1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie sposobu regulacji prędkości obrotowej w silniku obcowzbudnym i bocznikowym prądu stałego.

1. Zakres ćwiczenia.

   1. Wyznaczenie charakterystyki n = f(I_a) przy U = const. i I_f = const.

   2. Wyznaczenie charakterystyki n = f(U_a) przy I_f = const i M = const.

   3. Wyznaczenie charakterystyki n = f(I_f) przy U = const. i M = const.

   4. Wyznaczenie charakterystyki regulacji I_f = f(I_a) przy U = const. i n = const.

2. Dane znamionowe badanej maszyny:

• moc znamionowa silnika: 2,2 kW

• napięcie znamionowe zasilania: 220 V

• prąd znamionowy twornika 12,2 A

• obroty znamionowe 1500 obr/min.

1. Schemat połączeń silnika.

1. Obliczenia.

• Obliczenia mocy elektrycznej:

• Moc mechaniczna:

• Sprawność:

1. Pomiar charakterystyk naturalnych (połączenie obcowzbudne).

Parametry stałe:

• Napięcie zasilania obwodu twornika: Ua = 220 V

• Prąd wzbudzenia: If = 0,59 A

Wyniki pomiarów:

Moment obciążenia	Prąd twornika	Prędkość obrotowa	Moc elektryczna (wejściowa)	Moc mechaniczna (wyjściowa)	Sprawność*
Nm	A	obr/min	W	W	-
1,0	1,5	1548	330	165	0,50
3,0	3,0	1534	660	474	0,72
4,5	4,0	1515	880	706	0,80
5,8	5,0	1502	1100	904	0,82
7,3	6,0	1502	1320	1148	0,87
8,5	7,0	1490	1540	1318	0,86
9,7	8,0	1485	1760	1501	0,85
10,9	9,0	1485	1980	1695	0,86
12,3	10,0	1478	2200	1904	0,87
13,5	11,0	1469	2420	2077	0,86
14,7	12,0	1467	2640	2258	0,86
16,0	13,0	1464	2860	2445	0,85

1. Charakterystyka mechaniczna silnika prądu stałego (połączenie obcowzbudne)

2. Charakterystyka zewnętrzna silnika prądu stałego (połączenie obcowzbudne)

3. Zależność prądu twornika silnika prądu stałego od momentu obciążenia.

4. Moce w silniku prądu stałego.

5. Sprawność silnika prądu stałego.

1. Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę napięcia twornika (połączenie obcowzbudne).

Parametry stałe:

• prąd wzbudzenia: If = 0,58 A,

• moment obciążenia: M = 10 Nm.

Wyniki pomiarów:

Napięcie twornika	Prędkość obrotowa	Prąd twornika	Moc elektryczna (wejściowa)	Moc mechaniczna (wyjściowa)	Sprawność*
V	obr/min	A	W	W	-
60	334	7,8	465	350	0,75
80	477	8,0	640	500	0,78
100	617	8,0	800	646	0,81
120	766	8,3	990	802	0,81
140	909	8,3	1155	952	0,82
160	1054	8,5	1360	1104	0,81
180	1202	8,5	1530	1259	0,82
200	1354	8,5	1700	1418	0,83
220	1496	8,5	1870	1567	0,84
240	1646	8,5	2040	1724	0,84

1. Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę napięcia twornika (połączenie obcowzbudne).

2. Zależność prądu twornika od prędkości obrotowej przy regulacji napięciem twornika (połączenie obcowzbudne).

3. Moce w silniku prądu stałego przy regulacji prędkości napięciem twornika (połączenie obcowzbudne).

4. Sprawność* silnika prądu stałego przy regulacji prędkości napięciem twornika (połączenie obcowzbudne).

1. Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę prądu wzbudzenia (połączenie obcowzbudne).

Parametry stałe:

• napięcie twornika U_a = 200V,

• moment obciążenia: M = 10 Nm.

Wyniki pomiarów:

Prąd wzbudzenia	Prędkość obrotowa	Prąd twornika	Moc elektryczna (wejściowa)	Moc mechaniczna (wyjściowa)	Sprawność*
A	obr/min	A	W	W	-
0,37	1595	9,9	1980	1670	0,84
0,40	1546	9,5	1900	1619	0,85
0,42	1519	9,5	1900	1591	0,84
0,44	1486	9,3	1850	1556	0,84
0,46	1463	9,3	1860	1532	0,82
0,48	1442	9,0	1800	1510	0,84
0,50	1421	8,8	1750	1488	0,85
0,52	1402	8,8	1760	1468	0,83
0,54	1387	8,8	1760	1452	0,83
0,56	1373	8,5	1700	1438	0,85
0,62	1330	7,8	1550	1393	0,90

1. Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę prądu wzbudzenia (połączenie obcowzbudne).

2. Zależność prądu twornika od prędkości obrotowej przy regulacji prądem wzbudzenia (połączenie obcowzbudne).

3. Moce w silniku prądu stałego przy regulacji prędkości prądem wzbudzenia (połączenie obcowzbudne).

4. Sprawność* silnika prądu stałego przy regulacji prędkości prądem wzbudzenia (połączenie obcowzbudne).

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

Parametry stałe:

• napięcie zasilania obwodu twornika U_a = 220V,

• prędkość obrotowa n = 1500 obr/min.

Wyniki pomiarów:

Moment obciążenia	Prąd twornika	Prąd wzbudzenia	Moc elektryczna (wejściowa)	Moc mechaniczna (wyjściowa)	Sprawność*
Nm	A	A	W	W	-
1,0	1,5	0,62	330	157	0,48
3,0	3,0	0,61	660	471	0,71
4,5	4,0	0,61	880	707	0,80
6,0	5,0	0,59	1100	942	0,86
7,2	6,0	0,59	1320	1131	0,86
8,3	7,0	0,57	1540	1304	0,85
9,5	8,0	0,57	1760	1492	0,85
10,9	9,0	0,55	1980	1712	0,86
12,1	10,0	0,54	2200	1901	0,86
13,2	11,0	0,54	2420	2073	0,86
14,3	12,0	0,54	2640	2246	0,85
15,6	13,0	0,53	2860	2450	0,86

1. Charakterystyka regulacji silnika prądu stałego (zależność od momentu obciążenia).

2. Zależność prądu twornika silnika prądu stałego od momentu obciążenia (przy stałej prędkości).

3. Moce w silniku prądu stałego przy stałej prędkości obrotowej (połączenie obcowzbudne).

4. Sprawność* silnika prądu stałego (przy stałej prędkości).

5. Porównanie zależność prądu twornika silnika prądu stałego od momentu obciążenia.

1. Wnioski.

   1. Dotyczące pomiaru charakterystyk naturalnych.

Wyznaczenie charakterystyki naturalnej silnika prądu stałego rozpoczęliśmy od ustawienia parametrów stałych tj. napięcia twornika U_a = 220 V i prądu wzbudzenia I_f = 0,59 A oraz prądu twornika I_a = 1,5 A. Dało nam to wynikowe obroty 1548 obr/min. Stopniowe zwiększanie obciążenia silnika czyli zwiększanie prądu twornika do 13 A spowodowało niewielki spadek obrotów maszyny. Teoretycznie mając stałe napięcie twornika i stałą wartość prądu wzbudzenia powinniśmy mieć stały strumień magnetyczny. W rzeczywistości gdy wzrastał prąd twornika wzrastała reakcja poprzeczna twornika, która spowodowała zmniejszenie strumienia i niewielkie obniżenie obrotów silnika. Minimalny prąd twornika jaki odczytaliśmy nie obciążając maszyny tj. 1,5 A spowodowany był stratami mechanicznymi (tarcia), stratami w rdzeniu i stratami w miedzi (w uzwojeniach). Dlatego na wykresie nr 3 wartość prądu twornika nie rozpoczyna się do zera. Na wykresie nr 4 mamy zależność momentu obciążenia do mocy, po którym widać, że musimy dostarczyć więcej mocy elektrycznej i odejmując od tego sumę strat mamy moc mechaniczną.

1. Dotyczące regulacji prędkości obrotowej silnika przez zmianę napięcia twornika oraz przez zmianę prądu wzbudzenia..

Charakterystykę regulacji prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika rozpoczęliśmy ustawiając na stałym poziomie prąd wzbudzenia If = 0,58 A oraz obciążając maszynę momentem 10 Nm, napięcie twornika Ua = 60 V. Charakterystyki tego typu określają możliwości regulacji prędkości obrotowej silnika przy stałym obciążeniu. Regulacja przez zmianę napięcia twornika polega na zmianie rezystancji obwodu twornika przez rezystor regulacyjny. Rezystor, który będzie regulował prąd w obwodzie a co za tym idzie napięcie Ua powinien być przeznaczony do pracy ciągłej i tak dobrany aby nie uszkodził się przy nadmiernym nagrzewaniu. Jeżeli do regulacji prędkości obrotowej zostanie wykorzystany rezystor w obwodzie twornika to napięcie twornika będzie wynosić:

U_a = U_N −  (R_t * I_a)

Ua – napięcie twornika.

UN – znamionowe napięcie zasilające

Rt – rezystancja rezystora regulacyjnego

Ia – prąd twornika

Dzięki temu sposobowi osiągamy bardzo duży zakres regulacyjności obrotów silnika od 330 do 1600 obr/min przy zachowaniu bardzo wysokiej sprawności w całym zakresie regulacji.

Regulując prędkość obrotową za pomocą prądu wzbudzenia uzyskujemy kiepskie wyniki jeżeli chodzi o zakres regulacyjności. W naszym wypadku były to obroty z zakresu 1330 do 1595 obr/min. Łatwiej jest natomiast regulować prąd rzędu 0,3 do 0,6 A, niż regulować napięcie, w obwodzie którego płynie prąd rzędu 8 – 8,5 A, jak w przypadku regulacji za pomocą napięcia twornika.

1. Dotyczące pomiarów regulacji silnika prądu stałego.

Wykonując charakterystyki regulacji na stałym poziomie mieliśmy napięcie twornika Ua = 220 V, obroty silnika n = 1500 obr/min a minimalne obciążenie jakie mieliśmy przy tych stałych parametrach to Ia = 1,5 A. Charakterystyka regulacyjna to zależność prądu wzbudzenia i prądu twornika lub tak jak w naszym przypadku prądu wzbudzenia do momentu obciążenia. Dowiadujemy się jak regulować prąd wzbudzenia aby przy zmieniającym się obciążeniu zachować stałe obroty silnika. Obserwując wykres 14 widzimy opadającą charakterystykę prądu wzbudzenia. Gdy zwiększaliśmy obciążenie czyli prąd twornika musieliśmy zmniejszać prąd wzbudzenia, ponieważ zwiększenie obciążenia zwiększa reakcje twornika. Zaletą takiej regulacji jest to, że regulujemy obroty niewielkim prądem wzbudzenia. Na podstawie charakterystyk regulacyjnych wyznacza się wartość znamionowych wartości prądu wzbudzenia przy M = M_N oraz wartość znamionową wartość prądu wzbudzenia przy biegu jałowym M = 0.