć włączając w obwód wzbudzenia zmienny

rezystor np. R

fr

(rys. 10). Wł

ączenie takiego regulatora spowoduje zmniejszenie się prądu

magnesuj

ącego I

f

, zmniejszy si

ę, więc strumień magnetyczny Ф, a prędkość obrotowa wzrośnie (rys.

12). W ten sposób osi

ąga się regulację prędkości obrotowej powyżej prędkości obrotowej n

o

.

Powy

ższa regulacja prędkości obrotowej jest ekonomiczna, ale silnik elektryczny nie będzie w pełni

wykorzystany. B

ędzie on pracował przy zmniejszonym strumieniu, a więc przy nie wykorzystanym w

pełni obwodzie magnetycznym. Zakres regulacji pr

ędkości obrotowej strumieniem jest ograniczony

ze wzgl

ędów konstrukcyjnych. Każdy typ silnika ma pewną graniczną prędkość obrotową, której nie

mo

żna przekroczyć ze względu na mechaniczną wytrzymałość twornika. Poza tym regulacja

strumienia jest ograniczona ze wzgl

ędów elektrycznych, ponieważ przy osłabionym polu silniej jest

odczuwalny wpływ pola magnetycznego twornika, co mo

że spowodować niestabilną pracę silnika.

Ponadto pogarsza si

ę komutacja i pojawia iskrzenie pod szczotkami. Wskutek tego nie

stosuje si

ę większego zakresu regulacji prędkości obrotowej strumieniem niż 1:3.

19

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

19

Rys. 12. Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego pr

ądu stałego przy regulacji prędkości

obrotowej przez zmian

ę strumienia wzbudzenia

4.6. Charakterystyki robocze (obci

ążeniowe) silnika

Charakterystyk

ę mechaniczna n = f(M) przedstawia rys. 13 = krzywa, zaś charakterystykę I

t

= f(M)

przy U = const. I

f

= const, rys. 13 krzywa b.

Zgodnie z wzorem (25), przy pomini

ęciu oddziaływania twornika prąd I

f

ro

śnie liniowo wraz ze

wzrostem momentu. Na skutek oddziaływania twornika zmniejszaj

ącego strumień, wzrost prądu jest

szybszy ni

ż wynikałoby to z liniowej zależności. Całkowity prąd I niewiele różni się od prądu I

t

.

Przy momencie u

żytecznym równym zeru, przez silnik płynie prąd biegu jałowego I

o

, przy pr

ędkości

obrotowej biegu jałowego n

o

.

Charakterystyk

ę sprawności silnika od momentu obciążenia η= f(M) przy U = const. i I

f

= const.

podano na rys.13 – krzywa c

Straty w silniku s

ą równe sumie: strat stałych, niezależnych od obciążenia

i strat zmieniaj

ących się ze zmianą obciążenia. W miarę wzrostu mocy pobranej przez silnik rosną

straty obci

ążeniowe przy niezmiennych stratach stałych. Straty obciążenia są proporcjonalne do

kwadratu pr

ądu pobieranego przez silnik.

W zwi

ązku z tym sprawne rośnie od wartości równej zeru (bieg jałowy silnika) do pewnej

warto

ści maksymalnej, występującej przy takim obciążeniu maszyny, przy którym stałe straty są

równe stratom obci

ążenia.

Maksimum sprawno

ści osiąga silnik przy obciążeniu równym około 80% obciążenia

znamionowego. Nast

ępnie sprawność silnika maleje, bowiem straty obciążenia rosną szybciej niż

moc oddana przez silnik.

20

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

20

Rys.13. Charakterystyki robocze silnika bocznikowego pr

ądu stałego,

a - charakterystyka mechaniczna n = f(M);
b – charakterystyka I

t

= f(M) przy U = const., I

f

= const;

c - charakterystyka

η= f(M) przy U = const., I

f

= const.

4.7. Charakterystyka regulacyjna

Jest to zale

żność I

f

= f(M) przy n = const. i przedstawiono j

ą na rys. 14.

Charakterystyka ta daje odpowied

ź, jak należy zmieniać prąd wzbudzenia by utrzymać stabilne

obroty silnika przy jego obci

ążeniu biorąc pod uwagę przebieg charakterystyki mechanicznej (rys. 14

krzywa a) oraz zale

żność [11] i [25].

Rys. 14. Charakterystyka regulacyjna silnika bocznikowego pr

ądu stałego I

f

= f(M)

5. Pomiary

W cz

ęści wykonawczej ćwiczenia podano:

- schemat pomiarowy i opis czynno

ści pomiarowych ,

- tabele do wpisywania wyników pomiarów oraz parametrów obliczeniowych,

- wzory i odpowiednie dane parametrów maszyn.

5.1. Schemat pomiarowy

Poni

żej przedstawiono schemat pomiarowy do badań prądnicy obcowzbudnej i silnika

bocznikowego (rys.15)

21

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

21

Rys. 15. Schemat poł

ączeń do badań maszyn prądu stałego:

M - silnik bocznikowy, G - pr

ądnica obcowzbudna .

Gdzie: Napi

ęcie zasilania silnika i napięcie wzbudzenia prądnicy Uz=Uf = 220 V

Straty mechaniczne pr

ądnicy ∆P

m

= 30 W, Straty w

żelazie prądnicy ∆P

Fe

= f(U

3

) wg wykresu

Pr

ąd znamionowy silnika Is i prądnicy I

3

=Io=5 A, pr

ędkość obrotowa n

zn

. 1200 obr/min

Pr

ąd wzbudzenia znamionowy silnika i prądnicy I

fs

= I

2 =

Itp. = I

4

= 0,6 A

A1-A2 - uzwojenie twornika silnika i pr

ądnicy o rezystancji R

tws =

9

Ω ,

E1-E2 - uzwojenie wzbudzenia bocznikowe silnika o rezystancji R

f1

= 300

Ω

F1-F2 – uzwojenie wzbudzenia obcowzbudne pr

ądnicy o rezystancji R

f2

= 300

Ω

A

1

- amperomierz magnetoelektryczny 7,5 A - pomiar pr

ądu Is pobieranego przez silnik,

A

2

- amperomierz magnetoelektryczny 0,75 A - pomiar pr

ądu wzbudzenia I

fs

silnika,

V

1

- woltomierz magnetoelektryczny o zakresie 300V- pomiar napi

ęć: zasilania silnika

A

4

- amperomierz magnetoelektryczny 0,75A - pomiar pr

ądu wzbudzenia prądnicy I

fp

;

A

3

- amperomierz magnetoelektryczny 7,5 A- pomiar pr

ądu obciążenia prądnicy I

t3

;

V

3

- woltomierz magnetoelektryczny o zakresie 300V - pomiar napi

ęcia prądnicy U

2

;

R

fd1

- dodatkowa rezystancja obwodu wzbudzenia silnika - 330

Ω

R

td

- dodatkowa rezystancja obwodu twornika (rozrusznik)- 300

Ω

R

fd2

- dodatkowa rezystancja obwodu wzbudzenia pr

ądnicy,- 1000Ω

R

o

.-rezystancja obci

ążenia prądnicy- 200Ω

n - miernik pr

ędkości obrotowej,

W

1

, W

2

, W

3

- wył

ączniki.

5.2. Badanie silnika bocznikowego pr

ądu stałego

22

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

22

Przedmiotem bada

ń jest silnik bocznikowy, a jego obciążeniem jest prądnica obcowzbudna.

Schemat poł

ączeń układupomiarowego podano na rys.15.

5.2.1.Wyznaczanie charakterystyki n = f(I

n

) w stanie biegu jałowego (M

≈≈≈≈

0)

Rozruch silnika pr

ądu stałego przeprowadza przez włączenie wyłącznikiem W

1

napi

ęcia

zasilania Uz = U

1

przy maksymalnej warto

ści rezystora R

td

i minimalnej warto

ści (zwarty rezysor)

rezystancji R

fd1

oraz przy otwartych wył

ącznikach W

2

i W

3

. Po zako

ńczonym rozruchu wartość,

rezystor rozruchowy R

td

zewrze

ć by rezystancja R

td

= 0. Reguluj

ąc rezystorem R

fd1

w obwodzie

wzbudzenia silnika pr

ąd wzbudzenia silnika (I

f

), zmienia si

ę prędkość obrotową do wartości 1,2 n

n

.

Wyniki pomiarów nale

ży zamieścić w tablicy 2.

Tablica 2

I

2

=I

fs

A

n

obr/min

1,2

n

n

Na podstawie pomiarów wykre

ślić zależność charakterystykę n =f(I

fs

)

5.2.2. Wyznaczenie charakterystyki obci

ążenia (mechanicznej silnika) przy I

fs

= const.

Po uruchomieniu silnika (jak w p.5.2.1) i ustaleniu (poprzez regulacj

ę R

fd1

) pr

ędkości

obrotowej równej: n

n

= 1200 [obr/min], wykona

ć pierwszy pomiar przy biegu jałowym (I

0

=I

3

=0,

przy otwartych wył

ącznikach W

2

i W

3

. Nast

ępnie przez zamknięcie wyłącznika W

2

przy wł

ączonym

napi

ęciu wzbudzenia prądnicy – U

fp

=U

4

i ustalaj

ąc znamionowy prąd wzbudzenia:I

fp

= 0,6 A

wykona

ć drugi pomiar przy wciąż otwartym W

3

i I

0

=0. Kolejne pomiary wykona

ć przy włączonym

obci

ążeniu prądnicy (zamknięcie wyłącznika W

3

) i regulacj

ę rezystancji R

0

tak by 0<(I

o

=I

3

)

≤ 5 [A],

zachowuj

ąc stałą wartość prądu I

fs

.Uzyskane wyniki nale

ży zamieścić w tablicy 3

Pr

ąd wzb. silnika

I

fs =

I

2

= const. Tablica 3

Lp

Pomiary Obliczenia

-

n

U

1

=U

z

U

3

=U

0

I

1=

I s

I

3=

I

0

I

2=

I

fp

U

4=

U

fp

P

0

P

s

M

η

-

obr/min

V

V

A

A

A

V

W

W

Nm

%

gdzie: P

s

= U

z

I

s

+ R

twp

I

o

2

+ U

fp

I

fp

+

∆ P

m

+ P

Fe

;

M = P

2

/

(0,105 n )

P

s

–moc pobrana z sieci el. : R

twp

I

o

2

- strata mocy w tworniku pr

ądnicy(straty w miedzi ∆P

cu

,

R

tw p

– rezystancja twornika pr

ądnicy = 9,0 Ω,

U

fp

I

fp

- strata mocy w obwodzie wzbudzenia pr

ądnicy: ∆P

m

– straty mechaniczne w

23

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

23

pr

ądnicy ~ 30 W: P

Fe

– straty magnetyczne w pr

ądnicy ( w żelazie) odczyt z wykresu niżej

P

2

– moc na wale silnika: P

o

= U

o

I

o

– moc pobrana z pr

ądnicy wydzielona na rezystorze R

o

η = (P

o

/

P

s

) × 100 %., gdzie: P

2

= U

o

I

o

+ R

twp

I

o

2

+ U

fp

I

fp

+

∆P

m

+ P

Fe

–

Na podstawie uzyskanych wyników nale

ży wykreślić charakterystyki obciążenia:

I

s

= f(M), n = f(M) i

η = f(M)

5.2.3. Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej I

fs

= f(M) przy n = const.

Wył

ączniki W1, W2, W3 otwarte Po uruchomieniu silnika (jak w p.5.2.1) i ustaleniu (regulacja R

fdi

)

pr

ędkości obrotowej równej: n = 1200 obr/min, pierwszego pomiaru należy dokonać przy biegu

jałowym I

o

=I

3

=0, za

ś drugiego przez zamknięcie wyłącznika W

2

przy wł

ączonym napięciu

wzbudzenia pr

ądnicy – U

4

= U

fp i

ustaleniu znamionowego pr

ądu wzbudzenia:I

fp

= 0,6 A , przy

otwartym wył

ączniku W

3

i I

0

=I

3

=0).

Kolejne pomiary wykona

ć przy włączonym obciążeniu prądnicy (zamknięcie wyłącznika W

3

) i

regulacj

ą rezystancji R

0

tak by 0<(Io=I3)

≤ 5 [A], zachowując stałą wartość prądu I

fs

.

Zmieniaj

ąc obciążenie prądnicy I3 = I

o

, nale

ży utrzymywać stałą prędkość obrotową silnika

n (zmieniaj

ąc jego prąd wzbudzenia I

2

= Ifs– regulacja R

fd1

).

Wyniki pomiarów nale

ży zamieści w tablicy

Tablica 4 n = 1200 obr/min

Lp. Pomiary

Obliczenia

–

I

3

=I

0

I

2

=I

fs

I

4

=I

fp

U

3

=U

0

U

4

=U

fp

P

2

M

– A A

A

V

V

W Nm

Przy obliczeniach nale

ży korzystać ze wzorów jak w p. 5.2.2

24

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

24

Na podstawie uzyskanych wyników nale

ży wykreślić zależność I

fs

= f(M), dla n = const.

5.3. Badanie pr

ądnicy obcowzbudnej prądu stałego

Przedmiotem bada

ń jest prądnica obcowzbudna prądu stałego G. Napęd stanowi silnik

bocznikowy pr

ądu stałego M, którego rozruch przeprowadza się zgodnie

z procedur

ą podaną w punkcie 5.2.1 tj. przy maksymalnej wartości rezystora rozruchowego R

td

Schemat poł

ączeń układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 15

5.3.1Wyznaczenie charakterystyki biegu jałowego E = f(I

fp

), przy n = const i

E = f(n) przy I

fp

= const.

Po uruchomieniu silnika przy jego pracy z pr

ędkością obrotowej n=1200 obr/min należy mierzyć

warto

ści sem prądnicy (E

o

= U

0

= U

3

) w zale

żności od zmian jej prądu wzbudzenia I

fp

(W

3

-

otwarty).

Analogiczne pomiary nale

ży wykonać przy n = 1,2 n

n

. Wyniki pomiarów

zamie

ścić w tablicy 5.

Tablica 5-

-

n = 1200

I

4

=I

fp

A

-

obr/min

U

3

=E

0

V

n = 140-0

I

4

= I

fp

A

obr/min

U

3

=E

0

V

Na podstawie pomiarów wykre

ślić charakterystykę E = f(I

fp

)

W analogiczny sposób nale

ży wyznaczyć charakterystykę E

0

= f(n), I

fp

= I

4

= const

Wyniki pomiarów zamie

ścić w tablicy 6.

Tablica

6

n obr/min

U

3

=E

0

V

5.3.2.Wyznaczenie charakterystyki zewn

ętrznej U

0

= f(I

0

)

25

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

25

Charakterystykk

ę zewnętrzną prądnicy wyznacza się przy n=n

n

=const.

i R

fd2

= const.

Wył

ącznik W2 zamknięty, W3 otwarty. Po ustaleniu prędkości obrotowej silnika napędowego

pr

ądnicy na n

n

=1200 obr/min, rezystorem R

fd2

reguluj

ąc prąd wzbudzenia prądnicy I

fp

=I

4

doprowadzi

ć jej sem do E

0

= U

3

=U

0

=230 V, przy biegu jałowym pr

ądnicy I

0

=I

3

= 0 . Nast

ępnie po

zamkni

ęciu wyłącznika W

3

, zmieniaj

ąc nastawy rezystora obciążenia R

o

wykona

ć pomiary dla

obci

ążenia 0<(I

0

=I

3

)

≤5 A, przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej n

n

=const i pr

ądu

wzbudzenia pr

ądnicy I

fp

.= const. Wyniki pomiarów nale

ży zamieścić w tablicy 7

Tablica

7

Parametry: n=1200....obr/min I

fp

=…………..A

I

3=

I

0

A

0

5

U

3

=U

0

V 230

P

0

W

0

P

0

= U

0

I

0

Na podstawie wyników pomiarów wykre

ślić charakterystykę U

0

= f(I

0

) przy n=const, I

fo

=const

5.3.3. Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej I

fp

= f(I

0

)

Charakterystyk

ę wyznacza się przy n = n

n

= const. i U

3

= U

0

=230 V = const.

Silnik uruchomiony nap

ędza prądnicę z n

n

= 1200 obr/min, wył

ącznik W3 otwarty, W2 zamknięty.

Rezystorem R

fd2,

reguluj

ąc prąd wzbudzenia prądnicy I

fp

=I

4

tak by sem pr

ądnicy E

0

=U

3

=230 V,

osi

ągnęło wartość nominalną. Następnie należy zamknąć wyłącznik W3 i rezystorem R

0

zmienia

ć

pr

ąd obciążenia prądnicy w przedziale 0<(I

0

=I

3

)

≤5 A, przy jednoczesnym utrzymywaniu napięcia

pr

ądnicy U

3

= U

0

=230 V = const.

Poprzez zmian

ę prądu wzbudzenia prądnicy I

fp

. Wyniki pomiarów zamie

ścić w tablicy 8

Tablica

8

Parametry U

3

=U

0

= 230 V, n=n

n

=.1200 .obr/min

I

4

=I

fp

A

I

0

=I

3

A

0

5

Na podstawie pomiarów wykre

ślić charakterystykę regulacyjną prądnicy I

fp

=f(I

0

), przy

U

0

=U

3

=const.

UWAGA! Pełne tabele do protokółu pomiarów znajduj

ą się w PLIKU Protokół M1

26

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych - Instytut Maszyn Roboczych Ci

ężkich PW

26

6 Literatura:

1. Praca zbiorowa, Elektrotechnika i Elektronika dla nieelektryków. WNT, 1995.

2. W.Wasiluk, Maszyny i Urz

ądzenia Elektryczne. Skrypt PW, 1976r. Biblioteka

Wydziałowa SiMR.

3. F. Prze

ździecki, Elektrotechnika i Elektronika PWN 1974.

4. G. Kami

ński, J. Kosk, W. Przyborowski, Laboratorium maszyn Elektrycznych

Oficyna PW 1999r.

- Opracował: dr in

ż. Adam Bieniek