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 prÄ…dnicÄ….
8.1. Przebieg pomiarów
8.1.1. Charakterystyka rozruchowa
Charakterystyka rozruchowa M = f(I ) przedstawia zależność momentu elektromagnetycznego M
a
w funkcji prądu twornika I . Charakterystykę rozruchową wykonuje się na podstawie schematu połączeń
a
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 dz
wignię, której
koniec opiera się na wadze. Moment na wale silnika M wyraża się jako iloczyn długości ramienia l i ciężaru
2
G równoważącego wagę:
M = 9,806 G l [Nm],
2
gdzie G [kg], l [m].
Silnik zasilany jest regulowanym napięciem prądu stałego, lub, przy stałym napięciem zasilania, przez
regulowany opornik wodny R , w granicach prądu twornika od I = 1,2I do uzyskania momentu równego
r a n
zero.
2 2 0 V =
I
R
A
r
V
A 1
D 2 D 1
E
If
A 2
Ia B 2
B 1
Rys.8.1. Schemat połączeń do pomiaru charakterystyki rozruchowej silnika szeregowego
1
Tabela.8.1.
U I G l M
a 2
DðM M
Lp
V A kg m Nm Nm Nm
W silniku szeregowym prąd twornika, równy prądowi obciążenia, jest jednocześnie równy prądowi
magnesującemu (wzbudzenia), czyli I = I = I . Moment elektromagnetyczny, przy pominięciu nasycenia
a w
obwodu magnetycznego i reakcji twornika, jest wyrażony jako:
2
M =ð cIa ,
co tłumaczy prawie paraboliczny przebieg wyznaczonej charakterystyki. Moment ten jest większy od
zmierzonego momentu na wale silnika - M  o wartość momentu strat wywołanych tarciem w łożyskach
2
i szczotek o komutator. DodajÄ…c do rzeczywistego przebiegu charakterystyki moment strat, otrzymuje siÄ™
przebieg momentu elektromagnetycznego M w funkcji prÄ…du twornika I .
a
Charakterystyka rozruchowa M = f(I ) przedstawiono na rys.8.2. Jej rzędne otrzymuje się przez
a
dodawanie wartoÅ›ci DðM = OB. do linii eksperymentalnie wyznaczonego momentu M . Punkt B leży na osi
2
rzędnych, w miejscu jej przecięcia z przedłużeniem B B charakterystyki M = f(I ).
1 2 a
M
M
Ia
0
B1
B
Rys.8.2. Charakterystyka rozruchowa silnika szeregowego M = f(I )
a
8.1.2. Charakterystyka mechaniczna
Charakterystyka mechaniczna jest zależnoÅ›ciÄ… miÄ™dzy prÄ™dkoÅ›ciÄ… obrotowÄ… n lub kÄ…towÄ… Wð = 2pðn
silnika od jego momentu elektromagnetycznego M, przy stałym napięciu zasilania U 
n = f(n) lub n = f(Wð), U = const.
Z powodu bezpośredniej zależności momentu elektromagnetycznego od prądu twornika maszyny 
M = c FðI , charakterystykÄ… mechanicznÄ… jest również zależność
M a
n = f(I ), U = const,
a
nazywanej czasem charakterystykÄ… elektromechanicznÄ….
2
Silnik jest obciążony za pomocą obcowzbudnej prądnicy prądu stałego sprzęgniętej z badana maszyną.
Charakterystykę mechaniczną n = f(I ) zdejmuje się, korzystając z układu pomiarowego przedstawionego na
a
rys.8.3, przy wyłączniku W otwartym.
220V = 220V =
A
V
Rr R2
A
W R1
A1 A1
A
V RW
M G
D2 D1
E1 E2
A2 A2
n
A
B2 B2
B1
B1
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 = 1,2I w dół, aż do uzyskania prędkości n = 1,2n . Rozruch i regulacja prędkości obrotowej
a n n
odbywa się za pomocą opornika R , przy zasilaniu układu ze z
ródła o stałym napięciu, lub przez regulację
r
napięcia zasilania. Wyniki pomiaru należy umieścić w tabeli podobnej do tab. 8.2. Charakterystyka
mechaniczna (nazywana czasem  charakterystyką obciążenia ) n = f(I ) przy U = U = const przedstawiono
a
na rysunku 8.4.
Tabela 8.2
I A
n obr/min
Zależność n = f(I ) ma w przybliżeniu charakter hiperboliczny, bowiem, przy zaÅ‚ożeniu I R ð0 oraz
a a
Fððc I :
1 a
U -ð I R
U K
a
n =ð ð =ð
,
cEFð cI Ia
a
gdzie K = U/c = const.
n
nn
0 In Ia
Rys.8.4.Charakterystyka mechaniczna silnika szeregowego
8.1.3. Charakterystyki regulacyjne
3
Charakterystykami regulacyjnymi silnika szeregowego prądu stałego są zależności:
n = f(I ) przy U = const, M = const,
w ob
n = f(U) przy I = I = const.
a
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
n
n*ð =ð
Bardzo często charakterystyka ta przedstawiana jest w jednostkach względnych. Oznaczając ,
nn
Iw
kr =ð
(wielkość ta nazywana jest współczynnikiem regulacji), dla powyższej charakterystyki można
Ia
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 bocznikującej uzwojenie wzbudzenia. Wartość rezystancji R
b b
dobiera się tak, aby prąd płynący przez bocznik był mniejszy od 0,5I . Pomiar rozpoczyna się przy otwartym
n
wyłączniku W, obciąża się silnik do takiej wartości, aby przy prądzie znamionowym otrzymać prędkość
obrotową n = n . Następnie zamyka się wyłącznik W i stopniowo zmniejsza się rezystancję R , bez zmiany
n b
obciążenia na wale silnika. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 8.3, gdzie I = I jest prądem twornika
a
silnika.
Tabela 8.3.
Pomiar Obliczenia
Lp.
U I=I I n k n*
a w r
V A A obr/min - -
4
Charakterystyka prędkości obrotowej n* w funkcji współczynnika regulacji k przedstawiona jest na
r
rys.8.5.
n
n*=
nn
1
0 1 Iw
kr=
Ia
Rys.8.5 Charakterystyka regulacyjna silnika szeregowego n* = f(k )
r
B. Charakterystyka n = f(U) przy I = const
a
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 = 0,8I , I = I ,
a n a n
I = 1,2I . Prąd obciążenia reguluje się za pomocą zmian obciążenia obcowzbudnej prądnicy bocznikowej
a n
sprzęgniętej z badanym silnikiem. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 8.4.
Tabela 8.4.
I = 0,8I I = I I = 1,2I
a n a n a 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 U -ð IRa
n =ð =ð
cEFð cEFð
Fð =ð const
przy I = const i otrzymuje się wzór:
a
n =ð c1U -ð c2
określający zależność prędkości obrotowej silnika szeregowego n w funkcji napięcia U.
5
n
U
0
Rys.8.6. Charakterystyki obciążenia n = f(U), I = const
a
8.2. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
·ð dane znamionowe badanej maszyny,
·ð charakterystykÄ™ rozruchowÄ… i obliczenia momentu rozruchowego,
·ð charakterystykÄ™ mechanicznÄ…,
·ð charakterystyki regulacyjne,
·ð wnioski i spostrzeżenia.
6
n
I
n
I
<
I
=
n
I
I
>
I