AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Sprawozdanie z ćwiczeń laboratoryjnych

z elektrotechniki i podstaw automatyki.

Temat: Charakterystyki silnika obcowzbudnego prądu stałego

Ćwiczenia przeprowadzono: 16.12.2012r. Wydział: GiG Semestr V, 2012/2013 Kraków, niestacjonarne.

Sprawozdanie wykonali: Weronika Klimczak Cezary Gruca

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk silnika (zmian prędkości obrotowej)
w stosunku od pobieranego przezeń prądu a zależności od zmian: obciążenia zewnętrznego, oporności twornika, napięcia zasilania czy prądu wzbudzenia.

W ćwiczeniu użyty został silnik obcowzbudny pierścieniowy prądu stałego połączony mechanicznie (poprzez wał) z obcowzbudną prądnicą prądu stałego, zgodnie z poniżej zamieszczonym schematem.

Parametry znamionowe silnika:

• Moc znamionowa - P_n = 3 kW

• Napięcie znamionowe - U_n = 220 V

• Prąd znamionowy - I_n = 16,5 A

• Obroty znamionowe - n_n = 720

• Prąd wzbudzenia - I_wn =0,714 A = 714 mA

Ponieważ w chwili rozruchu silnika (załączenia) prędkość obrotowa wynosi zero to prąd pobierany mógłby osiągnąć 20 krotną wartość prądu znamionowego

mogło by to spowodować zniszczenie silnika i uszkodzenie sieci zasilającej. Aby uniknąć takiej sytuacji stosuje się do rozruchu silników np. opornice rozruchowe R_d (włączone
w obwód twornika) za pomocą których dokonuje się łagodnego rozruchu silnika. Jest to stosunkowo proste rozwiązanie niemniej jest ono bardzo energochłonne.

Uruchomienie silnika następuje przez włączenie wzbudzenia a następnie poprzez opornicę rozruchową (największy opór) włączenie twornika do sieci. Stopniowo wraz ze wzrastaniem obrotów silnika zmniejsza się opór opornicy aż do osiągnięcia nominalnych obrotów.

Zależność prędkości obrotowej silnika określa wzór:

gdzie c - to stała maszyny.

Z powyższego wzoru wynika, że na prędkość obrotową silnika można wpływać poprzez zmianę: napięcia zasilania, zmianę oporności obwodu twornika (oporności zewnętrznej R_d) lub zmianę strumienia magnetycznego wzbudzenia.

Charakterystyka silnika ω=f(I) wynikająca ze znamionowych: napięcia i prądu wzbudzenia oraz bez dodatkowych oporności w obwodzie twornika przyjmuje się jako charakterystykę naturalną. Kiedy będziemy zmieniać napięcie zasilania, prąd wzbudzenia czy oporność obwodu twornika otrzymamy charakterystyki sztuczne.

Podczas pracy silnika z parametrami znamionowymi zasilania poprzez zmianę prądu wzbudzenia prądnicy obciążano silnik momentem w wyniku czego obserwowano zmianę prądu pobieranego przez silnik oraz zmianę prędkości obrotowej. Ze wzrostem obciążenia malały obroty i rósł pobierany z sieci prąd. Wyniki zestawiono w poniższej zbiorczej tabeli. Na tej podstawie można określić charakterystykę naturalną tego silnika.

Następnym krokiem była zmiana napięcia zasilania silnika na U_z = 180 V.

Podobnie jak poprzednio obciążano silnik momentem i obserwowano zmianę prądu pobieranego przez silnik oraz zmianę prędkości obrotowej. Ze wzrostem obciążenia malały obroty i rósł pobierany z sieci prąd. Wyniki zestawiono w poniższej zbiorczej tabeli. Na tej podstawie można określić charakterystykę napięciową tego silnika.

Następnie przywrócono znamionowe napięcie zasilania natomiast zwiększano oporność obwodu twornika przez dokładanie oporów zewnętrznych R_d przy stałym obciążeniu momentem. Zaobserwowano ze wzrostem oporności R_d wzrost pobieranego przez silnik prądu oraz spadek obrotów. Wyniki zestawiono w poniższej zbiorczej tabeli. Na tej podstawie można określić charakterystykę oporową tego silnika.

Kolejnym doświadczeniem było zmniejszenie pola wzbudzenia przez zmniejszenie prądu płynącego w obwodzie wzbudzenia I_w = 0,6 A przy zastosowaniu nominalnych pozostałych parametrów zasilania silnika. Podobnie jak poprzednio ze wzrostem obciążenia silnika momentem rósł pobierany z sieci prąd i malały obroty. Wyniki zestawiono w poniższej zbiorczej tabeli. Na tej podstawie można określić charakterystykę wzbudzeniową tego silnika.

Tabela zbiorcza prezentująca wyniki wykonanych pomiarów dla poszczególnych charakterystyk pierścieniowego silnika obcowzbudnego prądu stałego.

Naturalna		Napięciowa		Oporowa		Wzbudzeniowa
I [A]	n [obr/min]	I [A]	n [obr/min]	I [A]	n [obr/min]	I [A]	n [obr/min]
0,7	870	0,7	710	0,7	825
0,8						0,8	920
3,0	852	3,0	700	3,0	668
4,0						4,0	900
6,0	837	6,0	680	6,0	468
8,0						8,0	880
7,9				7,9	348
9,0	832	9,0	666
12,0	816					12,0	865
13,7		13,7	645
16,0						16,0	857
16,5	796
18,5						18,5	840

Graficzna prezentacja zebranych wyników w postaci wykresu charakterystyk silnika.

Można zaobserwować że wszystkie charakterystyki są kształtem zbliżone do prostych
o zbliżonym kącie nachylenia za wyjątkiem charakterystyki oporowej będącej prostą lecz
o zupełnie innym kącie nachylenia.

Analizując równocześnie wzór określający prędkość obrotową silnika

możemy stwierdzić, że wszystkie charakterystyki powinny być liniami prostymi.

Powyższy wykres nie przedstawia linii prostych najprawdopodobniej z powodu niedokładności przyrządów pomiarowych, jednokrotnego wykonania doświadczenia, czyli ogólnie z niewysokiej precyzji doświadczenia.

Posiłkując się programikiem regresja liniowa można na podstawie zebranych wyników pomiarowych określić współczynniki równania liniowego dla każdej z charakterystyk

stąd współczynniki prostej wynoszą odpowiednio

Z powyższego wynika że charakterystyki naturalna i napięciowa będą prostymi równoległymi ponieważ mają identyczny współczynnik kierunkowy

Tabela z wyliczonymi za pomocą regresji współczynnikami charakterystyk

	Natura	Napięciowa	Oporowa	Wzbudzeniowa
a	-4,41	-5,09	-56,89	-4,21
b	868,52	713,21	872,57	918,66

Można zauważyć różnicę w wyliczonym współczynniku kierunkowym a dla charakterystyk naturalnej i napięciowej co również skłania do stwierdzenia że przeprowadzone doświadczenie nie było wystarczająco precyzyjne.

Na zakończenie doświadczenia zostało wykonane hamowanie dynamiczne tego silnika.

Silnik pracuje w charakterystyce normalnej, wyłączamy napięcie zasilania twornika i silnik przechodzi w stan wybiegu i bardzo powoli się zatrzymuje (zatrzymują go tylko opory ruchu).

Jeżeli natomiast w pracującym silniku odłączymy napięcie zasilania twornika i zamkniemy obwód twornika przez opór zewnętrzny np. rozruchowy to popłynie w nim prąd o kierunku przeciwnym niż zasilający i zauważymy niemal natychmiastowe zatrzymanie silnika.

Hamowanie dynamiczne realizuje się poprzez włączanie odpowiednich rezystorów dobranych tak aby nie zniszczyć silnika przez przepływ zbyt dużego prądu. Energia hamowania wydziela się w postaci ciepła na opornikach włączanych w obwód twornika. Rozwiązanie to szczególnie popularne było w tramwajach gdzie w zimie ciepło uzyskiwane w trakcie hamowania wykorzystywane było do ogrzewania wagonów. Nawet do dzisiaj pracują jeszcze koleje górskie zębate czy maszyny wyciągowe w których ten sposób hamowania jest stosowany.

- 4 -

---