ĆWICZENIE 41

BADANIE SILNIKA UNIWERSALNEGO

• Program ćwiczenia

• Pomiar charakterystyk prędkości obrotowej n = f(U) przy M = const przy zasilaniu prądem stałym i przemiennym.

• Pomiar charakterystyk elektromechanicznych n, η, cosϕ, I = f(M) przy U = U_n przy obydwu rodzajach zasilania.

• Analiza porównawcza otrzymanych wyników pomiarów przy zasilaniu prądem stałym i prądem przemiennym; porównanie wyników pomiarów z wymaganiami obowiązujących norm.

• Cel pomiarów

Silnik uniwersalny to komutatorowy silnik szeregowy, który może być zasilany zarówno napięciem stałym, jak i przemiennym. Silniki takie, zwykle o mocy ułamkowej (0,5-350W), służą do napędu narzędzi ręcznych, maszyn biurowych oraz zmechanizowanych urządzeń w gospodarstwie domowym.

Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie pomiarów wybranych z pełnej próby silników uniwersalnych przewidzianych w normie. Wybór pomiarów, podyktowany względami dydaktyki, głównie obejmuje te punkty, które pozwolą na bliższe poznanie budowy, zasady działania oraz możliwości eksploatacyjnych silników. Szczególnie interesujące w ćwiczeniu jest porównanie właściwości silnika zasilanego prądem stałym i prądem przemiennym.

Wyniki pomiarów należy uznać za dodatnie, jeżeli wyznaczone na ich podstawie parametry silnika badanego będą zgodne z podanymi na tabliczce znamionowej i w karcie katalogowej. Dopuszczalne odchyłki poszczególnych parametrów nie powinny być większe niż to precyzują normy.

• Omówienie programu ćwiczenia

1. Budowa i zasada działania silnika uniwersalnego

Silnik uniwersalny działa identycznie jak silnik szeregowy prądu stałego. Jeżeli bowiem w silniku szeregowym prądu stałego zmienić biegunowość napięcia zasilającego, to jednocześnie zmieni się kierunek prądu twornika i kierunek strumienia głównego, zatem kierunek momentu obrotowego nie ulegnie zmianie. W silniku takim, zasilanym napięciem przemiennym, prąd zmienia się periodycznie, równocześnie w uzwojeniu twornika i uzwojeniu wzbudzenia, zatem kierunek działania momentu pozostaje nie zmieniony. Kierunek ten zależy jedynie od wzajemnego połączenia początków i końców obydwu uzwojeń silnika.

Różnica konstrukcyjna między zwykłym silnikiem szeregowym prądu stałego a silnikiem uniwersalnym polega na tym, że zarówno wirnik, jak i obwód magnetyczny stojana są wykonane w całości z blach magnetycznych, aby straty w żelazie pod wpływem zmiennego strumienia magnetycznego były jak najmniejsze.

Twornik silnika ma najczęściej uzwojenie pętlicowe proste. W żłobkach nabiegunników maszyn o większych mocach umieszczone jest uzwojenie kompensacyjne, a między biegunami głównymi - bieguny komutacyjne (rys. 41.1). Ponieważ strumień oddziaływania twornika jest strumieniem przemiennym, uzwojenie kompensacyjne nie musi być galwanicznie połączone z uzwojeniem twornika. Może ono być zamknięte i działać jak uzwojenie wtórne transformatora w stanie zwarcia. Jednak, ze względu na istnienie strumieni rozproszenia, strumień oddziaływania twornika nie może być tą metodą skompensowany w całości.

W silnikach mocy ułamkowej nie wykonuje się uzwojeń kompensacyjnych i komutacyjnych. Poprawę warunków komutacji uzyskuje się przez pewne zabiegi konstrukcyjne, takie jak zmniejszenie napięcia między sąsiednimi działkami komutatora (zwiększenie liczby działek komutatora) oraz dobranie odpowiedniego materiału na szczotki.

Jeżeli silnik pracuje ze stałym prądem obciążenia, złagodzenie warunków komutacji można uzyskać przez odpowiednie wysunięcie szczotek ze strefy neutralnej. Należy jednak pamiętać, że w takim przypadku silnik nie może pracować nawrotnie.

Silnik szeregowy zasilany prądem stałym rozwija stały w czasie moment obrotowy


(41.1)




Rys. 41.1. Schemat połączeń uzwojeń silnika uniwersalnego

Przy zasilaniu prądem przemiennym moment obrotowy zmienia się w czasie. Jeżeli założyć, że prąd twornika i strumień główny są w fazie, to wartość chwilowa momentu wyniesie


(41.2)

gdzie Φ_m, I_am - odpowiednio maksymalne wartości strumienia głównego i prądu twornika.

Zatem moment obrotowy, mimo zmian swojej wartości w czasie, nie zmienia kierunku (rys. 41.2).

Jeśli założyć brak nasycenia obwodu magnetycznego, średnia wartość momentu na wale silnika, po podstawieniu Φ = C₂ · I_a, wyniesie


(41.3)

Charakter tej zależności jest więc identyczny jak dla silników szeregowych prądu stałego.

Podczas rozruchu, gdy n = 0, strumień główny i prąd wirnika nie są w fazie, gdyż uzwojenie wzbudzenia tworzy ze zwartymi przez szczotki zezwojami transformator, obciążony rezystancją oraz reaktancją rozproszenia obwodu. Przesunięcie to jest jednak niewielkie, toteż moment średni jest nadal różny od zera.




Rys. 41.2. Przebiegi prądu, strumienia magnetycznego i momentu obrotowego w funkcji czasu

Jeżeli pominąć straty w silniku i założyć, że ma on dostarczyć taki sam moment obrotowy przy zasilaniu prądem stałym i przemiennym, to można napisać


(41.4)

gdzie: P_st, P_zm- moc silnika, zasilanego odpowiednio prądem stałym i przemiennym,

n_st, n_zm - prędkość obrotowa silnika, zasilanego odpowiednio prądem stałym i przemiennym.

Ponieważ w obydwu przypadkach silnik przewidziany jest na taką samą wartość napięcia pracy, a wartość skuteczna prądu przemiennego, ze względu na nagrzewanie się uzwojeń, powinna być równa prądowi stałemu, wyrażenie (41.4) przybierze postać


(41.5)

Z zależności tej wynika, że prędkość obrotowa przy prądzie przemiennym będzie tym bliższa prędkości przy prądzie stałym, im współczynnik mocy cosϕ będzie bliższy jedności. Z wykresu wektorowego maszyny szeregowej zasilanej prądem przemiennym (rys. 41.3) widać, że kąt ϕ jest tym mniejszy, im większa jest prędkość obrotowa silnika. Dlatego silniki te budowane są zazwyczaj na duże prędkości obrotowe. Współczynnik mocy nowoczesnych silników przekracza dla napięcia znamionowego wartość 0,9. W silnikach o niższej prędkości obrotowej (poniżej 150 obr/s) zasilanych prądem przemiennym zmniejsza się, w celu uzyskania podobnych charakterystyk roboczych, liczbę zwojów uzwojenia wzbudzenia (rys. 41.4). Symetryczne rozmieszczenie połówek uzwojenia wzbudzenia po obydwu stronach twornika zmniejsza zakłócenia radioelektryczne.




Rys. 41.3. Wykres wektorowy silnika uniwersalnego przy różnych prędkościach obrotowych




Rys. 41.4. Sposoby połączenia silnika uniwersalnego do sieci prądu stałego i przemiennego.




Rys. 41.5. Sposoby regulacji prędkości obrotowej silnika

Rozruch dużych silników przeprowadza się przy obniżonym napięciu. Zwykle prąd rozruchowy nastawia się powyżej wartości znamionowej. Małe silniki są najczęściej uruchamiane przez bezpośrednie włączenie na napięcie znamionowe.

Regulacja prędkości obrotowej może się odbywać przez zmianę:

• napięcia zasilającego (rys. 4l.5a),

• prądu wzbudzenia (bocznikowanie uzwojenia wzbudzenia, rys. 41.5b),

• prądu twornika (bocznikowanie obwodu twornika, rys. 41.5c),

• liczby zwojów uzwojenia wzbudzenia (rys. 41.5d).

Jeśli silnik o liniowym obwodzie magnetycznym jest zasilany prądem stałym, to zależność prędkości obrotowej n od jego poszczególnych parametrów można wyrazić wzorem


(41.6)

w którym: U - napięcie zasilające,

I_a - prąd twornika,

I_f - prąd wzbudzenia,

R_a - suma rezystancji uzwojeń obwodu twornika,

C - stała.

Dla przypadku zasilania prądem przemiennym zależność ta przybiera postać


(41.7)

gdzie: X_ac - wypadkowa reaktancja uzwojeń połączonych szeregowo.

Na reaktancję X_ac składają się reaktancje uzwojeń: wzbudzenia, twornika, kompensacyjnego i komutacyjnego. Należy zwrócić uwagę, że X_ac nie jest zwykłą sumą poszczególnych reaktancji wyznaczanych oddzielnie, lecz reaktancją wynikową (mierzoną wspólnie), gdyż strumienie magnetyczne odpowiadające poszczególnym reaktancjom w znacznym stopniu się znoszą. W silnikach mocy ułamkowej, ze względu na brak uzwojeń komutacyjnych i kompensacyjnych, reaktancja ta jest dość duża.

Ze wzorów (41.3), (41.6) i (41.7) wynika, że gdy moment obciążenia jest stały (M = const), zależność n = f(U) ma charakter prostoliniowy (rys. 41.6). Jeżeli natomiast przy stałym napięciu zasilania zmieniać obciążenie silnika, to prędkość obrotowa zmienia się jak na rys. 41.7, na którym przedstawiono przykładowe charakterystyki n = f(M) przy zasilaniu prądem przemiennym. Przy zasilaniu prądem stałym, charakterystyki te mają przebieg bardziej zbliżony do hiperboli.

Z krzywych n = f(M) widać, że silnik nie obciążony ma tendencję do zwiększania prędkości obrotowej ponad dopuszczalną wartość. Dlatego silniki te nie powinny być uruchamiane bez obciążenia na wale, gdyż może to doprowadzić do ich uszkodzenia.

1. Pomiar charakterystyk n = f(U) przy M = const

Charakterystyki n = f(U), zwane charakterystykami prędkości obrotowej, zostaną wykonane dla dwóch wartości momentu na wale: M = M_n i M = 0,5·M_n, przy zasilaniu prądem stałym i prądem przemiennym. Schemat połączeń układu pomiarowego dla prądu stałego przedstawiono na rys. 41.8a, a dla prądu przemiennego na rys. 41.8b. Obciążeniem silnika jest hamulec elektromaszynowy. Pomiary przeprowadza się, regulując napięcie zasilające w granicach od 1,1·U_n do takiej wartości, przy której możliwe jest jeszcze utrzymywanie stałego (zadanego) momentu za pomocą maszyny hamulcowej. W tym zakresie, należy wykonać 5-7 pomiarów dla każdej charakterystyki, odczytując wartość napięcia zasilającego U, prędkość obrotową silnika n, prąd pobierany I oraz moc P₁ (przy zasilaniu prądem przemiennym). Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 41.1.

Tabela 41.1

Lp.	U	n	I	M	P1	Uwagi
		V	obr/s	A	N·m		W
1...5				Mn			napięcie stałe
1...5				0,5·Mn
1...5				Mn			napięcie przemienne
1...5				0,5·Mn




Rys. 41.6. Charakterystyki n = f(U) przy M = const




Rys. 41.7. Charakterystyki n = f(M) przy U = const




Rys. 41.8. Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk silnika; a) zasilanego prądem stałym, b) prądem przemiennym

Przy zasilaniu prądem stałym P₁ = U·I, natomiast przy zasilaniu prądem przemiennym P₁ jest odczytywane na watomierzu.

Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić charakterystyki n = f(U), dla obydwu rodzajów napięć na wspólnym wykresie (rys. 41.6).

2. Pomiar charakterystyk elektromechanicznych

Charakterystyki elektromechaniczne silnika to zależności n, I, η, cosϕ = f(M) przy U = const. Ich wyznaczanie odbywać się będzie w tym samym układzie pomiarowym jak w p. 41.3.2. Przed właściwym pomiarem silnik należy obciążyć mocą znamionową przez 10-15 min, aby wszystkie jego części osiągnęły temperaturę pracy.

Przy stałej wartości napięcia zasilającego równej wartości znamionowej należy odciążać silnik w zakresie od 1,1·I_n do takiej wartości prądu, przy której prędkość obrotowa nie przekracza 1,8·n_n. W czasie pomiarów odczytuje się wartości prądu silnika, mocy pobieranej, prędkości obrotowej oraz momentu na wale. Pomiary należy wykonać zarówno dla zasilania prądem stałym, jak i przemiennym. Wyniki należy zestawić w tabeli 41.2.

Tabela 41.2

Lp.

Rodzaj napięcia

U

I

n

M

P1

P2

cosϕ

η

Uwagi

V

A

obr/s

N·m

W

W

-

-

stałe

przemienne

W powyższej tabeli:

• moc na wale


(41.8)

• współczynnik mocy


(41.9)

• sprawność silnika


(41.10)

Na podstawie wyników pomiarów i obliczeń należy narysować dla obydwu rodzajów napięć charakterystyki elektromechaniczne, zestawiając odpowiadające sobie krzywe na wspólnych arkuszach. Typowe przebiegi wyznaczanych charakterystyk przedstawiono na rys. 41.9. Krzywe „a” na tym rysunku odpowiadają zasilaniu prądem stałym, a krzywe „b” - prądem przemiennym.






Rys. 41.9. Charakterystyki elektromechaniczne silnika: a) n = f(M), b) η = f(M), c) I, cosϕ = f(M)

Z porównania charakterystyk wynika, że silnik przy zasilaniu prądem stałym ma korzystniejsze parametry eksploatacyjne niż przy zasilaniu prądem przemiennym. Większa jest przy tym samym obciążeniu sprawność silnika i prędkość obrotowa, lepsze są warunki komutacji. Jeżeli charakterystyki mechaniczne n = f(M) przy obydwu rodzajach zasilania zbyt się różnią, pewną poprawę można uzyskać przez zmniejszenie liczby zwojów uzwojenia wzbudzenia przy zasilaniu prądem przemiennym (rys. 41.4).

Na podstawie charakterystyk należy wyznaczyć znamionowe wartości sprawności, prędkości obrotowej i współczynnika mocy, a następnie obliczyć różnice między tymi parametrami i podanymi przez producenta na tabliczce znamionowej. Różnice te nie powinny być większe niż podane w p. 41.2.

• Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• opracowany protokół z pomiarów,

• charakterystyki n = f(U) przy M_n i 0,5·M_n dla prądu stałego i przemiennego,

• charakterystyki elektromechaniczne: n, η, cosϕ, I = f(M) przy U = U_n dla prądu stałego i przemiennego,

• porównanie otrzymanych wyników z podanymi przez producenta i z wymaganiami norm.

• uwagi i wnioski.

• Pytania

• Jak wpłynie na pracę silnika szeregowego prądu stałego zmiana biegunowości napięcia zasilającego?

• Na czym polega różnica w konstrukcji silnika szeregowego prądu stałego i silnika uniwersalnego?

• Czy silnik bocznikowy mógłby pracować przy zasilaniu napięciem przemiennym?

• Dlaczego silniki uniwersalne są wykonywane jako silniki wysokoobrotowe?

• W jaki sposób można osiągnąć zbliżony kształt charakterystyk mechanicznych przy zasilaniu silnika uniwersalnego prądem stałym i prądem przemiennym?

• Opisać rozruch silnika uniwersalnego.

• Podać sposoby regulacji prędkości obrotowej silnika uniwersalnego.

• Dlaczego silnik uniwersalny nie powinien pracować bez obciążenia?

• Podać przykłady zastosowań silników uniwersalnych.

159

---