Politechnika Świętokrzyska Instytut Elektrotechniki
LABORATORIUM ELEKTROMASZYNOWYCH ELEMENTÓW AUTOMATYKI
Nr ćwiczenia	Temat ćwiczenia			Zespół
06.	Badanie silnika szeregowo-bocznikowego prądu stałego			Andrzej Sadowski Piotr Kędziora Krzysztof Wilczyński Sławomir Żelazny
Data wykonania		Data oddania	Ocena
1995-10-19		1995-10-26

1. Zasada działania maszyn prądu stałego.

Maszyna elektryczna pracuje jako prądnica, jeśli przetwarza moc mechaniczną w moc elektryczną. Ze wzoru określającego moc elektryczną źródła

wynika, że warunkiem działania maszyny elektrycznej jako prądnicy jest indukowanie w niej w niej napięcia źródłowego nazywanego siłą elektromotoryczną.

Wartość siły elektromotorycznej indukowanej w maszynie prądu stałego można określić na podstawie znanego z podstaw elektrotechniki wzoru

W maszynach elektrycznych kąt α = 90^o , a zatem sin α = 1, więc wzór na siłę elektromotoryczną

Ruch przewodnika z prędkością ν jest wymuszany w przypadku prądnicy przez maszynę napędzającą. Siłę elektromotoryczną określoną wzorem powyższym nazywa się siłą elektromotoryczną rotacji (ruchu), ponieważ warunkiem jej powstania jest ruch przewodnika w polu magnetycznym. Poruszanie się przewodnika w polu magnetycznym stanowi warunek powstania siły elektromotorycznej rotacji i narzuca konstrukcję maszyny eklektycznej wirującej, w której stałe pole magnetyczne o indukcji B powstaje w obwodzie magnetycznym obejmującym część nieruchomą zwaną stojanem, część wirującą zwaną wirnikiem oraz szczelinę powietrzną umożliwiającą swobodne poruszanie się wirnika wewnątrz nieruchomego stojana.

Pole magnetyczne w maszynie prądu stałego może być wytworzone przez elektromagnes lub magnes trwały. Magnesy trwałe są stosowane w maszynach małych mocy o specjalnych przeznaczeniach.

Maszynę elektryczną w której wirujący przewodnik znajduje się w polu magnetycznym o różnej biegunowości nazywa się maszyną heteropolarną (różnobiegunową), w odróżnieniu od maszyny homopolarnej (jednakobiegunowej). Praktycznie wszystkie współczesne maszyny prądu stałego są maszynami heteropolarnymi w których wirujący wraz z wirnikiem przewodnik znajduje się okresowo pod wpływem pola magnetycznego o różnej biegunowości (kolejno o biegunowości N, następnie S i ponownie N). W położeniach pośrednich

przewodnika, w okolicy punktów x = 0 lub x = π, wartość pola magnetycznego jest równa zeru, a miejsca te nazywa się strefą obojętną lub neutralną. W przewodniku wirującym w polu magnetycznym o stałej biegunowości indukuje się - zgodnie z regułą prawej dłoni - siła elektromotoryczna o zwrocie zaznaczonym na rysunku krzyżykiem lub kropką.

Rysunek 1. Zasada określania siły elektromotorycznej indukowanej w pręcie wirnika.

Krzyżykiem zaznaczono koniec grotu wskazującego zwrot indukowanej siły elektromotorycznej. Tak więc kropka oznacza że siła elektromotoryczna indukowana ma zwrot do patrzącego. Na podstawie reguły prawej dłoni łatwo stwierdzić że zmianę zwrotu siły elektromotorycznej indukowanej można uzyskać albo przez zmianę kierunku wirowania wirnika, albo przez zmianę biegunowości magnesu. Jednoczesna zmiana kierunku ruchu i biegunowości magnesów nie zmienia zwrotu indukowanej siły elektromotorycznej.

2. Klasyfikacja silników.

Silnik elektryczny prądu stałego jako przetwornik energii elektrycznej na energię mechaniczną musi być zasilany ze źródła prądu stałego. Zależnie od sposobu przyłączania obwodu wzbudzenia silnika od źródła rozróżnia się:

- silniki bocznikowe lub obcowzbudne,

- silniki szeregowe,

- silniki szeregowo - bocznikowe.

Określenie takie sugeruje sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem twornika. Silnikiem obcowzbudnym nazywa się silnik bocznikowy, którego obwód wzbudzenia jest zasilany z innego źródła niż obwód twornika. Taki sposób połączeń jest często stosowany w układach przeznaczonych do sterowania prędkości kątowej. W pozostałych przypadkach obwód wzbudzenia i obwód twornika silnika są zasilane z tego samego źródła.

W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzenia, połączone równolegle z obwodem twornika jest włączone bezpośrednio do sieci zasilającej. Taki sposób włączenia uzwojenia wzbudzenia, przy którym prąd wzbudzenia I_w = U/R_w nie zależy od obciążenia silnika, wymusza określone właściwości ruchowe silnika.

Rysunek 2. Schemat połączenia silnika bocznikowego.

Łatwo się domyśleć, że właściwości bocznikowe silnika bocznikowego muszą być takie jak silnika obcowzbudnego, w którym również prąd wzbudzenia nie zależy od obciążenia.

W silniku szeregowo - bocznikowym połączono zalety silnika bocznikowego i szeregowego. Tak więc silnik szeregowo - bocznikowy charakteryzuje się ustaloną wartością prędkości kątowej przy biegu jałowym oraz korzystniejszą niż silnik bocznikowy charakterystyką momentu. Charakterystyka mechaniczna silnika szeregowo - bocznikowego zależy od względnego udziału przepływu uzwojenia bocznikowego i szeregowego w przepływie wypadkowym wzbudzenia. W silniku szeregowo - bocznikowym istnieje również możliwość skierowania przepływu uzwojenia szeregowego przeciwnie niż przepływu uzwojenia bocznikowego. W takim przypadku, przy zwiększeniu obciążenia silnika, maleje przepływ wypadkowy wzbudzenia, maleje więc strumień magnetyczny, a więc powstaje naturalna możliwość stabilizowania prędkości kątowej. Ta metoda stabilizowania prędkości kątowej jest w silnikach szeregowo - bocznikowych często stosowana. Przy przeciwnych zwrotach przepływów uzwojenia bocznikowego i szeregowego maleje strumień magnetyczny, co powoduje zwiększenie prądu twornika w stosunku do wartości występującej przy takim samym obciążeniu, lecz przy zgodnych zwrotach obu przepływów.

Rysunek 3. Schemat połączenia silnika szeregowo - bocznikowego z uzwojeniem szeregowym zgodnym.

Aby zmienić zwrot przepływu uzwojenia szeregowego należy zmienić zwrot prądu. Strumień wypadkowy praktycznie nie zależy od tego czy zacisk E2 uzwojenia bocznikowego zostanie połączony z zaciskiem D2 , czy z zaciskiem D1. Sposób połączenia zacisków ma znaczenie jedynie w równaniu napięć obwodu twornika.

Rysunek 4. Schemat połączenia silnika szeregowo - bocznikowego z uzwojeniem szeregowym przeciwnym.

3. Charakterystyki porównawcze silnika bocznikowego i szeregowo - bocznikowego.

Rysunek 5. Charakterystyki mechaniczne.

1 - silnik bocznikowy

2 - silnik szeregowo - bocznikowy z dozwojeniem zgodnym

3 - silnik szeregowo - bocznikowy z dozwojeniem przeciwnym

Rysunek 6. Charakterystyki regulacji.

Rysunek 7. charakterysryki momentu rozruchowego

4.Regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego na przykładzie silnika bocznikowego:

Z zależności:

U = E + I R_a E = c_E  n

wynika, że prędkość obrotową silnika prądu stałego można określić wzorem:

Przy pewnej wartości prądu płynącego przez uzwojenie wirnika maszyny prędkość można regulować przez:

1. zmianę napięcia zasilania U,

2. zmianę rezystancji obwodu R_a,

3. zmianę strumienia magnetycznego .

W silniku bocznikowym regulacja prędkości przez zmianę napięcia sieci może mieć miejsce tylko w takim układzie, gdy obwód wzbudzenia jest zasilany z oddzielnego źródła napięcia w celu utrzymania stałego prądu wzbudzenia. Silnik wtedy pracuje właściwie jako obcowzbudny. Przedstawiając, prędkość obrotową w postaci sumy dwóch składników:

zauważyć można, że zmiana napięcia zasilającego wirnik silnika obcowzbudnego powoduje proporcjonalną zmianę prędkości stanu jałowego:

natomiast współczynnik nachylenia charakterystyki jest stały, gdyż nie zależy od napięcia. Zasilając zatem wirnik silnika regulowanym napięciem U otrzymamy rodzinę charakterystyk w postaci szeregu prostych równoległych.

Rysunek 8. Regulacja prędkości silnika obcowzbudnego przez zmianę napięcia U.

Przy stałym momencie (a więc stałym prądzie dla określonej wartości strumienia ) otrzymuje się dla U₁>U_n wzrost prędkości, a dla U<U_n prędkość mniejsza od znamionowej. Regulacja prędkości odbywać się więc może w szerokim zakresie zarówno w kierunku zwiększania, jak zmniejszania prędkości.

Tego typu regulacji dokonuje się niekiedy w układzie, w którym silnik jest zasilany przez specjalną prądnice o regulowanym napięciu, napędzaną przez silnik indukcyjny lub synchroniczny. Jest to tzw. układ Leonarda.

Jeżeli na wale silnika indukcyjnego znajduje się dodatkowe koło zamachowe, układ nosi nazwę Leonarda-Ilgnera. Obwody wzbudzenia silnika obcowzbudnego i prądnicy są zasilane z dodatkowej prądnicy bocznikowej osadzonej na wale silnika prądu przemiennego. Przez zmianę wartości i kierunku przepływu prądu wzbudzenia prądnicy (P) reguluje się napięcie w zakresie +U do -U, przez co otrzymuje się szeroki zakres regulacji prędkości ze zmianą kierunku prędkości (rysunek).

Rysunek 9. Charakterystyki mechaniczne silnika w układzie Leonarda.

Zakres charakterystyk I i III ćwiartce wykresu n=f(I) odpowiada pracy silnikowej. W zakresie II i IV ćwiartki silnik (S) staje się prądnicą oddającą energię elektryczną do prądnicy (P), gdzie energia ta zmienia formę na mechaniczną i jest przez wał oddawana do maszyny prądu przemiennego (M), a stąd w formie elektrycznej do sieci. Układ Leonarda jest obecnie bardzo rzadko stosowany po przez zastąpienie go różnego rodzaju układami przekształtnikowymi.

Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika jest drugim sposobem regulacji prędkości silnika bocznikowego. Jak wynika ze wzoru:

włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wirnika powoduje zmianę nachylenia charakterystyki mechanicznej przy stałej wartości prędkości stanu jałowego n₀.

Rysunek 10. Regulacja prędkości silnika bocznikowego przez włączenie w obwód wirnika dodatkowej rezystancji R_d.

Należy zwrócić szczególną uwagę, aby w celu zachowania stałości strumienia przy włączeniu rezystancji regulacyjnej obwód wzbudzenia był załączony do sieci o stałym napięciu. Jak wynika z powyższego rysunku, przez włączenie w obwód wirnika rezystancji regulacyjnej R_d uzyskuje się obniżenie prędkości. Nie można w ten sposób regulować prędkości w górę. Ten sposób regulacji jest poza tym nieekonomiczny, gdyż przy stałym momencie prędkość maleje i moc oddawana zmniejsza się, moc pobierana natomiast jest stała (gdyż prąd i napięcie są stałe), a zatem sprawność silnika wyraźnie się zmniejsza. Wynika to stąd, że znaczna część energii elektrycznej zamienia się na ciepło w rezystancji regulacyjnej. Z równania napięć:

U = E + I(R_a + R_d)

po pomnożeniu przez prąd otrzymujemy:

U I = E I + I² R_a + I² R_d

Moc pobierana z sieci U I jest więc równa sumie mocy wewnętrznej E I, zamienionej na formę mechaniczną oraz strat w wirniku i na dodatkowej rezystancji. Przy stałym prądzie I moc tracona w rezystancji Rd wynosi tyle, o ile zmniejszyła się moc wewnętrzna E I. Regulacja prędkości w silniku bocznikowym przez załączenie rezystancji ma też tę wadę, że przy niskich prędkościach charakterystyki są mocno nachylone, na skutek czego przy wahaniach momentu występują wahania prędkości. Mimo istniejących wad ten sposób regulacji prędkości jest ze względu na prostotę układu jest często stosowany, szczególnie w maszynach małej i średniej mocy.

Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę wartości strumienia odbywa się po przez włączenie dodatkowej rezystancji R_wd w obwód wzbudzenia. Jak wynika ze wzoru:

zmniejszenie strumienia przy określonej wartości prądu powoduje wzrost prędkości, przy czym zmienia się zarówno wartość prędkości stanu jałowego, jak nachylenie charakterystyki mechanicznej.

Rysunek 11. Regulacja prędkości silnika bocznikowego przez zmianę strumienia .

Jeśli pominie się oddziaływanie wirnika, charakterystyki mechaniczne dla wszystkich wartości strumienia są liniowe i mają wspólny punkt, którym jest prąd zwarcia I_Z (dla n = 0), gdy wartość prądu zwarcia silnika nie zależy od strumienia magnetycznego. Regulacja prędkości przez zmianę strumienia przy zachowaniu stałości prądu wirnika wymaga odpowiedniej zmiany momentu obciążenia. Jeżeli przy regulacji w górę moment obciążenia jest stały, wówczas prąd wirnika zwiększa się. Dla warunku M = Mn = const prędkość i prąd wyznaczają krzywą, określoną równaniem:

,

gdzie n_0N jest prędkością stanu jałowego na charakterystyce naturalnej. Prędkości i odpowiadające im prądy przy zachowaniu stałości momentu obciążenia oznaczono przez n'_m, n”_m, I'_m, I”_m.

W niektórych układach napędowych małych mocy stosuje się impulsową regulację prędkości silników polegającą na tym, że za pomocą specjalnego włącznika załącza się i wyłącza cały obwód wirnika, rezystancję włączoną w obwód rezystancję włączoną dodatkowo w obwód wirnika lub dodatkową rezystancję obwodu wzbudzenia.

Rysunek 12. Regulacja impulsowa prędkości obrotowej silnika bocznikowego:

a) z dodatkową rezystancją w obwodzie wirnika

b) z dodatkową rezystancją w obwodzie wzbudzenia

Zmianę średniej prędkości uzyskuje się przez odpowiednią korelację czasu załączania i wyłączania obwodu. Obecnie do regulacji prędkości silników prądu stałego coraz częściej stosuje się również różnego rodzaju układy przekształtnikowe.

8

---