Silnik wykonawczy prądu stałego
ĆWICZENIE 2  SILNIK WYKONAWCZY PR
DU STAA
EGO
Wprowadzenie
Silnik wykonawczy prądu stałego zasilany od strony twornika, ze wzbudzeniem od
magnesów trwałych, jest jednym z najbardziej popularnych przetworników
elektromechanicznych w układach automatyki i w układach napędowych małej mocy.
Silniki elektryczne o trzech zębach wirnika (Z = 3) są budowane jako maszyny
prądu stałego z komutatorem mechanicznym o trzech działkach (K = 3) bądz
z
komutatorem elektronicznym. W zakresie małych mocy maszyny te są zwykle
wzbudzane magnesami trwałymi ferrytowymi. Silniczek prądu stałego z komutatorem
mechanicznym o mocy do około 2 W jest tani w produkcji i bardzo ekonomiczny w
eksploatacji (rys. 2.1). Jego głównymi zaletami są mała masa i wysoka sprawność
(ok. 50%), co predysponuje go do wszelkiego rodzaju napędów bateryjnych. Mała
liczba zębów i działek komutatora powoduje pulsacje napięcia rotacji.
Napięcie rotacji e zawiera składową stałą E0 i składową zmienną e~
e~ = e - E0. (2.1)
W konsekwencji wszystkie parametry pracy silnika zawierają składowe stałe i
składowe zmienne
e = E0 + e~ ,
�ł
�ł
i = I0 + i~ ,
�ł
(2.2)
żł
�m = �m0 + �m~ ,
�ł
�ł
M = M + M .
0 ~ �ł
Pulsacje występują w momencie elektromagnetycznym, a tak\
e w prądzie silnika,
co z kolei powoduje pulsacje prędkości obrotowej.
Pulsacje te, a tak\
e parametry elektromechaniczne silnika zale\
ą od:
- rozkładu pola magnetycznego w szczelinie silnika,
- dokładności monta\
u poszczególnych podzespołów silnika.
13
Silnik wykonawczy prądu stałego
Silniki prądu stałego charakteryzują się stosunkowo małą trwałością, którą
determinuje trwałość zestyku ślizgowego szczotek z komutatorem. Zestyk ślizgowy
szczotek z komutatorem powiększa rezystancję silnika R o tzw. rezystancję dynamicz-
ną, na którą mają wpływ drgania szczotek, gładkość powierzchni komutatora i jej zab-
rudzenie, temperatura, wilgotność i prędkość obrotowa. Rezystancja dynamiczna wpły-
wa na stabilność parametrów pracy silnika. W szczególności jest z
ródłem stochas-
tycznych zmian prędkości obrotowej.
Komutator mechaniczny oprócz niskiej trwałości jest z
ródłem zakłóceń elektro-
magnetycznych. Natomiast zaletą komutatora mechanicznego jest jego niski koszt w
porównaniu z kosztem innych ekwiwalentnych rozwiązań.
Uzwojenie silnika mo\
e być połączone w trójkąt lub gwiazdę.
Silniki z uzwojeniem połączonym w gwiazdę mają większą sprawność. W prakty-
ce częściej jest stosowany układ połączenia uzwojenia w trójkąt. Wynika to stąd, \
e
uzwojenie połączone w trójkąt ma właściwości tłumiące wszelkiego rodzaju przepię-
cia, które generuje np. niestabilny styk ślizgowy szczotek z komutatorem. Wpływa to
korzystnie na pracę szczotek i kompatybilność elektromagnetyczną, tzn. zmniejsza
zakłócenia radioelektryczne.
4 5 6 4 1 2 3
27,5
12,5
1,2 1,2
Rys. 2.1. Budowa silnika o trzech działkach komutatora na przykładzie silnika typu PRM33;
PN = 0,5 W; UN = 4 V; nN = 2000 obr/min: 1 - obudowa, 2 - magnes trwały, 3 - \
elazo wir-
nika, 4  uzwojenie połączone w trójkąt, 5 - komutator, 6 - elementy przeciwzakłóceniowe
14
33
Silnik wykonawczy prądu stałego
Ń0
�0
N
A1
A
iA
B
C
-
A2
U
S
i
+
Rys. 2.2. Schemat elektryczny silnika z zaznaczonymi charakterystycznymi osiami i uzwojeniem
połączonym w gwiazdę. Przesunięcia kątowe zgodne ze strzałkami uwa\
ane są za dodatnie
Charakterystyka mechaniczna silnika jest charakterystyką typu bocznikowego
(rys. 2.3).
15
o
ś
N-S
wzbudzenia
o
ś
A
s
z
o
1
c
"
ś
z
-
s
A
o
e
A
u
"
a
t
k
r
z
i
e
2
c
w
o
k
k
t
ł
j
i
a
o
a
t
i
"
j
u
e
z
A
ń
d
m
"
ś
o
o
k
Silnik wykonawczy prądu stałego
m
m0
mN
M
0 MN Mz
Rys. 2.3. Charakterystyka mechaniczna mikrosilnika prądu stałego wzbudzanego magnesami trwałymi
przy U = const; Mz  moment zwarcia, �m0  prędkość kątowa biegu jałowego
Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne składa się z dwóch identycznych silników sprzęgniętych
razem za pomocą rurki elastycznej, zainstalowanych w rozbieralnej obudowie. Końce
uzwojeń tworników są wyprowadzone. Po rozprzęgnięciu silników, na wale jednego z
nich mo\
na zamocować kółko pasowe.
Silnikiem badanym w ćwiczeniu jest silnik wykonawczy prądu stałego typu AS-4
o danych znamionowych:
UN = 17 V; PN = 1,2W; MN = 19,6�10-4N�m (20 G�cm); nN = 6000 obr/min +15%-10%
(przy MN); n0 e" 6400 obr/min ; I0 d" 0,07 A ; IN d" 0,25 A .
Program ćwiczenia
a) Oględziny
Silnik nale\
y rozmontować i obejrzeć stojan z magnesem trwałym, wirnik z
komutatorem oraz tarczę ło\
yskową ze szczotkami.
b) Wyznaczenie zale\
ności momentu elektromagnetycznego silnika od prądu twornika
Mem = f(I) przy �m = 0
Moment elektromagnetyczny silnika wykonawczego opisuje zale\
ność
Mem = cŚI.
16
Silnik wykonawczy prądu stałego
Poniewa\
strumień wzbudzenia Ś jest stały (pochodzi od magnesów trwałych),
więc moment elektromagnetyczny Mem zale\
y tylko od prądu I płynącego w
uzwojeniach wirnika.
Silniki nale\
y rozprzęgnąć i na wale jednego z nich zamontować kółko pasowe.
Pomiary wykonuje się przy zatrzymanym wirniku (�m = 0), przymocowując do
kółka pasowego dynamometr. Zmieniając napięcie zasilania silnika określa się
zale\
ność między prądem twornika I a siłą F działającą na dynamometr. Iloczyn
wartości siły i długości ramienia, na które ta siła działa, daje wartość momentu
elektromagnetycznego silnika.
c) Wyznaczenie rodziny charakterystyk zewnętrznych n = f(I), n = f(Mem)
Pomiary wykonuje się w obwodzie pokazanym na rys. 2.4. Silniki muszą być
sprzęgnięte.
Osc
A A
Rb
Robc
M M
U
V
n
Rys. 2.4. Schemat ideowy obwodu do wyznaczania charakterystyk mechanicznych silnika
Silnik badany zasila się napięciem o stałej wartości z zasilacza prądu stałego.
Obcią\
enie silnika zmienia się poprzez zmianę rezystancji włączonej w obwód
twornika silnika drugiego, który pracuje jako prądnica. Prędkość silnika mo\
na badać
stroboskopem lub te\
mierząc (na oscyloskopie) częstotliwość komutowania prądu
maszyny zasilanej. Pomiary powtarza się dla kilku ró\
nych wartości napięcia zasilania.
Porównując ze sobą otrzymaną charakterystykę n = f(I) i poprzednio zmierzoną
charakterystykę Mem = f(I) otrzymuje się charakterystykę mechaniczną silnika
Mem = f(n).
d) Wyznaczenie elektromagnetycznej stałej czasowej silnika
17
Silnik wykonawczy prądu stałego
Po załączeniu stałego napięcia na nieruchomy i nieobcią\
ony silnik przebieg
czasowy prądu twornika mo\
na w uproszczeniu przedstawić zale\
nością
jednowykładniczą
t
-
T
i(t) = I0(1- e ) ,
gdzie:
I0  średnia wartość prądu twornika w ustalonym stanie pracy,
T  elektromagnetyczna stała czasowa, zale\
na od parametrów R, L obwodu
twornika.
Wartość elektromagnetycznej stałej czasowej determinuje właściwości
dynamiczne silnika.
Stałą czasową nale\
y wyznaczyć przy rozprzęgniętych silnikach. Wirnik maszyny
badanej powinien być zahamowany. Nale\
y załączyć stałe napięcie i zarejestrować
przebieg prądu twornika (rys. 2.5).
Nale\
y równie\
zmierzyć metodą techniczną rezystancję bocznika Rb .
Rezystancję uzwojenia twornika silnika R nale\
y zmierzyć metodą techniczną,
zasilając nieruchomy silnik takim napięciem, aby prąd nie przekroczył 10% wartości
znamionowej. Napięcie pomiarowe nale\
y przyło\
yć bezpośrednio do dwóch
sąsiednich działek komutatora.
Osc
t=
0
Rb
M
U
n
Rys. 2.5. Schemat ideowy układu do wyznaczania elektromagnetycznej stałej czasowej silnika
18
Silnik wykonawczy prądu stałego
i(t)
I0
0,632I0
i
t
0
T
Rys. 2.6. Wyznaczanie elektromagnetycznej stałej czasowej T na podstawie przebiegu prądu i(t)
19