1. Cel ćwiczenia.

Ćwiczenie mana celu zaznajomienie studentów z budową, funkcjonowaniem i cechami silników prądu stałego. Oprócz tego celem ćwiczenia jest również pomiar rezystancji uzwojeń oraz sporządzenie charakterystyki magnesowania E_a0 = I_f.

1. Dane znamionowe badanego zespołu maszyn .

silnik 1 - w zespole maszyn pracował jako silnik

Nazwa i typ	SPS PSMa54a/153
Nr inwentażowy	51399
Moc znamionowa	2,8 kW
Rodzaj pracy	C
Napięcie znamionowe Uan Twornika	220 V
Prąd znamionowy Ian Twornika	15 A
Rodzaj wzbudzenia	Szeregowo bocznikowe
Znamionowe napięcie wzbudzenia Ufn	220V
Znamionowy prąd wzbudzenia Ifn	0,385 A
Ilość obrotów	2300 obr/min

silnik 2 - w zespole maszyn pracował jako prądnica

Nazwa i typ	SPS PSMa54a/153
Nr inwentażowy	50139
Moc znamionowa	2,8 kW
Rodzaj pracy	C
Napięcie znamionowe Uan Twornika	220 V
Prąd znamionowy Ian Twornika	15 A
Rodzaj wzbudzenia	Szeregowo bocznikowe
Znamionowe napięcie wzbudzenia Ufn	220V
Znamionowy prąd wzbudzenia Ifn	0,385 A
Ilość obrotów	2300 obr/min

1. Przebieg ćwiczenia

a) Pomiar rezystancji uzwojeń twornika.

Pomiaru dokonano metodą techniczną z poprawnie mierzonym napięciem, ponieważ układ ten jest dokładniejszy przy pomiarach małych wartości rezystancji dlatego, że oporność równolegle włączonego woltomierza wpływa w małym stopniu na rozpływ prądu i błąd pomiaru jest mniejszy.

Spodziewano się pomiaru małych wartości (rzędu kilkudziesięciu mΩ) ponieważ: przewody uzwojenia twornika mają w stosunku do wzbudnika większą średnicę, jest ich mniej, napięcie zasilania było niewielkie w stosunku do znamionowego (12 V). schemat układu do pomiaru rezystancji uzwojeń twornika przedstawia rys. 1

rys. 1 A1, A1 - zaciski twornika

• Rezystor suwakowy R zastosowano w celu regulacji prądu płynącego przez układ. Regulacja ta pozwalała na uzyskanie kolejnych punktów pomiarowych.

• Źródło zasilania: akumulator 12 V.

• Zakres użytych mierników dobrano zgodnie z instrukcją do ćwiczenia. Dobór mierników przedstawia tabela 1.

tabela 1

Miernik	Ustrój	Firma	Typ	klasa	Użyty zakres
Woltomierz laboratoryjny	Magnetoelektryczny	ERA	LM - 3,	0,5	0-20 V
Amperomierz laboratoryjny	Magentoelektryczny	ERA	LM - 3,	0,5	0 - 10 A

• Wyniki pomiarów przedstawia tabela 2. Rezystancję uzwojeń obliczono według prawa Ohma.

• Przykładowe obliczenie (dla 1 pkt. pomiarowego):

$$R_{a} = \ \frac{U_{a}}{I_{a}}\text{\ \ \ } \rightarrow \text{\ \ \ }R_{a}\left( 1 \right) = \ \frac{2,2\ V}{6,8\ A} = 0,323\ \mathrm{\Omega}$$

tabela 2

Lp.	Ia [A]	Ua [ V]	Ra [Ω]
1	6,8	2,2	0,323
2	5,8	1,8	0,310
3	3,7	1,2	0,324
4	2,7	0,9	0,333
5	2,1	0,7	0,334

wartość średnia R_a = 0,326 Ω

b) Pomiar rezystancji uzwojeń wzbudnika.

W uzwojeniu wzbudnika jest więcej przewodów niż w uzwojeniu twornika, ich średnica jest mniejsza a zatem spodziewano się zmierzenia o wiele większych wartości rezystancji niż przy tworniku (rzędu kilkuset Ω). Dlatego też zastosowano układ metody technicznej z poprawnie mierzonym prądem. Metoda ta jest dokładniejsza przy mierzeniu rezystancji o wyższych wartościach niż układ z dokładnie mierzonym napięciem. Schemat pomiarowy przedstawia rys. 2

rys. 2 F1, F2 - zaciski uzwojeń wzbudnika

• Układ był zasilany napięciem sieciowym (230V, 50Hz) Regulatorem napięcia w układzie - a co za tym idzie prądu - był autotransformator AT, natomiast Prostownik P zmieniał sygnał na stały.

• Zakres mierników dobrano w oparciu o znamionowe dane silnika. Dobór mierników przedstawia tabela 3.

tabela 3

Miernik	Typ	Firma	Typ	Klasa	Użyty zakres
Woltomierz laboratoryjny	Laboratoryjny	ERA	LM - 3,	0,5	0-300 V
Amperomierz laboratoryjny	Laboratoryjny	ERA	LM - 3,	0,5	0 - 300 mA

• Rezystancję wzbudnika również obliczono korzystając z prawa Ohma. Pomiaru dokonano dla obu maszyn. Wyniki pomiarów silnika 1 przedstawia tabela 4, natomiast silnika 2 tabela 5.

tabela 4 - silnik1

Lp.	If [mA]	Uf [ V]	Rf [Ω]
1	110	50	454,55
2	220	100	454,55
3	330	150	454,55
4	380	190	500

wartość średnia R_f = 465,91 Ω

tabela 5 - silnik 2

Lp.	If [mA]	Uf [ V]	Rf [Ω]
1	112	50	446,43
2	224	100	446,42
3	336	150	446,42
4	382	190	497,38

wartość średnia R_f = 459,16 Ω

c) Pomiar charakterystyki magnesowania - zależność SEM rotacji E_a0 uzwojenia twornika w funkcji prądu wzbudzenia I_f - i wyznaczenie znamionowej wartości indukcyjności rotacji Gaf

• Charakterystykę magnesowania sporządzono dla silnika 2 -prądnicy. Rozpoczęto od przeprowadzenia rozruchu silnika 1. Twornik, wzbudnik silnika oraz wzbudnik prądnicy były zasilane napięciem sieciowym (uprzednio zmienionym na sygnał stały przez prostowniki).

• Rozruchu dokonano poprzez ustawienie znamionowego prądu wzbudzenia 0,385 A i zadaniu napięcia na zaciskach twornika silnika. Pomiarów dokonano przy biegu jałowym (nieobciążonym obwodzie twornika badanej prądnicy), stałej, znamionowej prędkości obrotowej równej 2300 obr./min (napięcie twornika silnika wynosiła wówczas 170 V a jego prąd 8 A).

• W tej sytuacji SEM rotacji E_a0 było równe napięciu U_a0 na zaciskach twornika badanej prądnicy. Kolejne punkty pomiarowe uzyskano stopniowo zwiększając prąd wzbudzenia I_f prądnicy od 0A do 490 mA. Pomiaru dokonano również od 490 mA do 0A aby uwzględnić zjawisko histerezy.

• Schemat pomiarowy przedstawia rys. 3

rys. 3 Uts - napięcie zasilania twornika silnika Utw - napięcie zasilania wzbudnika silnika,

Uwp - napięcie zasilania wzbudnika prądnicy; A1, A2 - zaciski tworników, F1, F2

zaciski wzbudników maszyn.

• Zakres mierników dobrano w oparciu o dane znamionowe. Dobór mierników i ich funkcję przedstawia tabela 6.

tabela 6

Miernik	Rodzaj	Firma	Typ	Klasa	Zakres	Funkcja
Amperomierz A1	Tablicowy	Lumel	MA12	1,5	0 - 40 A	Mierzenie prądu twornika silnika
Amperomierz A2	Tablicowy	Lumel	MA12	1,5	0 - 400 mA	Mierzenie prądu wzbudzenia silnika
Woltomierz V1	Tablicowy	Lumel	MA12	1,5	0 - 250 V	Mierzenie napięcia na zaciskach twornika silnika
Woltomierz V2	Laboratoryjny	ERA	LM -3	0,5	0 - 300 V	Mierzenie napięcia na zaciskach twornika prądnicy
Amperomierz A3	Laboratoryjny	ERA	LM -3	0,5	0 - 750 mA	Mierzenie prądu wzbudzenia prądnicy

• Wyniki pomiarów przedstawia tabela 7.

tabela 7

If [mA] ↑	0	70	140	250	350	430	490
Ua0 / Ea0 [V]	2	49	80	135	172	190	205
If [mA] ↓	0	490	420	360	230	150	80
Ua0 / Ea0 [V]	2	205	200	180	130	90	55

1. Opracowanie wyników.

a) Wykres charakterystyki całkowitej rezystancji obwodu twornika Ra = Ia(Ia) badanego

silnika.

wykres Ra = Ia(Ia) przedstawia rys. 4

rys. 4

b) Charakterystyka magnesowania Ua0 = Ea0= Ea0(If) badanego silnika.

wykres Ua0 = Ea0= Ea0(If) przedstawia rys. 5

rys. 5

c) Wyznaczenie znamionowej indukcyjności rotacji Gaf

• Z wykresu odczytano, że znamionowemu prądowi wzbudzenia prądnicy I_fn odpowiada wartość E_a0 równa 175 V przy pierwszym pomiarze oraz 177 przy drugim.

zależność między E_a0 a G_af określa wzór:

E_a0 =  G_af I_f Ω_rm

po przekształceniu:

$G_{\text{af}} = \ \frac{E_{a0}}{I_{f}\ \mathrm{\Omega}_{\text{rm}}}$ , gdzie $\text{\ \ \ \ \ Ω}_{\text{rm}}\ \left\lbrack \frac{\text{rad}}{s} \right\rbrack = \frac{2\pi n}{60}\ \lbrack\frac{\text{obr}}{\min}\rbrack$

korzystając z tego wzoru otrzymano następujące znamionowe wartości G_af

G_af = 1,893 przy rosnącym I_f oraz G_af = 1,915 przy malejącym I_fn

1. Spostrzeżenia i wnioski.

   • Z pomiaru rezystancji uzwojeń wzbudzenia obu maszyn wynika, że średnia wartość rezystancji silnika 1 różni się od średniej rezystancji wzbudnika silnika 2 o 6,75 Ω. Różnica ta może być spowodowana różnymi czynnikami. Być może druty miedziane będące uzwojeniem wzbudnika silnika 1 charakteryzowały się delikatnymi różnicami w takich parametrach jak przekrój poprzeczy lub długość całkowita. Możliwe jest też większe wyeksploatowanie silnika 2.

   • Spadki napięcia są proporcjonalne do wartości prądu. Pomiary należało przeprowadzić prędko i sprawni ponieważ zmiana rezystancji ze wzrostem temperatury uzwojeń nie jest pomijalna.

   • Oddziaływanie twornika powoduje zmianę wartości strumienia magnetycznego i z kolei zmianę wartości SEM. W budowanych obecnie maszynach prądu stałego oddziaływanie podłużne nie występuje. Oddziaływanie poprzeczne w maszynach bez uzwojenia kompensacyjnego powoduje zmniejszenie głównego strumienia magnetycznego, jeśli chodzi o nasycenie. W związku z tym wartość SEM również maleje ze wzrostem prądu twornika.

   • Wartość rezystancji obwodu twornika nie jest stała ponieważ komutator w pewnych momentach styka się z kilkoma szczotkami naraz przez co powstaje połączenie szeregowe i zmienna wartość rezystancji.

   • Charakterystyka magnesowania E_a0 = f(I_f) odpowiada kształtem krzywej B = f(H).

   • Pętla histerezy ma niewielkie pole powierzchni. Jest wąska. Takim kształtem pętli histerezy charakteryzują się materiały magnetyczne miękkie. Materiały te łatwo, ale nie trwale się magnesują. Jako materiał do budowy silników elektrycznych stosuje się stal krzemową, zimnowalcowaną, nieorientowaną. Zawartość krzemu w blasze jest zależna od mocy silnika. Silniki małej mocy od 0,5 do 2% Si, duże silniki i generatory większej mocy od 2,5 % do 4,5 % Si.

2. Literatura

• S. Roszczyk, Teoria maszyn elektrycznych, Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Warszawa 1979

• W. Matulewicz, Maszyny elektryczne - podstawy, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2008

• Z. Celiński, Materiałoznawstwo elektrotechniczne, Oficyna wydawnicza PW, Warszawa 1998