1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest badanie prądnicy prądu stałego dla różnego rodzaju wzbudzeń.

1. Zakres ćwiczenia.

   1. Wyznaczenie charakterystyk obciążenia prądnicy dla połączenia obcowzbudnego U=f(I_f) przy n = const i I_a = I_aN = const.

   2. Wyznaczenie charakterystyk zewnętrznych prądnicy U = f(I_a) przy n = const.

1. dla prądnicy obcowzbudnej I_f = const,

2. dla prądnicy bocznikowej R_f = const,

   1. Wyznaczanie charakterystyki regulacji prądnicy If = f(I_a) przy n = const i U = U_N = const.

1. Dane znamionowe prądnicy:

• moc znamionowa P_N = 1,2 kW

• napięcie znamionowe U_N = 230V

• prąd znamionowy I_aN = 5,2 A

• obroty znamionowe n_N = 1450 obr/min

1. Układy połączeń.

Połączenie dla prądnicy samowzbudnej	Połączenie dla prądnicy obcowzbudnej

1. Pomiar charakterystyki obciążenia prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

Parametry stałe:
Wyniki pomiarów:
Prąd wzbudzenia
A
0,000
0,025
0,050
0,075
0,100
0,125
0,150
0,175
0,200
0,225
0,250
0,275
0,300

Moc mechaniczną obliczono ze wzoru:
Moc elektryczną obliczono ze wzoru:
Sprawność obliczono ze wzoru:

1. Charakterystyka obciążenia prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

2. Moce w prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

3. Sprawność prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

1. Pomiar charakterystyki zewnętrznej prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

Parametry stałe:
Wyniki pomiarów:
Prąd twornika
A
0,0
1,1
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,2
5,5
6,0

Moc mechaniczną obliczono ze wzoru:
Moc elektryczną obliczono ze wzoru:
Sprawność obliczono ze wzoru:

1. Charakterystyka zewnętrzna prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

2. Zależność momentu napędowego od prądu twornika (połączenie obcowzbudne).

3. Moce w prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

4. Sprawność prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

1. Pomiar charakterystyki zewnętrznej prądnicy prądu stałego (połączenie bocznikowe).

Parametry stałe:
Wyniki pomiarów:
Prąd obciążenia
A
0,0
1,3
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,2
5,5
6,0

Moc mechaniczną obliczono ze wzoru:
Moc elektryczną obliczono ze wzoru:
Sprawność obliczono ze wzoru:

1. Charakterystyka zewnętrzna prądnicy prądu stałego (połączenie bocznikowe).

2. Zależność momentu napędowego od prądu obciążenia (połączenie bocznikowe).

3. Moce prądnicy prądu stałego (połączenie bocznikowe).

4. Sprawność prądnicy prądu stałego (połączenie bocznikowe).

5. Porównanie charakterystyk zewnętrznych prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne i bocznikowe).

6. Porównanie zależności momentu od prądu obciążenia (połączenie obcowzbudne i bocznikowe).

1. Pomiar charakterystyki regulacji prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne).

Parametry stałe:
	a. napięcie twornika	Ua =	230	[V]
	b. prędkość obrotowa	n =	1500	[obr/min]
Wyniki pomiarów:
Prąd obciążenia	Prąd wzbudzenia	Moment napędowy	Moc mechaniczna (wejściowa)	Moc elektryczna (wyjściowa)
A	A	Nm	W	W
0,0	0,182	0,60	94	0
0,9	0,186	1,87	294	207
1,5	0,200	2,83	445	345
2,0	0,206	3,55	558	460
2,5	0,212	4,37	686	575
3,0	0,221	5,22	820	690
3,5	0,226	5,89	925	805
4,0	0,230	6,68	1049	920
4,5	0,235	7,50	1178	1035
5,0	0,250	8,50	1335	1150
5,2	0,245	8,66	1360	1196
5,5	0,260	9,38	1473	1265
6,0	0,264	10,10	1587	1380

Moc mechaniczną obliczono ze wzoru:
Moc elektryczną obliczono ze wzoru:	Pel. = Ua • Iobc.
Sprawność obliczono ze wzoru:

1. Charakterystyka regulacji prądnicy prądu stałego (zależność od prądu obciążenia)

2. Zależność momentu od prądu obciążenia prądnicy prądu stałego (przy stabilizacji napięcia)

3. Moce w prądnicy prądu stałego (przy stabilizacji napięcia)

4. Sprawność prądnicy prądu stałego (przy stabilizacji napięcia)

5. Porównanie prądu wzbudzania prądnicy bocznikowej oraz przy stabilizacji napięcia

6. Porównanie zależności momentu od prądu obciążenia prądnicy bocznikowej oraz przy stabilizacji napięcia.

1. WNIOSKI

   1. Dotyczące charakterystyki obciążenia.

Badanie charakterystyki obciążenia przeprowadzimy zwiększając prąd wzbudzenia prądnicy według ustalonych progów jednocześnie starając się utrzymać prąd twornika regulując obciążenie na poziomie prądu znamionowego i obroty maszyny na poziomie obrotów znamionowych. Prąd wzbudzenia regulowaliśmy w zakresie od 0 do 300mA. Przy zerowym prądzie wzbudzania pojawiło się niewielkie napięcie twornika wynikające z magnetyzmu szczątkowego. Zwiększając prąd wzbudzenia zwiększało się nasycenie obwodu magnetycznego wynikające z charakterystyki nasycenia stali. Z wykresu widać, że wzrost napięcia twornika postępował nieliniowo względem wzrostu prądu wzbudzenia. Charakterystyka nasycenia stali również jest charakterystyką nieliniową. Było to zwiększanie reakcji poprzecznej twornika wskutek zwiększenia nasycenia stali. Sprawność prądnicy zwiększała się ze wzrostem prądu wzbudzania i przy około 50% z naszego zakresu prądu wzbudzenia mieliśmy już sprawność, która utrzymywała się na około 90%. Na podstawie wykresu nr 2 widać, że aby zamienić moc mechaniczna na elektryczną tej pierwszej do układu musimy dostarczyć więcej.

1. Dotyczące charakterystyki zewnętrznej.

Wyznaczając charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu stałego (połączenie obcowzbudne) utrzymywaliśmy na stałym poziomie prąd wzbudzenia tj. 0,23 A oraz utrzymywaliśmy stałą prędkość obrotową 1500 obr/min. Zwiększaliśmy obciążenie prądnicy co skutkowało wzrostem prądu twornika oraz spadkiem napięcia twornika. Możemy to obserwować na wykresie nr 4. Samo wzbudzenie prądnicy bez obciążenia spowodowało powstanie momentu napędowego 0,4 Nm co dowodzi, że już na pokonanie tarcia i wzbudzenie maszyny musieliśmy zużyć 63 W mocy mechanicznej nie otrzymując mocy elektrycznej.

Wyznaczając charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu stałego (połączenie bocznikowe) ustabilizowaliśmy obroty maszyny na poziomie 1500 obr/min, co dało nam 283 V napięcia na tworniku przy zerowym prądzie obciążenia i prądzie wzbudzenia 300mA. Zwiększanie prądu obciążenia powodowało wzrost prądu twornika i jednocześnie spadek prądu wzbudzania co przełożyło się na spadek napięcia twornika.

Prądnica bocznikowa charakteryzuje się niższym prądem zwarcia od prądu znamionowego ponieważ prąd zwarcia zależy od siły elektromotorycznej, która jest wynikiem działania magnetyzmu szczątkowego. Uzwojenie wzbudzenia jest zasilane z obwodu twornika i jest od niego zależne. Spadek napięcia twornika powoduje spadek prądu wzbudzania przy stałej rezystancji obwodu twornika.

Przy prądnicy obcowzbudnej obwód wzbudzenia jest zasilany z obcego źródła i jest niezależny od obwodu twornika. Prąd zwarcia prądnicy obcowzbudnej przy pełnym wzbudzeniu może wielokrotnie przekroczyć znamionowy prąd twornika.

Zaletą prądnicy obcowzbudnej jest niska zmienność napięcia. Oznacza to, że prądnica wykazuje bardziej stabilne napięcia twornika przy zmieniającym się obciążeniu. Zmienność napięcia możemy obliczyć ze wzoru.

$$U = \ \frac{U_{0} - U_{N}}{U_{N}}\ \bullet 100\%$$

U₀ – napięcie twornika jakie występuje na tworniku bez obciążenia i przy znamionowych obrotach prądnicy,

U_N – znamionowe napięcie twornika.

1. Dotyczące charakterystyki regulacji.

Charakterystyką regulacyjną jest zależność prądu wzbudzenia I_f od prądu obciążenia I_a przy stałym napięciu na zaciskach twornika i przy stałej prędkości obrotowej. Możemy więc sobie zadać pytanie jak regulować prąd wzbudzania aby na zaciskach prądnicy przy zmieniającym się obciążeniu było stałe napięcie.

Wyznaczenie charakterystyki rozpoczęliśmy od ustabilizowania maszyny na obrotach 1500 obr/min i tak regulowaliśmy prąd wzbudzenia aby bez obciążenia, na zaciskach twornika osiągnąć znamionowe napięcie U_a = 230 V. Po ustabilizowaniu maszyny bez obciążenia można było zaobserwować niewielki moment napędowy, który był powodem pokonania przez zespół napędowy oporów toczenia czyli tarcia. Dlatego na wykresie nr 15 gdzie jest pokazana zależność momentu napędowego do prądu obciążenie widać że moment nie zaczyna się od zera. Następnie zwiększaliśmy obciążenie prądnicy od 0 do 6 A i zwiększaliśmy prąd wzbudzenia aby utrzymać napięcie znamionowe i obroty 1500 obr/min. Wynikiem tego działania był zwiększający się moment napędowy. W ten sposób na wykresie 14 powstała charakterystyka prądu twornika I_a do prądu wzbudzenia I_f. Przy tej próbie możemy sprawdzić zapas wzbudzenia i spadek napięcia na zaciskach twornika przy przeciążeniu prądnicy.

Wzrost prądu wzbudzenia ze wzrostem prądu twornika spowodowany jest reakcją twornika i spadkami napięć na rezystancjach w obwodzie twornika.