Sprawozdanie

Ćwiczenie 1

Badanie maszyn prądu stałego : silnika bocznikowgo i prądnicy obcowzbudnej

Zasada działania silnika prądu stałego

Silnik prądu stałego składa się z wirnika (twornika) i stojana (magneśnicy). Końce uzwojenia
twornika są przyłączone do wycinków komutatora, szczotki ślizgające się po komutatorze łączą
uzwojenie twornika z obwodem zewnętrznym. Przez uzwojenie nieruchomych biegunów płynie
prąd wzbudzenia ( I

f

) wytwarzający strumień magnetyczny Φ

fa

. Rozkład indukcji Bx wzdłuż

obwodu twornika jest w osi obojętnej maszyny, zatem indukcja jest równa zeru.
Jeżeli wirnik obraca się z prędkością obrotową n, to w każdym boku jego uzwojenia indukuje się
SEM o wartości chwilowej e=-lBxV. Na zaciskach uzwojenia składającego się z dwóch boków
otrzymujemy zatem SEM 2*e => e

c

= -2BxlV. Przy stałych wartościach l i V, zmienność sem w

czasie zależy od zmienności indukcji Bx.
Komutator spełnia rolę prostownika mechanicznego, dokonując przełączeń końców uzwojenia
twornika poprzez wycinki i szczotki w chwilach gdy ec wynosi zero, dzięki temu na szczotkach
otrzymuje się sem o jednym zwrocie.
W maszynie obciążonej przez uzwojenie wirnika płynie prąd Ia. Oddziałuje on na strumień Φ

fa

o

indukcji Bx wytwarzając moment obrotowy, który dla jednego zwoju (dwóch boków) określa
zależność m

c

= ldB

x

Ia , gdzie l- czynna długość boku uzwojenia, d- średnica wirnika. W

użytkowych silnikach wirniki mają uzwojenia składające się z większej liczby 2N

a

boków.

Komutator wykonany z N

a

wycinków łączy szeregowo w zamkniętą pętlę poszczególne N

a

zwojów.

Otrzymana na szczotkach SEM (E) oraz powstały w wirniku moment elektromagnetyczny Me,
mają stałe w czasie wartości i wyrażają się zależnościami :

Dla Ω/n (rad/s)/(obr/min) :
E=C/Ce * Ω/n * Φ

fa

Me=C * Ia * Φ

fa

w przewodach twornika indukuje się SEM o wartości : E=BlV

przepływowi prądu przez twornik towarzyszy działająca nań siła mechaniczna : F=BIl

Zależność prędkości obrotowej silnika od prądu wzbudzenia If

Jeżeli zmniejszymy wartość strumienia poprzez zmniejszenie prądu wzbudzenia, to przy stałej
prędkości kątowej obniży się siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wirnika i zwiększy
się prąd Ia. Moment wytworzony przez silnik jest proporcjonalny do strumienia i do prądu
twornika. Prąd jest proporcjonalny do różnicy między stałym napięciem U i sem proporcjonalną do
strumienia. Jeżeli sem ~~ U, to niewielka zmiana E powoduje dużą zmianę różnicy U-E i dużą
zmianę prądu twornika. Dopóki E jest większa niż połowa napięcia U, dopóty zmiany prądu
twornika są większe niż wywołujące je zmiany strumienia, więc odpowiadający danej prędkości
kątowej, punkt, przesunie się w prawo.
Obniżeniu sem towarzyszy zwiększenie się prądu Ia oraz wzrost momentu napędowego silnika, a
ponieważ moment napędowy w danym punkcie pracy jest większy od momentu obciążenia,
prędkość kątowa zespołu zaczyna wzrastać. Prędkość kątowa zwiększać się będzie do chwili gdy
moment napędowy nie zostanie zrównoważony przez moment obciążenia.
Jest to jedna z metod regulacji prędkości obrotowej silnika prądu DC, (regulacja przez zmianę
strumienia wzbudzenia), polega na włączeniu (szeregowo) rezystora regulacyjnego w obwód
wzbudzenia, w celu zmniejszenia prądu wzbudzającego If. Ponieważ prąd wzbudzenia jest na ogół
mały, straty energii są niewielkie, jedynym ograniczeniem jest wytrzymałość samego silnika,
dlatego nie stosuje się większego zakresu regulacji niż 1:3.

Badanie silnika bocznikowego prądu stałego

Wyznaczenie charakterystyki n = f(Ifs), w stanie biegu jałowego M~0.

n = f(Ifs)

I2=If

A

0,66

0,63

0,57

0,51

0,44

0,42

0,39

0,37

0,36

"n"

obr/min

1200

1230

1260

1290

1320

1350

1380

1410

1440

Wyznaczenie charakterystyki obciążenia mechanicznego

Korzystając z wzorów zamieszczonych w instrukcji, oraz wykresu strat w żelazie, wyznaczam
wartości P0, Ps, M, P2 oraz sprawność. Odczytane wartości strat w stali zapisuję w tabeli jako Pfe,
dodatkowo w celu obliczenia momentu obliczam P2 czyli moc na wale silnika. Rezystancję
twornika prądnicy przyjmuje jako 9 Ω, natomiast straty mechaniczne ΔPm = 30 W.
Jako ostatnie wyznaczam straty w miedzi ΔPCu :

ΔPCu = R

twp

* I

o

2

Na Podstawie uzyskanych wyników wykreślam charakterystyki obciążenia :

(Do każdego wykresu dopasowuję krzywą teoretyczną)

#

Pomiary

Obliczenia

Straty

n

U1=Uz

U3=Uo

I1=Is

I3=Io

I4=Ifp U4=Ufp

Po

Ps

M

η

Pfe

P2

obr/min

V

V

A

A

A

V

W

W

Nm

%

W

W

1

1300

260

0

0,9

0

0

0

0

264

0,22

0

0

30

2

1210

244

230

1,08

0

0,49

160

0

374,62

0,87

0

2,7

111,1

3

1190

236

220

1,3

0,7

0,46

160

154

417,31

2,12

37

2,5

264,51

4

1130

232

216

1,6

1,4

0,45

160

302,4

493,29

3,58

61

2,45

424,49

5

1120

208

208

1,8

2,1

0,44

160

436,8

516,84

4,93

85

2,35

579,24

6

1100

204

200

2

2,8

0,43

156

560

577,94

6,32

97

2,3

729,94

7

1090

200

200

2,1

3

0,42

154

600

597,98

6,80

100

2,3

777,98

Rtwp

9

Ω

ΔPM

30

W

0
0

4,41

17,64
39,69
70,56

81

Δ PCu

Is=F(M)

n=F(M)

η=F(M)

Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej Ifs=F(M) przy stałych obrotach

Ponownie odczytuje straty w żelazie i zapisuje w tabeli jako Pfe, następnie obliczam P2 i M z
wzorów takich jak w poprzednim podpunkcie. Na podstawie otrzymanych wartości wykreślam
zależność prądu wzbudzenia silnika i momentu, przy zadanej stałej wartości prędkości obrotowej
n=1250 obr/min. Tak jak w przypadku poprzednich wykresów, dopasowuję krzywe teoretyczne.

#

Pomiary

Obliczenia

Straty

I3=Io

I2=Ifs

I4=Ifp

U3=Uo

U4=Ufp

P2

M

Pfe

A

A

A

V

V

W

Nm

W

1

0

0,58

0

0

0

30

0,23

0

2

0

0,42

0,46

250

164

108,44 0,83

3

3

0,7

0,38

0,45

240

160

277,21 2,11

2,8

4

1,4

0,35

0,43

236

152

446,15 3,40

2,75

5

2,1

0,32

0,41

224

144

601,73 4,58

2,6

6

2,8

0,29

0,39

220

140

773,66 5,89

2,5

7

3

0,28

0,39

220

140

828,1 6,31

2,5

n

1250 obr/min

Ifs=F(M)

Wnioski

Dzięki wykonaniu pierwszej serii pomiarowej możliwe było zaobserwowanie jednego z
wydajniejszych sposobów regulacji prędkości obrotowej silnika DC, poprzez zmianę strumienia
wzbudzającego dzięki zastosowaniu regulowanego opornika w obwodzie wzbudzającym.
Z kolejnych serii pomiarowych, można zauważyć iż charakterystyki mechaniczne silnika DC są
nieliniowe, zapotrzebowanie na prąd rośnie wolniej niż uzyskiwany moment. Przy ~80%
sprawności uzyskujemy niemal maksymalny moment.
Dodatkowo analiza mocy i strat w stali pozwala stwierdzić iż, owe straty w porównaniu do mocy
silnika są niewielkie.

Wydział Samochodow i Maszyn Roboczych

Warszawa

08.12.2012

Zasada działania silnika DC

(wersja studencka)

Silnik elektryczny DC zbudowany jest z parzystej liczby biegunów (par), zwróconych do siebie
biegunami przeciwnymi (N do S), po to aby pomiędzy nimi było pole magnetyczne – to jest stojan
czyli magneśnica. Pomiędzy magnesami znajduje się twornik (wirnik), ułożyskowany tak aby mógł
się swobodnie obracać wokół własnej osi. Najprostszym twornikiem może być pojedynczy
przewodnik wygięty w ramę którego dwa końce przyłączone są do komutatora. Komutator to
pierścień zbudowany z warstw; cienkie blachy izolowane dielektrykiem (równie cienkim). Końce
przewodnika (ramki), są przyłączone do naprzeciwległych blaszek, komutator jest integralną
częścią twornika, a więc obraca się jak cały wirnik. Nieruchome szczotki doprowadzają prąd do
blaszek czyli do owej ramki. W silnikach używanych powszechnie, liczba ramek
(przewodników/uzwojeń) jest większa od 1 tak aby przy obrocie twornika kolejne ramki mogły być
zasilane gdyż :
Na ramkę, (przewodnik/uzwojenie) w którym płynie prąd elektryczny znajdujący się w polu
magnetycznym, działa para sił elektrodynamicznych. Siły te powodują powstanie momentu
obrotowego, a zatem ramka wychyla się z położenia równowagi.
W przypadku pojedynczej ramki, ramka wychylając się z położenia poziomego, obraca się do
położenia pionowego, jako obiekt obdarzony masą posiada bezwładność, dzięki której mija
położenie pionowe (w pionie mom. Obr = 0, bo prąd płynie idealnie prostopadle do linii pola
magnetycznego), szczotki zaczynają znów zasilać ramkę, ale prąd płynie w przeciwnym kierunku,
w końcu ramka obróciła się o 180 stopni, dzięki temu ramka znów zaczyna się obracać w tym
samym kierunku i tak do póty dopóki "nie skończy się prąd." Oczywiście w przeciętnym silniku DC
tych ramek jest dużo, a więc kiedy jedna ramka zostaje "odłączona" od zasilania, prąd płynie przez
następną i zjawisko "wypychania uzwojeń" nabiera charakteru ciągłego, dzięki czemu silnik staje
się wydajny.

Siła elektrodynamiczna (magnetyczna) - siła, z jaką działa pole magnetyczne na przewód
elektryczny, w którym płynie prąd elektryczny.
Na umieszczony w polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B prostoliniowy przewodnik o
długości , przez który płynie prąd o natężeniu I, działa siła F, którą wektorowo określa wzór:
F=IlxB
czyli jej wartość wynosi:
F=BIl * sin α
Kąt α jest to kąt między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola. Kierunek siły jest
prostopadły do linii pola magnetycznego i przewodu. Zwrot siły określa reguła lewej dłoni.

Reguła lewej dłoni, reguła Fleminga – reguła określająca kierunek i zwrot wektora siły
magnetycznej (elektrodynamicznej).
Jeżeli lewą dłoń ustawi się tak, aby linie pola magnetycznego zwrócone były prostopadle ku
wewnętrznej powierzchni dłoni (aby wnikały w wewnętrzną stronę dłoni), a wszystkie palce - z
wyjątkiem kciuka - wskazywały kierunek i zwrot płynącego prądu (poruszającej się cząsteczki o
ładunku dodatnim), to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej
na dodatni ładunek elektryczny umieszczony w tym polu (dla ładunku ujemnego zwrot siły będzie
przeciwny).

Zależność prędkości obrotowej silnika od prądu wzbudzenia If

(wersja studencka)

Wersja 1

-Prędkość kątowa z jaką wiruje twornik

-Strumień magnetyczny wytwarzany przez elektromagnesy

- Stała wynikająca z konstrukcji silnika

-Rezystancja regulacyjna
-Rezystancja zastępcza układu

-Prąd twornika

-Napięcie twornika

Wzór określa zależność między prędkością obrotową wirnika (silnika) a parametrami od której
zależy. Wzór ten można przekształcić do postaci :

ω

m

= ( U

t

- ( R

z

+ R

r

) * I

t

) / (c

e

* Φ)

A zatem, im większe napięcie twornika i mniejsze rezystancje, natężenie prądu twornika, stała
konstrukcyjna i strumień, tym większa prędkość. Prąd twornika ma charakter multiplikatywny, a
więc zmniejszenie prądu twornika ma największy wpływ na zwiększenie prędkości.

Wydział Samochodow i Maszyn Roboczych

Warszawa

18.12.2012