CEL ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest poznanie układu połączeń, cech eksploatacyjnych, sposobów rozruchu i regulacji prędkości obrotowej silnika szeregowego prądu stałego.
WSTĘP TEORETYCZNY:
Układ połączeń silnika szeregowego prądu stałego przedstawiono na rysunku 15.1. Zaciski szeregowego uzwojenia wzbudzenia oznaczono przez D1 – D2.
Rys.1. Układ połączeń silnika szeregowego
Silniki szeregowe ze względu na swoje właściwości (duży moment rozruchowy i dużą rozpiętość osiąganych prędkości obrotowych) stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (koleje, tramwaje, trolejbusy, kolejki, wózki akumulatorowe), gdzie pracują sprzęgnięte na stałe z osią pojazdu w sposób nierozłączny. W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzające i uzwojenie twornika połączone są szeregowo, tak więc strumień zmienia się proporcjonalnie do zmian obciążenia. Dla silnika szeregowego
(1)
gdzie:
E - indukowana siła elektromotoryczna;
- suma rezystancji obwodu twornika;
Rm - rezystancja uzwojenia wzbudzenia;
ΔUp - spadek napięcia na rezystancji przejścia między szczotką a komutatorem ( - pomijalnie mały).
Prędkość obrotowa silnika szeregowego po uwzględnieniu zależności strumienia od prądu twornika przyjmie postać:
(2)
gdzie:
Rys.1. Charakterystyka zewnętrzna i charakterystyka momentu silnika szeregowego
Ze wzoru (2) wynika, że charakterystyka zewnętrzna silnika n=f(I) zdejmowana przy stałym napięciu zasilającym będzie miała kształt hiperboliczny. Przy zmniejszeniu obciążenia poniżej 0,5 In następuje znaczny wzrost prędkości obrotowej, co stwarza niebezpieczeństwo rozbiegania się silnika. Rozbieganie się silnika polega na wzroście prędkości obrotowej ponad wartości dopuszczalne, czego konsekwencją jest uszkodzenie części mechanicznych i zniszczenie silnika. Ponadto stanowi niebezpieczeństwo dla obsługi. Całkowite odciążenie silnika szeregowego jest niedopuszczalne. Dlatego silniki szeregowe należy łączyć trwale z napędzanymi przez nie maszynami za pomocą sprzęgieł nierozłączalnych lub przekładni zębatych, a nie przekładni pasowych. Na tabliczce znamionowej silnika szeregowego powinna być podana dopuszczalna obrotowa prędkość maksymalna. Charakterystyka momentu, podobnie jak charakterystyka zewnętrzna wyznaczana jest przy stałym napięciu zasilającym. Kształt tej charakterystyki po uwzględnieniu proporcjonalności strumienia od prądu twornika przyjmie postać:
(3)
Wykresem tej charakterystyki jest więc parabola. Cenną właściwością silnika szeregowego jest szybki wzrost momentu przy wzroście prądu, co pozwala na zastosowanie go do pracy w warunkach dużych przeciążeń i ciężkich rozruchów. Na rys.1. zostały pokazane charakterystyki zewnętrzna i momentu dla silnika szeregowego. W rzeczywistości obydwie charakterystyki dla dużych prądów twornika, w wyniku oddziaływania twornika oraz nasycenia obwodu magnetycznego, nieznacznie odbiegają w stosunku do krzywych wynikających ze wzorów (2) i (3) (tzn. hiperboli i paraboli). Rozruchu silnika szeregowego dokonuje się przy obciążeniu, poprzez zmianę rezystancji rozrusznika Rr włączonego szeregowo z twornikiem. Wzrostowi rezystancji Rr odpowiada mniejsza prędkość obrotowa przy tym samym prądzie obciążenia (rys.2), a zatem poprzez regulację Rr od maksimum do zera osiągamy płynny wzrost prędkości obrotowej silnika od zera do wartości znamionowej.
Rys2. Przebieg rozruchu silnika szeregowego
Regulację prędkości obrotowej w silniku szeregowym można przeprowadzać przez:
regulację rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika,
regulację napięcia zasilającego.
regulację przez bocznikowanie uzwojenia twornika
regulację przez bocznikowanie uzwojenia wzbudzenia
Rys.3. Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego przez bocznikowanie uzwojenia wzbudzającego
WYNIKI POMIARÓW:
Układ, na którym dokonywano pomiarów, wygląda następująco:
Rys.4. Schemat połączeń do badania charakterystyk elektromechanicznych silnika szeregowego
Wyznaczenie charakterystyki regulacji n=f(I) wg Tab.1. oraz Tab.2.
wykresy:
a) charakterystyka naturalna
b) charakterystyka sztuczna
Tab.1 Wartości pomiarowe dla pracy silnikowej
L.p. |
Prądnica obciążająca | Silnik szeregowy |
|---|---|---|
| I | U | |
| A | V | |
| 1. | 3,70 | 370 |
| 2. | 3,40 | 315 |
| 3. | 3,00 | 339 |
| 4. | 2,70 | 368 |
| 5. | 2,40 | 400 |
| 6. | 2,15 | 480 |
| 7. | 1,85 | 500 |
| 8. | 1,70 | 520 |
Przykładowe obliczenia:
U = IR [V] (4)
R = $\ \frac{U}{I}$ = $\frac{1375,0}{8,5}$ = 161,76 [Ω]
Moc pobierana przez silnik
PS=UIt [W] (5)
PS = 215, 05,4 = 116,0 [W]
Moment na wale silnika (moment użyteczny)
M = 0,63 + 1,34 Iobc [Nm]
M = 0,63 + 1,34 2,6 = 4,1 [Nm]
Moc na wale (moc użyteczna)
P = $\frac{M\ \text{\ n}}{9,6}$ [W] (6)
P = $\frac{4,12096,0}{9,6}$ 899,8 [W]
Sprawność
$\eta = \ \frac{P}{P_{S}}\ \ 100\ \ \ \lbrack\%\rbrack$ (7)
η = $\frac{899,8}{1161,0}\ \ 100 = 77,4\ \lbrack\%\rbrack$
Strumień magnetyczny silnika
$\frac{\varnothing}{\varnothing_{N}} = \frac{\left( \text{\ U} - \ I_{\text{t\ }}\ 3,38 \right)7,6}{n}$ [-] (8)
$\frac{\varnothing}{\varnothing_{N}} = \frac{\left( \ 215 - 5,4\ 3,38 \right)7,6}{2096}$ = 0,71 [-]
Tab.1 Wartości pomiarowe dla pracy silnikowej
L.p. |
Prądnica obciążająca | Silnik szeregowy |
|---|---|---|
| I | U | |
| A | V | |
| 1. | 3,70 | 370 |
| 2. | 3,40 | 315 |
| 3. | 3,00 | 339 |
| 4. | 2,70 | 368 |
| 5. | 2,40 | 400 |
| 6. | 2,15 | 480 |
| 7. | 1,85 | 500 |
| 8. | 1,70 | 520 |
Tab.2 Wartości pomiarowe dla pracy silnikowej
L.p. |
Prądnica obciążająca | Silnik szeregowy |
|---|---|---|
| I | U | |
| A | V | |
| 1. | 3,9 | 370 |
| 2. | 3,6 | 310 |
| 3. | 3,1 | 340 |
| 4. | 2,8 | 365 |
| 5. | 2,5 | 390 |
| 6. | 2,1 | 430 |
| 7. | 2,1 | 430 |
| 8. | 1,6 | 480 |
| 9. | 1,4 | 510 |
| 10. | 1,1 | 560 |
| 11. | 1,0 | 600 |
Wykres 1. Charakterystyka regulacji n=f(It)
a) charakterystyka naturalna
b) charakterystyka sztuczna
Tab.1 Wartości pomiarowe dla pracy silnikowej
L.p. |
Prądnica obciążająca | Silnik szeregowy |
|---|---|---|
| I | U | |
| A | V | |
| 1. | 3,70 | 1063 |
| 2. | 3,40 | 1125 |
| 3. | 3,00 | 1200 |
| 4. | 2,70 | 1225 |
| 5. | 2,40 | 1300 |
| 6. | 2,15 | 1375 |
| 7. | 1,85 | 1475 |
| 8. | 1,70 | 1550 |
Tab.3. Wartości pomiarowe dla pracy silnikowej
L.p. |
Prądnica obciążająca | Silnik szeregowy |
|---|---|---|
| I | U | |
| A | V | |
| 1. | 3,85 | 290 |
| 2. | 3,30 | 330 |
| 3. | 3,00 | 360 |
| 4. | 2,70 | 390 |
| 5. | 2,45 | 415 |
| 6. | 2,20 | 450 |
| 7. | 1,90 | 480 |
| 8. | 1,65 | 520 |
| 9. | 1,45 | 555 |
| 10. | 1,20 | 610 |
Wyznaczenie charakterystyki regulacji n=f(It) dla charakterystyki naturalnej przy R=0 oraz dla charakterystyki sztucznej R=5Ω.
Wykres 2. Charakterystyka regulacji n=f(It) względem charakterystyki naturalnej przy R=0 oraz dla charakterystyki sztucznej R=5Ω.
WNIOSKI:
Uzwojenia silnika szeregowego, jak sama nazwa wskazuje, połączone są szeregowo
i zasilane są prądem stałym. Prąd twornika jest jednocześnie prądem wzbudzenia. Rezystancja
uzwojenia wzbudzenia jest tego samego rzędu, co rezystancja uzwojenia twornika.
Prąd twornika jest odzwierciedleniem obciążeniem silnika. Dlatego łatwo zauważyć,
że prędkość kątowa bez obciążenia może zmierzać do nieskończoności. Wynika to z tego,
że silnik szeregowy nie może być uruchamiany bez obciążenia.
Na podstawie wyżej zamieszczonych wykresów można stwierdzić, że kształt charakterystyki
zewnętrznej pokrywa się z krzywą teoretyczną co dowodzi poprawności przeprowadzenia pomiarów
i świadczy o konieczności obciążania silnika by zapobiec jego rozbieganiu.
Charakterystyka regulacji zbliżona jest do charakterystyki teoretycznej, ukazuje jak regulować
napięciem twornika aby przy zmieniającym się obciążeniu (It) prędkość pozostawała stała.
Łatwo zauważyć, że charakterystyka sztuczna zawsze pojawia się pod wykresem charakterystyki
naturalnej. Są one względem siebie nierównoległe, posiadają również różne niepewności pomiarowe.
Ze wzrostem natężenia, czyli prądu, prędkość kątowa, czyli ilość obrotów powoduje, że
między wykresami pojawia się większa odległość. Im mniejsza ilość obrotów, tym wartości prądu są zbliżone.
Wyszukiwarka