OPISYĆWICZENIE 3
BADANIE MASZYN PR
DU STAA
EGO
WPROWADZENIE
1. Zasada działania maszyn prądu stałego.
2. Prądnice prądu stałego.
2.1. Prądnice samowzbudne.
2.1.1. Prądnica samowzbudna bocznikowa.
3. Silniki prądu stałego.
3.1. Rozruch silników prądu stałego.
3.2. Silnik bocznikowy.
WYKONANIE ĆWICZENIA
4.1. Badanie silnika bocznikowego.
4.1.1. Wyznaczenie zależności prędkości obrotowej od prądu wzbudzenia.
4.1.2. Wyznaczenie zależności prędkości obrotowej od napięcia zasilania.
4.2. Wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej prądnicy.
1
WPROWADZENIE
1. Zasada działania maszyn prądu stałego.
Każda maszyna elektryczna jest w zasadzie odwracalna tzn. może
pracować w zakresie pracy prądnicowej  przetwarzając energię
mechaniczną na elektryczną, lub w zakresie pracy silnikowej 
przetwarzając energię elektryczną na mechaniczną.
Maszyna elektryczna składa się z dwóch podstawowych części.
Część maszyny, w której powstaje pole magnetyczne, nosi nazwę
magneśnicy, natomiast ta część, w której wytwarza się siła
elektromotoryczna nosi nazwę twornika. W maszynach prądu stałego
magneśnicą jest nieruchoma część maszyny  stojan, natomiast twornikiem
jest część wirująca  wirnik. Podstawowe części maszyny przedstawione
są na schemacie (rys.1.)
Rys. 1 Podstawowe części maszyny prądu stałego.
Stojan (magneśnica) maszyny prądu stałego składa się z jarzma
stalowego lub żeliwnego oraz biegunów, na których umocowane są cewki
wzbudzające. Prąd magnesujący Im , przepływający przez uzwojenia cewek
wzbudzających, wytwarza strumień magnetyczny łm, który zamyka się
przez rdzenie biegunów  jarzmo  szczeliny  powietrze  rdzeń wirnika
(twornika). Strumień ten dzieli się na dwa strumienie łm/2 , przebiegające
w dwóch równoległych obwodach magnetycznych.
2
 Wirnik (twornik) składa się z osadzonego na wale maszyny rdzenia
w kształcie walca wykonanego z krążków tzw. Blachy twornikowej. Na
zewnętrznym obwodzie rdzenia wirnika wycięte są żłobki, równolegle do
osi wirnika, w których umieszczone jest uzwojenie wykonane z
miedzianych przewodów izolowanych.
Przy wirowaniu wirnika w polu magnetycznym zachodzą w
maszynie prądu stałego dwa podstawowe zjawiska:
1. w przewodach twornika indukuje się siła elektromotoryczna (SEM) o
wartości określonej wzorem:
E = k ł n
gdzie: ł  strumień magnetyczny
n - prędkość obrotowa
k  współczynnik ujmujący stałe wielkości zależne od
konstrukcji maszyny (ilość par biegunów, wymiary uzwojenia
twornika)
Kierunek tej SEM można określić posługując się regułą prawej ręki.
2. przy przepływie prądu w przewodach twornika działa na nie siła
mechaniczna o wartości określonej wzorem:
F = B I l
gdzie: B  indukcja magnetyczna
I  natężenie prądu w przewodach twornika
l  długość przewodu
Kierunek tej siły mechanicznej można określić posługując się regułą
lewej ręki.
Siły mechaniczne działające na przewody wirnika powodują
powstanie momentu elektromagnetycznego, który przy pracy prądnicowej
jest skierowany przeciwnie do kierunku wirowania. Dla pokonania tego
mementu trzeba do wału prądnicy dostarczyć energii mechanicznej od
silnika napędowego, która w prądnicy jest zamieniona na energię
elektryczną.
Przy pracy silnikowej natomiast, moment elektromagnetyczny ma
kierunek zgodny z kierunkiem wirowania, jest więc momentem
napędowym, pod wpływem którego energia elektryczna jest zmieniona na
energię mechaniczną, dostarczaną przez silnik napędzanej maszyny
roboczej.
3
 Przy wirowaniu twornika w nieruchomym polu magnetycznym
indukowana SEM jest funkcją położenia przewodu. W każdym przewodzie
uzwojenia twornika indukuje się więc SEM przemienna o przebiegu
zbliżonym do trapezoidalnego i o częstotliwości zależnej od prędkości
wirowania twornika.
W celu przetworzenia SEM przemiennej indukowanej w przewodach
wirnika na SEM jednokierunkową, stasuje się urządzenie zwane
komutatorem. Dla pojedynczej cewki jednozwojowej, złożonej z dwóch
boków rozmieszczonych średnicowo w żłobkach twornika, najprostszy
komutator składa się z dwóch wycinków, stanowiących dwa półpierścienie
odizolowane od siebie (rys.2)
Ryz.2 Zasada działania komutatora. a) widok z przodu,
b) widok perspektywistyczny
Do komutatora przylegają szczotki, oznaczone literami A i B,
których zadaniem jest połączenie elektryczne wirującego uzwojenia z
nieruchomym obwodem zewnętrznym. Dla zapewnienia dobrego styku o
dużej powierzchni, szczotki wykonane są z miękkiego węgla
elektrotechnicznego, który łatwo dociera się do powierzni komutatora, nie
niszcząc przy tym tej powierzchni.
Prosty układ twornika z jedną cewką i dwoma wycinkami
komutatora daje duże pulsacje prądu i z tego powodu nie jest w praktyce
stosowany. Dla otrzymania prądu o bardziej wygładzonym przebiegu
4
stasuje się uzwojenia tworników o dużej liczbie cewek rozmieszczonych w
licznych żłobkach na obwodzie twornika, połączonych z komutatorem o
dużej liczbie wycinków, rzędu kilkudziesięciu. Uzwojenia takie dają prąd o
niewielkich pulsacjach, zbliżony do prądu otrzymanego ze z
ródł
galwanicznych.
3. Prądnica prądu stałego.
W zależności od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzenia rozróżnia
się następujące rodzaje prądu stałego:
- obcowzbudne
- samowzbudne bocznikowe
- samowzbudne szeregowe
- samowzbudne szeregowo  bocznikowe
Prądnice obcowzbudne potrzebują odrębnego z
ródła prądu stałego do
ich wzbudzenia. W prądnicach samowzbudnych uzwojenie wzbudzenia
zasilane jest prądem prądnicy. Jak wcześnij wspomniano SEM
indukowana w uzwojeniu twornika prądnicy jest proporcjonalna do
strumienia magnetycznego ł i prędkości obrotowej n. Można więc zmienić
SEM regulując jedną z tych dwóch wielkości.
Jeżeli twornik prądnicy będzie napędzany ze stałą prędkością
obrotową (n = const) to SEM można zmieniać regulując wzbudzenie (prąd
magnesujący Im).
W stanie nieobciążonym prądnicy pracującej (bieg jałowy)
zależność SEM (E0) od prądu magnesującego przy n = const nosi nazwę
charakterystyki biegu jałowego E = f (Im) (rys.3).
Rys. 3 Charakterystyka biegu jałowego prądnicy prądu stałego
Na podstawie przebiegu takiej charakterystyki można wyciągnąć szereg
wniosków odnośnie charakterystycznych właściwości prądnicy. Można
więc określić zakres zmienności prądu Im i odpowiadające mu wartości E0
5
oraz wartości wzbudzenia, przy którym w obwodzie magnetycznym
zaczyna występować nasycenie. Znamionowy punkt pracy leży na krzywej
w pobliżu zagięcia charakterystyki. Po przekroczeniu znamionowej
wartości prądu wzbudzenia SEM zwiększa się tylko nieznacznie przy
bardzo nawet dużym zwiększeniu wzbudzenia.
2.1. Prądnice samowzbudne.
W tych prądnicach obwód magnesujący jest przyłączony do obwodu
twornika.
W rdzeniu biegunów prądnicy niepracującej istnieje zazwyczaj
strumień szczątkowy łsz po poprzednich stanach magnesowania,
indukujący w uzwojeniu twornika wirującego z prędkością n niewielką siłę
elektromotoryczną.
Wzbudzenie się prądnicy samowzbudnej polega na tym, że ta
niewielka szczątkowa SEM wytwarza początkowo niewielki prąd
magnesujący Im, który płynąc przez uzwojenie wzbudzenia powiększa
strumień magnetyczny. Zwiększony strumień magnetyczny indukuje
większą siłę elektromotoryczną, a ta z kolei powiększa prąd magnesujący
itd.
WARUNKI SAMOWZBUDZENIA.
Aby prądnica się wzbudziła, muszą być spełnione następujące
warunki:
W obwodzie magnetycznym prądnicy musi istnieć magnetyzm
szczątkowy. Nowo wyprodukowaną maszynę trzeba wstępnie
namagnesować, zasilając jej wzbudzenie z obcego z
ródła. Jeżeli
obwód magnetyczny zostanie rozmagnesowany to także trzeba go
namagnesować z obcego z
ródła.
Uzwojenie wzbudzenia musi być połączone z twornikiem maszyny
w ten sposób, aby prąd magnesujący Im wytwarzał strumień
magnetyczny o kierunku zgodnym z kierunkiem strumienia
szczątkowego.
Aby prądnica wzbudziła się opór obwodu magnesującego musi mieć
wartość mniejszą od wartości krytycznej.
Aby prądnica samowzbudna się wzbudziła wszystkie trzy wymienione
wyżej warunki samowzbudzenia muszą być spełnione równocześnie.
6
2.1.1. Prądnica samowzbudna bocznikowa.
Jest najczęściej stosowanym rodzajem prądnicy prądu stałego.
Uzwojenie wzbudzenia tej prądnicy jest przyłączone do twornika,
równolegle do obwodu obciążenia (rys. 4 ).
Rys. 4 Schemat połączeń prądnicy bocznikowej
Wytworzony w tworniku prąd It rozdziela się na zaciskach prądnicy
na dwa prądy: prąd wzbudzenia Im i prąd obciążenia I, a zatem:
It = I + Im
Napięcie na zaciskach prądnicy równa się sile elektromotorycznej E
zmniejszonej o spadek napięcia na oporze wewnętrznym:
U = E  Rtc It
gdzie: Rct jest rezystancją całkowitą obwodu twornika.
Charakterystykę zewnętrzną U = f (I) prądnicy bocznikowej
wyznacza się przy stałej wartości oporu regulacyjnego Rreg = const i przy
stałej prędkości obrotowej n = const. Napięcie na zaciskach prądnicy
Malaje ze wzrostem prądu obciążenia wskutek spadku napięcia It � Rtc.
Wskutek zmniejszenia się napięcia na szczotkach maleje również prąd
wzbudzenia Im pobierany z prądnicy. Powoduje to dodatkowe zmniejszenie
strumienia i SEM. Jeżeli obciążenie maszyny samowzbudnej zwiększać
powyżej prądu znamionowego, to dochodzi do stanu, w którym napięcie
prądnicy maleje tak znacznie, że dalsze zmniejszanie rezystancji opornika
obciążającego nie powoduje już wzrostu prądu  następuje
charakterystyczne dla prądnicy bocznikowej zagięcie charakterystyki
zewnętrznej a przy zwarciu maszyny krzywa ta przecina oś odciętych w
punkcie odpowiadającym prądowi zwarcia.
7
3. Silniki prądu stałego.
Maszyna prądu stałego pracuje w zakresie pracy silnikowej, jeżeli
zarówno jej twornik jak i wzbudzenie zasilimy z zewnątrz np. z sieci.
Stojan (magneśnica) wytwarza wówczas pole magnetyczne o indukcji B.
Na przewody twornika, przez które przepływa prąd I, znajdujące się w
polu o indukcji B działa siła mechaniczna określona wzorem:
F = B I l
Pod wpływem wszystkich sił F działających na przewody wirnika,
powstaje moment obrotowy M, powodujący obracanie się wirnika z
prędkością obrotową n w kierunku działania tego momentu:
M = r Ł F
gdzie: r jest promieniem wirnika
Przy pracy silnikowej do nieruchomego twornika jest doprowadzone
napięcie U, wobec czego przez uzwojenie twornika płynie prąd:
It = U / Rtc
który działając na pole magnetyczne biegunów wytworzy moment
obrotowy. Dzięki temu wirnik zacznie się obracać a w jego uzwojeniu
powstaje SEM wg równania:
E = k ł n
(współczynnik k ujmuje wszystkie stałe wielkości zależne od konstrukcji
maszyny).
Ta SEM wzrasta ze wzrostem prędkości obrotowej i
przeciwdziała napięciu przyłożonemu do zacisków twornika. Ponieważ
spadek napięcia w uzwojeniu RtItc również przeciwdziała napięciu, więc
dla silnika obowiązuje zależność:
U = E + Rct It
Uwzględniając dwa ostatnie wzory możemy określić czynniki wpływające
na prędkość obrotową silnika:
n = (U-RctIt)/(k ł)
Ten ostatni wzór wyraża podstawową zależność prędkości obrotowej
silników prądu stałego od napięcia, strumienia magnetycznego i obciążenia
silnika określonego prądem twornika.
3.1. Rozruch silników prądu stałego.
W chwili włączenia silnika do sieci wirnik jest nieruchomy, n=0,
E=0 wobec tego twornik pobiera prąd zwarcia Itz
U = E + RtcIt Itz = U/Rtc
8
 Ponieważ opór Rtc jest bardzo mały, więc Itz jest bardzo duży,
przeciętnie ok.20 razy większy od prądu znamionowego. Tak wielki
prąd zwarcia, przy bezpośrednim włączeniu nieruchomego twornika bez
żadnych dodatkowych oporów na pełne napięcie sieci mógłby
spowodować uszkodzenie uzwojenia twornika, komutatora i szczotek
oraz zakłócenia w sieci zasilającej. Aby tego uniknąć włącza się w
obwód twornika przy rozruchu dodatkowe opory rozruchowe Rd,
których wartość dobiera się tak, aby prąd rozruchowy Ir nie przekroczył
2-krotnej wartości prądu znamionowego silnika
Ir = U / (Rtc + Rd) d" 2 In
z chwilą, gdy wirnik zaczyna się obracać, powstaje w nim SEM E i
prąd rozruchowy zaczyna się zmniejszać wg równania:
Ir = (U  E) / (Rtc + Rd)
Opornik rozruchowy, włączony szeregowo z wornikiem silnika, zwany
krótko rozrusznikiem ma zwykle kilka stopni rozruchowych (rys. 5).
Rys. 5 Obwód wirnika silnika prądu stałego z włączonym opornikiem
rozruchowym
3.2. Silnik bocznikowy.
Najszersze, praktyczne zastosowanie ma silnik bocznikowy, w
którym uzwojenie wzbudzenia (biegunów głównych) jest przyłączone
do sieci równolegle do obwodu twornika (rys.6).
9
Rys. 6 Schemat połącze silnika bocznikowego
Prąd I pobierany z sieci o napięciu U jest sumą prądu twornika It i prądu
wzbudzenia Im
I = It + Im
W obwodzie wzbudzenia zaznaczony jest opornik regulacyjny Rreg do
regulacji prądu wzbudzenia (strumienia łm). Jednak zazwyczaj silniki te
pracują przy stałym wzbudzeniu Im = const.
WYKONANIE ĆWICZENIA
4.1. Badanie silnika bocznikowego.
Celem badania silnika bocznikowego jest poznanie właściwości
ruchowych silnika oraz zdjęcie jego ważniejszych charakterystyk. Należy
wyznaczyć charakterystyki zależności prędkości obrotowej od prądu
wzbudzenia n = f (Im), oraz zależności prędkości obrotowej od napięcia
zasilania n = f (U).
4.1.1. Wyznaczenie zależności prędkości obrotowej od prądu
wzbudzenia n = f (Im).
Zależność prędkości obrotowej od prądu wzbudzenia wyznaczamy
dla silnika przy biegu jałowym. Układ połączeń do wyznaczania
charakterystyki n = f (Im) przedstawiony jest na rys. 7.
10
Rys. 7 Schemat połączeń przy badaniu silnika bocznikowego
Przy biegu jałowym na silnik działa jedynie niewielki moment strat
więc prąd twornika It jest niewielki i znacznie mniejszy od prądu
znamionowego; spadek napięcia na tworniku RtcIt można pominąć.
Zakładając dalej, że strumień jest proporcjonalny do prądu wzbudzenia,
podstawową zależność n = (U-RtcIt) / (k ł) możemy sprowadzić do wzoru:
n = U / (k Im)
co wskazuje na hiperboliczny charakter zależności.
Zależność prędkości obrotowej silnika bocznikowego od prądu
wzbudzenia wyznaczamy dla U = const i It = const.
Po uruchomieniu nieobciążonego silnika, napięcie zasilania
nastawiamy na wartość 9V. Następnie zmniejszamy prąd wzbudzenia w
zakresie od Im max (gdy opornik regulujący jest zwarty) poprzez
zwiększenie rezystancji w obwodzie wzbudzenia. Dla każdej wartości Im
wykonujemy pomiar prędkości obrotowej silnika.
W oparciu o wykonane pomiary należy wykreślić charakterystykę n
= f (Im) dla biegu jałowego. Narysować także przybliżony wykres dla
silnika obciążonego i wyjaśnić różnicę w ich przebiegu.
11
4.1.2. Wyznaczanie zależności prędkości obrotowej silnika
bocznikowego od napięcia zasilania n = f (U).
Zależność prędkości obrotowej od napięcia wyznaczamy dla silnika
przy biegu jałowym przy: Im = const i It = const. Układ połączeń do
wyznaczania zależności n = f (U) przedstawiono na rys.7.
Ze względu na mały prąd pobierany przy biegu jałowym można
pominąć wpływ oddziaływania twornika oraz spadek napięcia Rtc It.
stąd: n = U / (k ł) = k1 U
gdyż w tych warunkach strumień nie ulega zmianie. Prędkość obrotowa
jest więc proporcjonalna do napięcia.
Przy pomiarze charakterystyki napięcie na tworniku należy zmieniać
od 6V do napięcia znamionowego. Przedtem jednak należy dobrać taki
prąd wzbudzenia Im, aby przy znamionowym napięciu U = UN prędkość
obrotowa była równa znamionowej. Dla każdej wartości napięcia
wykonujemy pomiar prędkości obrotowej silnika.
W oparciu o wykonane pomiary należy wykreślić charakterystykę n = f(U)
dla biegu jałowego. Narysować także przybliżony wykres dla silnika
obciążonego i wyjaśnić różnice w ich przebiegu.
4.2. Badanie prądnicy samowzbudnej bocznikowej.
W tej części ćwiczenia należy zapoznać się z czynnościami
związanymi z uruchomieniem prądnicy bocznikowej prądu stałego a
ponadto zbadać jej zachowanie się przy zmianach obciążenia.
Jak wcześniej było podane, warunkiem samowzbudzenia prądnicy
jest istnienie magnetyzmu szczątkowego i odpowiedni kierunek wirowania
twornika. Jeśli z jakiegoś powodu prądnica zastanie rozmagnesowana i
nastąpi zanik magnetyzmu szczątkowego należy przy pomocy obcego
z
ródła prądu ponownie ją namagnesować. W tym celu do izolowanego
zacisku wzbudzenia (nr 67) i masy prądnicy (nr 31) należy na chwilę
przyłączyć z
ródło napięcia stałego (np. akumulator) wg schematu rys. 8
12
Rys. 8 Sposób podłączenia z
ródła napięcia przy magnesowaniu prądnic
Prądnic stosowana w ćwiczeniu jest mechanicznie sprzęgnięta z
silnikiem napędzającym, którym jest silnik bocznikowy prądu stałego.
Połączenie mechaniczne wykonane jest w postaci sprzęgła ciernego.
4.2.1. Wyznaczanie charakterystyki zewnętrznej prądnicy.
Charakterystyka zewnętrzna przedstawia zależność napięcia na
zaciskach prądnicy od prądu pobieranego z prądnicy (przy stałej prędkości
obrotowej  równej znamionowej):
U = f (I)
przy n = const oraz przy stałej rezystancji wzbudzenia: rm =const. Analiza
tej charakterystyki przedstawiona została we wstępie niniejszego
opracowania.
Układ połączeń do wyznaczenia charakterystyki zewnętrznej prądnicy
przedstawiony jest na rys. 9.
13
Rys. 9 Schemat przy badaniu prądnicy samowzbudnej bocznikowej
Pomiary rozpoczyna się od uruchomienia prądnicy na biegu jałowym i
nadaniu wirnikowi prędkości znamionowej. Prądnicę napędza się silnikiem
bocznikowym prądu stałego.
Utrzymując stałą wartość prędkości obrotowej oraz niezmienną
rezystancję w obwodzie wzbudzenia obciąża się prądnicę włączając
kolejne żarówki o mocy 40W.
Należy zapisywać prą I oddawany przez maszynę, napięcie na jej
zaciskach, prąd wzbudzenia oraz prędkość obrotową. Zrobić wykres U = f
(I) o omówić jego przebieg.
14