1

OPISY WICZENIE 3

BADANIE MASZYN PR DU STAŁEGO

WPROWADZENIE

1. Zasada działania maszyn pr du stałego.

2. Pr dnice pr du stałego.

2.1. Pr dnice samowzbudne.

2.1.1. Pr dnica samowzbudna bocznikowa.

3. Silniki pr du stałego.

3.1. Rozruch silników pr du stałego.

3.2. Silnik bocznikowy.

WYKONANIE WICZENIA

4.1. Badanie silnika bocznikowego.

4.1.1. Wyznaczenie zale no ci pr dko ci obrotowej od pr du wzbudzenia.

4.1.2. Wyznaczenie zale no ci pr dko ci obrotowej od napi cia zasilania.

4.2. Wyznaczenie charakterystyki zewn trznej pr dnicy.

2

WPROWADZENIE

1. Zasada działania maszyn pr du stałego.

Ka da maszyna elektryczna jest w zasadzie odwracalna tzn. mo e

pracowa w zakresie pracy pr dnicowej – przetwarzaj c energi

mechaniczn na elektryczn , lub w zakresie pracy silnikowej –

przetwarzaj c energi elektryczn na mechaniczn .

Maszyna elektryczna składa si z dwóch podstawowych cz ci.

Cz

maszyny, w której powstaje pole magnetyczne, nosi nazw

magne nicy, natomiast ta cz

, w której wytwarza si siła

elektromotoryczna nosi nazw twornika. W maszynach pr du stałego

magne nic jest nieruchoma cz

maszyny – stojan, natomiast twornikiem

jest cz

wiruj ca – wirnik. Podstawowe cz ci maszyny przedstawione

s na schemacie (rys.1.)

Rys. 1 Podstawowe cz ci maszyny pr du stałego.

Stojan (magne nica) maszyny pr du stałego składa si z jarzma

stalowego lub eliwnego oraz biegunów, na których umocowane s cewki

wzbudzaj ce. Pr d magnesuj cy I

m

, przepływaj cy przez uzwojenia cewek

wzbudzaj cych, wytwarza strumie magnetyczny ø

m

, który zamyka si

przez rdzenie biegunów – jarzmo – szczeliny – powietrze – rdze wirnika

(twornika). Strumie ten dzieli si na dwa strumienie ø

m

/2 , przebiegaj ce

w dwóch równoległych obwodach magnetycznych.

3

Wirnik (twornik) składa si z osadzonego na wale maszyny rdzenia

w kształcie walca wykonanego z kr ków tzw. Blachy twornikowej. Na

zewn trznym obwodzie rdzenia wirnika wyci te s łobki, równolegle do

osi wirnika, w których umieszczone jest uzwojenie wykonane z

miedzianych przewodów izolowanych.

Przy wirowaniu wirnika w polu magnetycznym zachodz w

maszynie pr du stałego dwa podstawowe zjawiska:

1. w przewodach twornika indukuje si siła elektromotoryczna (SEM) o

warto ci okre lonej wzorem:

E = k ø n

gdzie: ø – strumie magnetyczny

n - pr dko obrotowa

k – współczynnik ujmuj cy stałe wielko ci zale ne od

konstrukcji maszyny (ilo par biegunów, wymiary uzwojenia

twornika)

Kierunek tej SEM mo na okre li posługuj c si reguł prawej r ki.

2. przy przepływie pr du w przewodach twornika działa na nie siła

mechaniczna o warto ci okre lonej wzorem:

F = B I l

gdzie: B – indukcja magnetyczna

I – nat enie pr du w przewodach twornika

l – długo przewodu

Kierunek tej siły mechanicznej mo na okre li posługuj c si reguł

lewej r ki.

Siły mechaniczne działaj ce na przewody wirnika powoduj

powstanie momentu elektromagnetycznego, który przy pracy pr dnicowej

jest skierowany przeciwnie do kierunku wirowania. Dla pokonania tego

mementu trzeba do wału pr dnicy dostarczy energii mechanicznej od

silnika nap dowego, która w pr dnicy jest zamieniona na energi

elektryczn .

Przy pracy silnikowej natomiast, moment elektromagnetyczny ma

kierunek zgodny z kierunkiem wirowania, jest wi c momentem

nap dowym, pod wpływem którego energia elektryczna jest zmieniona na

energi mechaniczn , dostarczan przez silnik nap dzanej maszyny

roboczej.

4

Przy wirowaniu twornika w nieruchomym polu magnetycznym

indukowana SEM jest funkcj poło enia przewodu. W ka dym przewodzie

uzwojenia twornika indukuje si wi c SEM przemienna o przebiegu

zbli onym do trapezoidalnego i o cz stotliwo ci zale nej od pr dko ci

wirowania twornika.

W celu przetworzenia SEM przemiennej indukowanej w przewodach

wirnika na SEM jednokierunkow , stasuje si urz dzenie zwane

komutatorem. Dla pojedynczej cewki jednozwojowej, zło onej z dwóch

boków rozmieszczonych rednicowo w łobkach twornika, najprostszy

komutator składa si z dwóch wycinków, stanowi cych dwa półpier cienie

odizolowane od siebie (rys.2)

Ryz.2 Zasada działania komutatora. a) widok z przodu,

b) widok perspektywistyczny

Do komutatora przylegaj szczotki, oznaczone literami A i B,

których zadaniem jest poł czenie elektryczne wiruj cego uzwojenia z

nieruchomym obwodem zewn trznym. Dla zapewnienia dobrego styku o

du ej powierzchni, szczotki wykonane s z mi kkiego w gla

elektrotechnicznego, który łatwo dociera si do powierzni komutatora, nie

niszcz c przy tym tej powierzchni.

Prosty układ twornika z jedn cewk i dwoma wycinkami

komutatora daje du e pulsacje pr du i z tego powodu nie jest w praktyce

stosowany. Dla otrzymania pr du o bardziej wygładzonym przebiegu

5

stasuje si uzwojenia tworników o du ej liczbie cewek rozmieszczonych w

licznych łobkach na obwodzie twornika, poł czonych z komutatorem o

du ej liczbie wycinków, rz du kilkudziesi ciu. Uzwojenia takie daj pr d o

niewielkich pulsacjach, zbli ony do pr du otrzymanego ze ródł

galwanicznych.

3. Pr dnica pr du stałego.

W zale no ci od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzenia rozró nia

si nast puj ce rodzaje pr du stałego:

- obcowzbudne

- samowzbudne bocznikowe

- samowzbudne szeregowe

- samowzbudne szeregowo – bocznikowe

Pr dnice obcowzbudne potrzebuj odr bnego ródła pr du stałego do

ich wzbudzenia. W pr dnicach samowzbudnych uzwojenie wzbudzenia

zasilane jest pr dem pr dnicy. Jak wcze nij wspomniano SEM

indukowana w uzwojeniu twornika pr dnicy jest proporcjonalna do

strumienia magnetycznego ø i pr dko ci obrotowej n. Mo na wi c zmieni

SEM reguluj c jedn z tych dwóch wielko ci.

Je eli twornik pr dnicy b dzie nap dzany ze stał pr dko ci

obrotow (n = const) to SEM mo na zmienia reguluj c wzbudzenie (pr d

magnesuj cy I

m

).

W stanie nieobci onym pr dnicy pracuj cej (bieg jałowy)

zale no SEM (E

0

) od pr du magnesuj cego przy n = const nosi nazw

charakterystyki biegu jałowego E = f (I

m

) (rys.3).

Rys. 3 Charakterystyka biegu jałowego pr dnicy pr du stałego

Na podstawie przebiegu takiej charakterystyki mo na wyci gn szereg

wniosków odno nie charakterystycznych wła ciwo ci pr dnicy. Mo na

wi c okre li zakres zmienno ci pr du I

m

i odpowiadaj ce mu warto ci E

0

6

oraz warto ci wzbudzenia, przy którym w obwodzie magnetycznym

zaczyna wyst powa nasycenie. Znamionowy punkt pracy le y na krzywej

w pobli u zagi cia charakterystyki. Po przekroczeniu znamionowej

warto ci pr du wzbudzenia SEM zwi ksza si tylko nieznacznie przy

bardzo nawet du ym zwi kszeniu wzbudzenia.

2.1. Pr dnice samowzbudne.

W tych pr dnicach obwód magnesuj cy jest przył czony do obwodu

twornika.

W rdzeniu biegunów pr dnicy niepracuj cej istnieje zazwyczaj

strumie szcz tkowy ø

sz

po poprzednich stanach magnesowania,

indukuj cy w uzwojeniu twornika wiruj cego z pr dko ci n niewielk sił

elektromotoryczn .

Wzbudzenie si pr dnicy samowzbudnej polega na tym, e ta

niewielka szcz tkowa SEM wytwarza pocz tkowo niewielki pr d

magnesuj cy I

m

, który płyn c przez uzwojenie wzbudzenia powi ksza

strumie magnetyczny. Zwi kszony strumie magnetyczny indukuje

wi ksz sił elektromotoryczn , a ta z kolei powi ksza pr d magnesuj cy

itd.

WARUNKI SAMOWZBUDZENIA.

Aby pr dnica si wzbudziła, musz by spełnione nast puj ce

warunki:

W obwodzie magnetycznym pr dnicy musi istnie magnetyzm

szcz tkowy. Nowo wyprodukowan maszyn trzeba wst pnie

namagnesowa , zasilaj c jej wzbudzenie z obcego ródła. Je eli

obwód magnetyczny zostanie rozmagnesowany to tak e trzeba go

namagnesowa z obcego ródła.

Uzwojenie wzbudzenia musi by poł czone z twornikiem maszyny

w ten sposób, aby pr d magnesuj cy I

m

wytwarzał strumie

magnetyczny o kierunku zgodnym z kierunkiem strumienia

szcz tkowego.

Aby pr dnica wzbudziła si opór obwodu magnesuj cego musi mie

warto mniejsz od warto ci krytycznej.

Aby pr dnica samowzbudna si wzbudziła wszystkie trzy wymienione

wy ej warunki samowzbudzenia musz by spełnione równocze nie.

7

2.1.1. Pr dnica samowzbudna bocznikowa.

Jest najcz ciej stosowanym rodzajem pr dnicy pr du stałego.

Uzwojenie wzbudzenia tej pr dnicy jest przył czone do twornika,

równolegle do obwodu obci enia (rys. 4 ).

Rys. 4 Schemat poł cze pr dnicy bocznikowej

Wytworzony w tworniku pr d I

t

rozdziela si na zaciskach pr dnicy

na dwa pr dy: pr d wzbudzenia I

m

i pr d obci enia I, a zatem:

I

t

= I + I

m

Napi cie na zaciskach pr dnicy równa si sile elektromotorycznej E

zmniejszonej o spadek napi cia na oporze wewn trznym:

U = E – R

tc

I

t

gdzie: R

ct

jest rezystancj całkowit obwodu twornika.

Charakterystyk zewn trzn U = f (I) pr dnicy bocznikowej

wyznacza si przy stałej warto ci oporu regulacyjnego R

reg

= const i przy

stałej pr dko ci obrotowej n = const. Napi cie na zaciskach pr dnicy

Malaje ze wzrostem pr du obci enia wskutek spadku napi cia I

t

· R

tc

.

Wskutek zmniejszenia si napi cia na szczotkach maleje równie pr d

wzbudzenia I

m

pobierany z pr dnicy. Powoduje to dodatkowe zmniejszenie

strumienia i SEM. Je eli obci enie maszyny samowzbudnej zwi ksza

powy ej pr du znamionowego, to dochodzi do stanu, w którym napi cie

pr dnicy maleje tak znacznie, e dalsze zmniejszanie rezystancji opornika

obci aj cego nie powoduje ju wzrostu pr du – nast puje

charakterystyczne dla pr dnicy bocznikowej zagi cie charakterystyki

zewn trznej a przy zwarciu maszyny krzywa ta przecina o odci tych w

punkcie odpowiadaj cym pr dowi zwarcia.

8

3. Silniki pr du stałego.

Maszyna pr du stałego pracuje w zakresie pracy silnikowej, je eli

zarówno jej twornik jak i wzbudzenie zasilimy z zewn trz np. z sieci.

Stojan (magne nica) wytwarza wówczas pole magnetyczne o indukcji B.

Na przewody twornika, przez które przepływa pr d I, znajduj ce si w

polu o indukcji B działa siła mechaniczna okre lona wzorem:

F = B I l

Pod wpływem wszystkich sił F działaj cych na przewody wirnika,

powstaje moment obrotowy M, powoduj cy obracanie si wirnika z

pr dko ci obrotow n w kierunku działania tego momentu:

M = r F

gdzie: r jest promieniem wirnika

Przy pracy silnikowej do nieruchomego twornika jest doprowadzone

napi cie U, wobec czego przez uzwojenie twornika płynie pr d:

I

t

= U / R

tc

który działaj c na pole magnetyczne biegunów wytworzy moment

obrotowy. Dzi ki temu wirnik zacznie si obraca a w jego uzwojeniu

powstaje SEM wg równania:

E = k ø n

(współczynnik k ujmuje wszystkie stałe wielko ci zale ne od konstrukcji

maszyny).

Ta SEM wzrasta ze wzrostem pr dko ci obrotowej i

przeciwdziała napi ciu przyło onemu do zacisków twornika. Poniewa

spadek napi cia w uzwojeniu R

t

I

tc

równie przeciwdziała napi ciu, wi c

dla silnika obowi zuje zale no :

U = E + R

ct

I

t

Uwzgl dniaj c dwa ostatnie wzory mo emy okre li czynniki wpływaj ce

na pr dko obrotow silnika:

n = (U-R

ct

I

t

)/(k ø)

Ten ostatni wzór wyra a podstawow zale no pr dko ci obrotowej

silników pr du stałego od napi cia, strumienia magnetycznego i obci enia

silnika okre lonego pr dem twornika.

3.1. Rozruch silników pr du stałego.

W chwili wł czenia silnika do sieci wirnik jest nieruchomy, n=0,

E=0 wobec tego twornik pobiera pr d zwarcia I

tz

U = E + R

tc

I

t

I

tz

= U/R

tc

9

Poniewa opór R

tc

jest bardzo mały, wi c I

tz

jest bardzo du y,

przeci tnie ok.20 razy wi kszy od pr du znamionowego. Tak wielki

pr d zwarcia, przy bezpo rednim wł czeniu nieruchomego twornika bez

adnych dodatkowych oporów na pełne napi cie sieci mógłby

spowodowa uszkodzenie uzwojenia twornika, komutatora i szczotek

oraz zakłócenia w sieci zasilaj cej. Aby tego unikn wł cza si w

obwód twornika przy rozruchu dodatkowe opory rozruchowe Rd,

których warto dobiera si tak, aby pr d rozruchowy Ir nie przekroczył

2-krotnej warto ci pr du znamionowego silnika

I

r

= U / (R

tc

+ R

d

) 2 I

n

z chwil , gdy wirnik zaczyna si obraca , powstaje w nim SEM E i

pr d rozruchowy zaczyna si zmniejsza wg równania:

I

r

= (U – E) / (R

tc

+ R

d

)

Opornik rozruchowy, wł czony szeregowo z wornikiem silnika, zwany

krótko

rozrusznikiem ma zwykle kilka stopni rozruchowych (rys. 5).

Rys. 5 Obwód wirnika silnika pr du stałego z wł czonym opornikiem

rozruchowym

3.2. Silnik bocznikowy.

Najszersze, praktyczne zastosowanie ma silnik bocznikowy, w

którym uzwojenie wzbudzenia (biegunów głównych) jest przył czone

do sieci równolegle do obwodu twornika (rys.6).

10

Rys. 6 Schemat poł cze silnika bocznikowego

Pr d I pobierany z sieci o napi ciu U jest sum pr du twornika I

t

i pr du

wzbudzenia I

m

I = I

t

+ I

m

W obwodzie wzbudzenia zaznaczony jest opornik regulacyjny R

reg

do

regulacji pr du wzbudzenia (strumienia ø

m

). Jednak zazwyczaj silniki te

pracuj przy stałym wzbudzeniu I

m

= const.

WYKONANIE WICZENIA

4.1. Badanie silnika bocznikowego.

Celem badania silnika bocznikowego jest poznanie wła ciwo ci

ruchowych silnika oraz zdj cie jego wa niejszych charakterystyk. Nale y

wyznaczy charakterystyki zale no ci pr dko ci obrotowej od pr du

wzbudzenia n = f (I

m

), oraz zale no ci pr dko ci obrotowej od napi cia

zasilania n = f (U).

4.1.1. Wyznaczenie zale no ci pr dko ci obrotowej od pr du

wzbudzenia n = f (I

m

).

Zale no pr dko ci obrotowej od pr du wzbudzenia wyznaczamy

dla silnika przy biegu jałowym. Układ poł cze do wyznaczania

charakterystyki n = f (I

m

) przedstawiony jest na rys. 7.

11

Rys. 7 Schemat poł cze przy badaniu silnika bocznikowego

Przy biegu jałowym na silnik działa jedynie niewielki moment strat

wi c pr d twornika I

t

jest niewielki i znacznie mniejszy od pr du

znamionowego; spadek napi cia na tworniku R

tc

I

t

mo na pomin .

Zakładaj c dalej, e strumie jest proporcjonalny do pr du wzbudzenia,

podstawow zale no n = (U-R

tc

I

t

) / (k ø) mo emy sprowadzi do wzoru:

n = U / (k I

m

)

co wskazuje na hiperboliczny charakter zale no ci.

Zale no pr dko ci obrotowej silnika bocznikowego od pr du

wzbudzenia wyznaczamy dla U = const i I

t

= const.

Po uruchomieniu nieobci onego silnika, napi cie zasilania

nastawiamy na warto 9V. Nast pnie zmniejszamy pr d wzbudzenia w

zakresie od I

m

max (gdy opornik reguluj cy jest zwarty) poprzez

zwi kszenie rezystancji w obwodzie wzbudzenia. Dla ka dej warto ci I

m

wykonujemy pomiar pr dko ci obrotowej silnika.

W oparciu o wykonane pomiary nale y wykre li charakterystyk n

= f (I

m

) dla biegu jałowego. Narysowa tak e przybli ony wykres dla

silnika obci onego i wyja ni ró nic w ich przebiegu.

12

4.1.2. Wyznaczanie zale no ci pr dko ci obrotowej silnika

bocznikowego od napi cia zasilania n = f (U).

Zale no pr dko ci obrotowej od napi cia wyznaczamy dla silnika

przy biegu jałowym przy: I

m

= const i I

t

= const. Układ poł cze do

wyznaczania zale no ci n = f (U) przedstawiono na rys.7.

Ze wzgl du na mały pr d pobierany przy biegu jałowym mo na

pomin wpływ oddziaływania twornika oraz spadek napi cia R

tc

I

t

.

st d: n = U / (k ø) = k

1

U

gdy w tych warunkach strumie nie ulega zmianie. Pr dko obrotowa

jest wi c proporcjonalna do napi cia.

Przy pomiarze charakterystyki napi cie na tworniku nale y zmienia

od 6V do napi cia znamionowego. Przedtem jednak nale y dobra taki

pr d wzbudzenia I

m

, aby przy znamionowym napi ciu U = U

N

pr dko

obrotowa była równa znamionowej. Dla ka dej warto ci napi cia

wykonujemy pomiar pr dko ci obrotowej silnika.

W oparciu o wykonane pomiary nale y wykre li charakterystyk n = f(U)

dla biegu jałowego. Narysowa tak e przybli ony wykres dla silnika

obci onego i wyja ni ró nice w ich przebiegu.

4.2. Badanie pr dnicy samowzbudnej bocznikowej.

W tej cz ci wiczenia nale y zapozna si z czynno ciami

zwi zanymi z uruchomieniem pr dnicy bocznikowej pr du stałego a

ponadto zbada jej zachowanie si przy zmianach obci enia.

Jak wcze niej było podane, warunkiem samowzbudzenia pr dnicy

jest istnienie magnetyzmu szcz tkowego i odpowiedni kierunek wirowania

twornika. Je li z jakiego powodu pr dnica zastanie rozmagnesowana i

nast pi zanik magnetyzmu szcz tkowego nale y przy pomocy obcego

ródła pr du ponownie j namagnesowa . W tym celu do izolowanego

zacisku wzbudzenia (nr 67) i masy pr dnicy (nr 31) nale y na chwil

przył czy ródło napi cia stałego (np. akumulator) wg schematu rys. 8

13

Rys. 8 Sposób podł czenia ródła napi cia przy magnesowaniu pr dnic

Pr dnic stosowana w wiczeniu jest mechanicznie sprz gni ta z

silnikiem nap dzaj cym, którym jest silnik bocznikowy pr du stałego.

Poł czenie mechaniczne wykonane jest w postaci sprz gła ciernego.

4.2.1. Wyznaczanie charakterystyki zewn trznej pr dnicy.

Charakterystyka zewn trzna przedstawia zale no napi cia na

zaciskach pr dnicy od pr du pobieranego z pr dnicy (przy stałej pr dko ci

obrotowej – równej znamionowej):

U = f (I)

przy n = const oraz przy stałej rezystancji wzbudzenia: r

m

=const. Analiza

tej charakterystyki przedstawiona została we wst pie niniejszego

opracowania.

Układ poł cze do wyznaczenia charakterystyki zewn trznej pr dnicy

przedstawiony jest na rys. 9.

14

Rys. 9 Schemat przy badaniu pr dnicy samowzbudnej bocznikowej

Pomiary rozpoczyna si od uruchomienia pr dnicy na biegu jałowym i

nadaniu wirnikowi pr dko ci znamionowej. Pr dnic nap dza si silnikiem

bocznikowym pr du stałego.

Utrzymuj c stał warto pr dko ci obrotowej oraz niezmienn

rezystancj w obwodzie wzbudzenia obci a si pr dnic wł czaj c

kolejne arówki o mocy 40W.

Nale y zapisywa pr I oddawany przez maszyn , napi cie na jej

zaciskach, pr d wzbudzenia oraz pr dko obrotow . Zrobi wykres U = f

(I) o omówi jego przebieg.