Badanie silnika szeregowego prądu stałego I Wstęp

Celem naszego ćwiczenia było zapoznanie się właściwościami ruchowymi oraz sposobami rozruchu i regulacji prędkości obrotowej silników szeregowych prądu stałego. Następnie na podstawie wykonanych pomiarów sporządzenie charakterystyk: mechaniczną, roboczą , regulacyjną

W silnikach szeregowych w przeciwieństwie do silników bocznikowych uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika, dlatego prąd pobrany z sieci jest prądem twornika i prądem wzbudzenia jednocześnie.

Praca silnika opiera się na wytworzeniu strumienia magnetycznego Φ, poprzez uzwojenie wzbudzenia. Strumień magnetyczny w tym przypadku jest proporcjonalny do prądu. Strumień oddziałując na pręty uzwojenia twornika wzbudza moment elektromagnetyczny, który wprawia wirnik w ruch obrotowy. Następnie indukuje się SEM z powodu wirowania w polu magnetycznym uzwojenia twornika.

Na podstawie powyższej teorii otrzymujemy zależność:

$$n = \frac{U - I*R_{t}}{c*I}$$

Wynika z niej, iż prędkość obrotową można regulować przez zmianę: wartości napięcia zasilającego, rezystancji obwodu twornika lub prądu wzbudzenia(bocznikowanie obwodu wzbudzenia).

Silniki szeregowe odznaczają się dużym momentem rozruchowym, dużą zależnością prędkości obrotowej od obciążenia oraz niebezpiecznie dużą prędkością obrotową podczas pracy bez obciążenia, dlatego ważne jest aby zapewnić silnikowi obciążenie wstępne i ustawić znamionową wartość prądu w obwodzie prądnicy aby zapobiec rozbiegnięciu się silnika i zmniejszenie prądu rozruchowego silnika(nie zastosowanie się do tego może spowodować szkody w silniku jak i zarówno w sieci). Następnie ważne jest aby nie przekroczyć wartości znamionowyc..

II Wyznaczenie charakterystyk roboczych

W tej części ćwiczenia skupiliśmy się na wyznaczeniu zależności funkcji n, I, T, η od P₂. Kolejne próby uzyskiwaliśmy zwiększając obciążenie oraz utrzymując stałe napięcie znamionowe, rozpoczynając od 1490 obr/min.

*Tabela na następnej stronie przedstawia dane i obliczenia potrzebne do wyznaczenia charakterystyk roboczych.

Lp	I	n	Tkg	T	P1	P2	η
	A	obr/min	kG	N*m	W	W	-
1	2,78	1490	9	7,50	611,6	1174	1,92
2	3	1320	13	10,84	660	1502	2,28
3	4,4	1120	20	16,68	968	1961	2,03
4	5,36	975	28	23,35	1179,2	2390	2,03
5	6,21	900	34	28,35	1366,2	2679	1,96
6	7,41	850	39	32,52	1630,2	2902	1,78
7	7,936	800	44	36,69	1745,92	3082	1,77
8	8,57	755	48	40,02	1885,4	3173	1,68

Przykładowe obliczenia z powyższej tabeli:

T – moment obrotowy

T_kG - siła

U - napięcie

I – prąd w uzwojeniu silnika

n – prędkość obrotowa silnika

η - sprawność silnika

P₁ – moc pobrana przez silnik z sieci

P₂ – moc oddana przez silnik na wale

g – przyspieszenie ziemskie

T = T_kG * r * g

$$T = 9kG*0,085m*9.81\frac{m}{s^{2}} = 7.5N*m$$

P₁ = I * U

P₁ = 2.78A * 220V = 611, 6W

P₂ = 0.105 * T * n

$$P_{2} = 0.105*7.5N*m*\frac{1490obr}{s} = 1174W$$

$$\eta = \frac{P_{2}}{P_{1}}$$

$$\eta = \frac{1174W}{611.6W} = 1.92$$

*Na podstawie otrzymanej przez nas sprawności, stwierdzam, iż nasze pomiary zawierają błąd systematyczny, ponieważ w każdym przypadku sprawność jest większa od „1”, co jest niemożliwe.

1. Charakterystyka robocza : n=f(P₂) i T=f(P₂)

Jak widać wyżej, te dwie podane charakterystyki niewiele odbiegają od charakterystyk prawdziwych, w przeciwieństwie do tych, które są przedstawione poniżej. Z wykresu n=f(P₂) można odczytać wartość znamionowa prędkości obrotowej silnika przy znamionowej mocy silnika odczytanej z tabliczki(2,2kW=2200W), która różni się od prawdziwej o 70 obr/min (prawdziwa wartość znamionowa:950 obr/min;

odczytana z wykresu wartość znamionowa:1020 obr/min). Znamionowy moment obrotowy odczytany z wykresu T=f(P₂), wynosi 20 N*m, niestety na tabliczce nie była podana wartość znamionowa, dlatego nie mogę jej porównać, jednak stwierdzam, iż ten pomiar jest poprawnie wykonany, ponieważ nie ma w tej charakterystyce bezpośredniej zależności natężenia prądu (które jest głównym uzyskaniem błędnej sprawności), Powodem tych różnic są najprawdopodobniej niedokładności pomiaru, Wpływ na to miały analogowe mierniki do pomiaru napięcia, natężenia, prędkości obrotowej, oraz wartości momentu na wale, w których wskazówka wahała się wokół odczytanych wartości, co utrudniało dokładny odczyt.

1. Charakterystyka robocza: I=f(P₂) i η=f(P₂)

Łatwo można spostrzec, że obie charakterystyki znacznie odbiegają od rzeczywistości, albowiem z wykresu I=f(P₂)wynika, iż wartość znamionowa prądu przy znamionowej mocy 2,2kW wynosi 4,9 A, co jest nie prawdą, błąd jest duży ponieważ odczytana wartość jest o prawie 2,5 razy mniejsza od znamionowej która wynosi 12 A. Sprawność znamionowa nie jest znana jednak po odczytaniu wartości „200%” z wykresu η=f(P₂) widać, że wynik jest absurdalny(sprawność nie może być większa niż 100%) i pomiary zostały okupione dużym błędem który systematycznie wpłynął na każdą próbę.

II Wyznaczenie charakterystyki mechanicznej

Do wyznaczenia charakterystyki mechanicznej n=f(T) wykorzystane zostały dane z pierwszej części ćwiczenia, w której pomiary odbywały się przy stałym napięciu znamionowym 220V.

n	T
obr/min	N*m
1490	7,50465
1320	10,84005
1120	16,677
975	23,3478
900	28,3509
850	32,52015
800	36,6894
775	40,0248

Charakterystyka nie posiada bezpośredniej zależności natężenia prądu i kształtuje się zgodnie z oczekiwaniami.

III Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej

Następnie naszym zadaniem było wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej w funkcji prędkości obrotowej od przyłożonego napięcia n=f(U). W tej części pomiary wykonywaliśmy przy stałym prądzie który wynosił u nas połowę prądu znamionowego 6 A. ponieważ nie potrafiliśmy uzyskać wartości znamionowej, prawdopodobnie ma to ścisły związek z błędnymi pomiarami z poprzedniej części ćwiczenia. Kolejne próby uzyskiwaliśmy poprzez zmianę rezystancji w obwodzie urządzenia hamującego.

Lp	U	n
	V	obr/min
1	220	900
2	200	775
3	180	670
4	160	600
5	140	500
6	120	400
7	100	300
8	90	280

Analizując wykres, dochodzi się do prostej konkluzji, iż funkcja n=f(U) ma zależność liniową, którą uzyskałem poprzez aproksymacje liniową. Wartości nieznacznie odstają od przewidywanych, co jest spowodowane prawdopodobnie tak jak w poprzednich przypadkach niedokładnościami pomiarów wynikającymi z analogowych mierników.

IV Wnioski

Po głębszej analizie wykresów, można stwierdzić, iż wyniki w których nie występowała duża korelacja prądu oscylowały w oczekiwanych wartościach, dotyczy to wykresów: n=f(P₂), T=f(P₂), n=f(U) oraz n=f(T). Dokładnie widać to podczas wyznaczania charakterystyki regulacyjnej, w której prąd był stały otrzymaliśmy zależność liniowa(taką jaką chcieliśmy uzyskać). Natomiast charakterystyki, które posiadały dużą korelacje z wartościami prądu są w większym lub w mniejszym stopniu błędne, dotyczy to głównie funkcji η=f(P₂), z której wynika iż sprawność wynosi 200%, co jak już wcześniej wspomniałem jest nie możliwe. Niestety nie jestem w stanie powiedzieć co było główną przyczyną błędnego pomiaru, gdyż podczas ćwiczenia skupiliśmy się bardziej na tym, że nie potrafiliśmy uzyskać prądu znamionowego tłumacząc , że problem jest w niedostatecznym obciążeniu silnika. Dlatego teraz mogę tylko przypuszczać, iż błąd był spowodowany awarią urządzenia lub błędnym odczytem wartości natężenia prądu, bądź innym faktem zależnym bądź nie zależnym od nas.

Dla potwierdzenia moich powyższych wniosków, przedstawiam poglądowe wykresy charakterystyk roboczych uzyskanych i oczekiwanych , na których widać duże różnice w wykresie η i podobieństwa wykresów T i n,