background image

POLITECHNIKA GDAŃSKA 

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI 

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH 

 
 
 
 
 
 

LABORATORIUM 

M A S Z Y N Y   E L E K T R Y C Z N E  

 
 

ĆWICZENIE (SPS)

 

 

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO 

BADANIE CHARAKTERYSTYK 

SILNIKA OBCOWZBUDNEGO 

 

Materiały pomocnicze 
 
Kierunek Elektrotechnika  
Studia stacjonarne 1-szego stopnia 
semestr 3 

 
 

 

    Opracowali 

 

 

 

 

 

Mieczysław Ronkowski 

 

    Grzegorz 

Kostro 

 

 

 

 

 

Michał Michna 

 
 
 

 

 
 
 
 

Gdańsk 2011-2012

 

 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

background image

Silniki prądu stałego 

3

ĆWICZENIE (SPS) 
 
SILNIKI PRĄDU STAŁEGO 
BADANIE CHARAKTERYSTYK SILNIKA OBCOWZBUDNEGO 

Program ćwiczenia 

•  Pomiar rezystancji uzwojeń silnika. 
•  Pomiar charakterystyki magnesowania i wyznaczenie indukcyjności rotacji silnika. 
•  Pomiar charakterystyki elektromechanicznej i mechanicznej silnika. 
•  Badanie metod sterowanie prędkością obrotową silnika: 

metoda zmiany napięcia zasilania twornika, 

metoda zmiany prądu wzbudzenia, 

metoda zmiany rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika. 

 

1. TEORIA 

1.1. Budowa, działanie, model fizyczny i model obwodowy silnika 

 Silnik 

prądu stałego (SPS) jest przetwornikiem elektromechanicznym (rys. 1.1) o trzech wrotach 

(parach zacisków), które fizycznie reprezentują: dwa „wejścia elektryczne” – zaciski uzwojenia twornika „a” 
i zaciski uzwojenia wzbudzenia „f”; jedno „wyjście mechaniczne” „m” – koniec wału (sprzęgło). Moc 
elektryczna (dostarczana) P

a

 i moc  mechaniczna (odbierana) P

m

 ulegają przemianie elektromechanicznej za 

pośrednictwem pola magnetycznego (wzbudzanego prądem  I

f

). Energia pola magnetycznego jest energią 

wewnętrzną silnika, gdyż przetwornik nie ma możliwości wymiany tej energii z otoczeniem. 
 

T

m

rm

P

a

P

f

P

m

a

f

m

U

a

U

f

I

f

I

a

 

 

Rys. 1.1. Silnik prądu stałego – trójwrotowy przetwornik elektromechaniczny:  

wrota (zaciski) obwodu twornika „a” – dopływ energii elektrycznej przetwarzanej ma energię 

mechaniczną, wrota obwodu wzbudnika (wzbudzenia) „f” – dopływ energii pola wzbudzenia,  

wrota układu (obwodu) mechanicznego „m” – odpływ energii mechanicznej  

 
 Budowę i podstawowe elementy SPS przedstawiono na rys. 1.2. Silnik składa się z następujących 
elementów czynnych: wzbudnika/magneśnicy (uzwojenie wzbudzenia, bieguny główne, nabiegunniki, 
jarzmo); twornika (uzwojenie twornika, rdzeń twornika, komutator, szczotki); wału.  

Uwaga:  

Celem poprawy komutacji (eliminacja iskrzenia szczotek) w SPS stosuje się dodatkowo bieguny 
komutacyjne (pomocnicze) umieszczone między biegunami głównymi. Na biegunach 
komutacyjnych nawinięte jest uzwojenie połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. 

 

Celem eliminacji oddziaływania twornika w SPS dużej mocy stosuje się dodatkowo uzwojenie 
kompensacyjne – umieszczone w żłobkach nabiegunników biegunów głównych. 

 
 Układ elektromechaniczny na rys. 1.3 przedstawia schematycznie budowę elementarnego SPS wraz 
z ilustracją zasady jego działania. Podstawą działania silnika jest generacja pary sił Lorentza F

L

, które 

działają na przewody tworzące uzwojenie (cewkę)  a-a’  twornika, przez które płynie prąd  i

a-a’

Dwuwycinkowy komutator sprawia, że zwrot pary sił Lorentza nie zależy od położenia kątowego cewki a-a’ 
(porównaj rys. 1.3a i rys. 1.3b). W efekcie para sił Lorentza generuje jednokierunkowy moment 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

elektromagnetyczny  T

e

 – wartość  średnia użytecznego momentu dla pełnego obrotu wirnika jest różna od 

zera (

0

śr

e

T

). 

 

 

 

Rys. 1.2. Budowa i podstawowe elementy silnika prądu stałego [1] 

 

a) 

 

b) 

 

 

Rys. 1.3. Elementarny silnik prądu stałego: budowa i ilustracja zasady jego działania – generacja pary sił 

Lorentza F

L

 (momentu elektromagnetycznego) o niezmiennym zwrocie  

(zwrot niezależny od położenia kątowego 

γ

 cewki a-a’ twornika) 

 W 

rozwiązaniach praktycznych, celem eliminacji pulsacji momentu elektromagnetycznego, 

uzwojenie twornika SPS zbudowane jest z szeregu cewek. Boki tych cewek umieszczone są w żłobkach a 
początki i końce cewek połączone są odpowiednio z komutatorem wielowycinkowym. SPS o takiej budowie 
schematycznie przedstawiono na rys. 1.4a.  

background image

Silniki prądu stałego 

5

 

Wielocewkowe uzwojenie twornika SPS, odpowiednio połączone z wycinkami komutatora, 

wytwarza przepływ (magnetyczny) 

Θ

a

 nieruchomy

1

 względem przepływu wzbudzenia 

Θ

f

. W SPS 

przygotowanym prawidłowo do eksploatacji, przepływ 

Θ

a

 skierowany jest wzdłuż osi szczotek (oś 

oznaczona symbolem q) oraz prostopadle do osi wzbudzenia (oś oznaczona symbolem d), jak pokazano na 
rys. 1.4a. Takie wzajemne położenie przepływów twornika 

Θ

a

 i wzbudzenia 

Θ

f

 – nieruchomych względem 

siebie – sprawia, że podstawowe wielkości elektromechaniczne silnika można określić następującymi 
zależnościami: 

• 

moment elektromagnetyczny 

a

f

T

e

I

k

T

Φ

=

 

(1.1) 

• 

SEM rotacji 

rm

f

E

a

k

E

Ω

Φ

=

 

(1.2) 

gdzie,  

•  k

E

 oraz k

T

 – stała SEM rotacji i stała momentu elektromagnetycznego

2

;  

• 

Φ

f

 – strumień główny (wzbudzenia, magnesowania), przypadający na jeden biegun wzbudnika 

(podziałkę biegunową silnika);  

•  I

a

– prąd twornika; 

•   

Ω

rm

 – mechaniczna prędkość kątowa wirnika (silnika).  

 Relacja 

między prędkością kątową silnika 

Ω

rm

 – liczoną w [rad/s], a prędkością obrotową silnika n – 

liczoną w [obr/min] jest następująca: 

60

 

 

n

rm

π

Ω

=

 

(1.3) 

a)  

b) 

 

 
 

 

Rys. 1.4. Podstawowe modele silnika prądu stałego:  

a) model fizyczny – zjawisko generacji nieruchomego przepływu twornika 

Θ

a

 w osi q prostopadłej do osi 

pola wzbudnika (wzbudzenia) d 

b) model obwodowy – 1) obwód twornika, 2) obwód wzbudzenia, 3) obwód mechaniczny – analog 

elektryczny układu mechanicznego 

Uwaga: 
 Jeżeli w zależności (1.2) prędkość silnika wyrażona jest w [rad/s], to zachodzi równość 

współczynników 

k

E

 = k

T

 

. W przypadku wyrażenia prędkości silnika w [obr/min] 

60

/

2

π

 

T

E

k

k

=

.

 

 Wprowadzając koncepcję indukcyjności rotacji G

af

, zdefiniowanej następująco: 

                                                 

1

 Przepływ twornika 

Θ

a

 jest ruchomy (wiruje) względem uzwojenia, które go wytwarza, tzn. przepływ twornika 

wzbudza pole wirujące względem uzwojenia twornika. Komutator i szczotki sprawiają, że przepływ twornika 

Θ

a

 jest 

nieruchomy względem przepływu twornika wzbudzenia 

Θ

f

 . 

2

 Stałe k

E

 oraz k

T

 nazywane są często „stałymi konstrukcyjnymi” maszyny prądu stałego, gdyż ich wartości zależą od 

wymiarów rdzenia twornika (długości i średnicy) i parametrów uzwojenia twornika (liczby boków uzwojenia, par 
gałęzi równoległych i par biegunów). 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

f

f

E

def

af

I

k

G

Φ

 

 

=

 

(1.4) 

f

f

T

def

af

I

k

G

Φ

 

 

=

 

(1.5) 

zależności (1.1) i (1.2) można zapisać w postaci: 

rm

f

af

a

I

G

E

Ω

=

 

(1.6) 

a

f

af

e

I

I

G

T

=

 

(1.7) 

 

Opisanie twornika (wirnika) z uzwojeniem komutatorowym jako elementu, w którym prąd twornika 

wytwarza nieruchomy w przestrzeni przepływ 

Θ

a

 (strumień 

Φ

a

), pozwala odwzorować model fizyczny SPS 

(rys. 1.4a) w statycznych stanach pracy za pomocą modelu obwodowego na rys. 1.4b. Wielkości 
elektromechaniczne: SEM rotacji E

a

 i moment elektromagnetyczny T

e

 reprezentują sterowane źródła 

napięciowe

3

 oznaczone symbolem 

. Straty w obwodach elektrycznych odwzorowują rezystancje: R

a

 – 

twornika i R

f

 – wzbudzania, a straty w obwodzie mechanicznym współczynnik tarcia lepkiego B

m

 

Model obwodowy SPS na rys. 1.4b opisuje następujący układ równań algebraicznych: 

• 

równanie równowagi obwodu twornika 

a

a

a

a

E

I

R

U

+

=

 

(1.8) 

• 

równanie równowagi obwodu wzbudzenia 

f

f

f

I

R

U

=

 

(1.9) 

• 

równanie równowagi układu (obwodu) mechanicznego 

m

rm

m

e

T

B

T

+

=

Ω

 

(1.10) 

gdzie,  
U

a

U

f

 – napięcia zasilania obwodu twornika i wzbudzenia, 

I

a

I

f

 – prądy obwodu twornika i wzbudzenia, 

T

m

 – moment użyteczny (zewnętrzny) na wale silnika. 

 Zależności na moce poszczególnych wrót, dla założonego modelu SPS (rys. 1.4b), opisują 
następujące wzory: 

• 

moc doprowadzona do obwodu twornika silnika  

a

a

a

I

U

P

=

 

(1.11) 

• 

moc doprowadzona do obwodu wzbudzenia silnika  

f

f

f

I

U

P

=

 

(1.12) 

• 

moc odprowadzona z wału silnika – użyteczna moc mechaniczna silnika 

rm

m

m

T

P

Ω

=

 

(1.13) 

Uwaga: 
 

Moc znamionowa SPS P

n

 jest użyteczną mocą mechaniczną – mocą odprowadzoną z jego wału. 

 Moc 

wzbudzenia 

P

f

 stanowi (0,5 – 1,5)% mocy znamionowej P

n

 silnika. 

 

Energia wzbudzenia SPS nie ulega przetworzeniu na energię mechaniczną – zamienia się na energię 
cieplną wydzielaną w uzwojeniu (obwodzie) wzbudzenia. 

 

Dla SPS, zgodnie z przyjętymi założeniami upraszaczającymi do budowy jego modelu obwodowego, 

zachodzą następujące równość przetwarzanych mocy na drodze elektromechanicznej: 

• 

wewnętrzna moc elektryczna 

a

rm

f

af

a

a

e

I

I

G

I

E

P

)

(

Ω

=

=

 (1.14) 

• 

wewnętrzna moc mechaniczna 

rm

a

f

af

rm

e

m

I

I

G

T

P

Ω

Ω

)

(

=

=

 (1.15) 

zatem zachodzi równość 

                                                 

3

 W modelu obwodowym układu mechanicznego przyjęto analogie: napięcie – moment obrotowy, prąd – prędkość 

kątowa, rezystancja – współczynnik tarcia lepkiego. 

background image

Silniki prądu stałego 

7

m

e

P

P

=

 

(1.16) 

Stąd, SEM rotacji E

a

 można interpretować jak miarę mocy elektrycznej przetwarzanej na moc mechaniczną. 

Wartości mocy w zależnościach (1.14) i (1.15) można wyznaczyć następująco: 

2

a

a

a

a

a

e

I

R

P

P

P

P

=

=

Δ

 (1.17) 

2

rm

m

m

m

m

m

B

P

P

P

P

Ω

Δ

=

=

 (1.18) 

gdzie, 

a

P

Δ

 – straty w obwodzie twornika (uzwojenia obwodu twornika i zestyk ślizgowy), 

m

P

Δ

 – straty 

mechaniczne (tarcie i wentylacja).  

Znamionowe straty mechaniczne 

mn

P

Δ

oraz odwzorowujący je współczynnik tarcia lepkiego B

m

 można 

oszacować następująco: 

n

mn

P

P

100

)%

 

1

...

3

,

0

(

Δ

 

(1.19) 

2

mn

r

mn

m

P

B

Ω

Δ

 [Nm

⋅s/rad]  

(1.20) 

 Sprawność SPS, zgodnie z przyjętym modelem, opisują zależności: 

100

100

100

1

2

P

P

P

P

P

P

P

P

m

m

f

a

m

ΣΔ

η

+

=

+

=

=

 (1.21) 

gdzie, P

1

 – moc pobrana przez silnik, P

2

 – moc oddana przez silnik, 

m

P

ΣΔ

 – sumaryczne straty w silniku. 

1.2.  Schematy obwodów obcowzbudnego silnika prądu stałego 

 

Obcowzbudny silnik prądu stałego ma dwa niezależne obwody elektryczne, które zasilają dwa 

oddzielne  źródła napięcia stałego: obwód twornika i obwód wzbudzenia (rys. 1.5). Podstawowymi 
uzwojeniami silnika są: uzwojenie twornika (Al, A2) i uzwojenie wzbudzenia (F1, F2). Przy czym, litera A 
oznacza uzwojenie twornika, litera F – uzwojenie wzbudzenia, liczba „1” oznacza umowny początek 
uzwojenia, liczba „2” – umowny koniec uzwojenia.  
a) 

 

c) 

 

b) 

 

 
d) 

 

 

 

Rys. 1.5. Schematy obwodów obcowzbudnego silnika prądu stałego: 

a) układ podstawowy, b) silnik z uzwojeniem pomocniczym (komutacyjnym), b) silnik z uzwojeniem 

kompensacyjnym, d) uproszczony schemat obwodów silnika 

 

W celu zapewnienia poprawnej komutacji stosuje się uzwojenie pomocnicze/komutacyjne (Bl, B2), a 

w silnikach większej mocy do kompensacji oddziaływania twornika – uzwojenie kompensacyjne (Cl, C2). 
Przy czym, uzwojenia komutacyjne i kompensacyjne są łączone szeregowo z uzwojeniem twornika. 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

1.3. Charakterystyka magnesowania obcowzbudnego silnika prądu stałego 

 

Charakterystyka magnesowania silnika (rys. 1.6a) określona jest funkcją:  

)

(

0

0

f

a

a

I

E

E

=

 

(1.22) 

przy 

const

rm

=

Ω

 oraz I

a

 = 0 

a jej kształt odpowiada krzywej magnesowania 

)

(H

B

B

=

materiałów ferromagnetycznych użytych do 

budowy obwodu magnetycznego silnika, z uwzględnieniem szczeliny roboczej (powietrznej) silnika. W 
oparciu o równanie (1.6) i wyznaczoną pomiarowo charakterystykę magnesowania SPS wyznacza się 
wartości indukcyjności rotacji: 

rm

f

a

af

I

E

G

Ω

0

0

=

 

(1.21) 

Dla przykładu przedstawiono na rys. 1.5a charakterystykę magnesowania obcowzbudnego SPS produkcji 

firmy SIEMENS, którą wyznaczono w sposób przybliżony, korzystając z jego danych katalogowych. 

Dane katalogowe silnika są następujące: 

Wielkość

U

an

n

P

n

J

I

an

η

n

P

fn

U

fn

R

a

L

aa

mechaniczna

V

obr/min

kW

kgm

2

A

%

W

V

Ω

mH

225L

440

2300

38,0

0,65

94,0

90,4

650

310

0,15

2,3

 

 

Wartość znamionowa SEM rotacji silnika, zgodnie z równaniem (1.8), wynosi 

V

  

7

,

425

0

,

94

15

,

0

440

=

=

an

a

an

an

I

R

U

E

 

Wartość znamionowa prądu wzbudzenia, odpowiadająca wartości znamionowej SEM E

an

, wynosi 

A

  

096

,

2

310

650 ≅

=

=

fn

fn

fn

U

P

I

 

Wartość znamionowa indukcyjności rotacji silnika, zgodnie z równaniem (1.21), wynosi 

mH

 

34

,

843

86

,

240

096

,

2

7

,

425

=

=

rm

fn

an

afn

I

E

G

Ω

 

gdzie, wg wzoru (1.3), wartość znamionowej prędkości kątowej silnika wynosi 

rad/s

 

600

 

 

 

 

86

,

240

60

2

2

60

2

=

=

π

π

Ω

n

rmn

n

 

Założono wartość współczynnika nasycenia obwodu magnetycznego k

n

 

≅ 1,5,  a  następnie dobrano 

odpowiednią funkcję  

10

1217

,

0

)

004

,

0

arctan(

350

+

+

=

rmn

f

afn

rm

f

afn

a

I

G

I

G

E

Ω

Ω

 

aproksymującą charakterystykę magnesowania rozważanego silnika. Wykres tej funkcji, w zakresie wartości 
mniejszych i większych od znamionowego prądu wzbudzenia, przedstawiono na rys. 1.6a. Następnie, na 
rys. 1.6b przedstawiono wykres indukcyjności  G

af

 w funkcji I

f

, obliczając kolejne wartości  G

af

    wg 

zależności (1.21), tzn. wg wzoru  

)

/(

]

10

1217

,

0

)

004

,

0

arctan(

350

[

rmn

f

rmn

f

afn

rmn

f

afn

af

I

I

G

I

G

G

Ω

Ω

Ω

+

+

=

 

Wykresy na rys. 1.6 sporządzono za pomocą programu symulacji obwodów elektrycznych PSpice [11].  
 

background image

Silniki prądu stałego 

9

a) 

I(Rf)

0A

0.2A

0.4A

0.6A

0.8A

1.0A

1.2A

1.4A

1.6A

1.8A

2.0A

2.2A

2.4A

V(E_Ea0)

0V

200V

400V

600V

kn=2.0961/1.3922=1.51

(1.3922,340.811)

(2.0961,425.765)

Ea = Ea(If)

E_Ea0 100 0 VALUE={350*atan(0.004*Gaf*I(V_If)*Wrmn) + 1.217e-1*Gaf*I(V_If)*Wrmn+10}

E

a

 [V]

I

f

[A]

I

fn

E

a0n

b) 

 

Rys. 1.6. Przykładowe charakterystyki silnika prądu stałego: a) magnesowania, b) indukcyjności rotacji 

1.4. 

Równania charakterystyk elektromechanicznych i mechanicznych 
obcowzbudnego silnika prądu

 stałego 

 Definiuje 

się następujące charakterystyki ruchowe SPS dla stanu ustalonego:  

• 

charakterystyka elektromechaniczna 

)

a

rm

rm

I

Ω

Ω

=

 

(1.16) 

• 

charakterystyka mechaniczna 

)

e

rm

rm

T

Ω

Ω

=

 

(1.17) 

przy założeniu określonych warunków zasilania i obciążenia silnika. Charakterystyki te określają 
zachowanie silnika w stanach pracy ustalonej – nazywane są charakterystykami statycznymi silnika
 Przekształcając odpowiednio równania (1.5)–(1.9) uzyskujemy następujące zależności 
odwzorowujące charakterystyki ruchowe SPS:  

• 

elektromechaniczna 

a

f

af

a

f

af

a

rm

I

I

G

R

I

G

U

)

(

)

(

=

Ω

 (1.18) 

• 

mechaniczna 

e

f

af

a

f

af

a

rm

T

I

G

R

I

G

U

2

)

(

)

(

=

Ω

 (1.19) 

 

W oparciu o zależności (1.18) i (1.19) definiuje się następujące wielkości ruchowe SPS:  

• 

prędkość kątowa idealnego biegu jałowego  

)

(

0

f

af

a

i

rm

I

G

U

=

Ω

 

(1.20) 

przy I

a

 → 0 

oraz 

• 

prąd rozruchowy 

a

a

ar

R

U

I

=

 

(1.21) 

• 

moment rozruchowy 

a

a

f

af

er

R

U

I

G

T

)

(

=

 

(1.22) 

przy 

0

=

rm

Ω

 

Celem ograniczenia prądu rozruchowego obniża się napięcia zasilania twornika w stosunku do napięcia 
znamionowego (U

a

 < U

an

) lub włącza się dodatkową (rozruchową) rezystancję R

ad

, tak aby prąd rozruchowy 

spełniał nierówność: 

an

ar

I

I

2

  

(1.23) 

gdzie, I

an

 – prąd znamionowy twornika. 

Zatem 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

10 

• 

wartość napięcia rozruchowego  

an

a

ar

I

R

U

2

 

(1.24) 

• 

wartość rezystancji rozruchowej 

a

I

U

ad

R

R

an

an

2

 

(1.25) 

• 

wartość przybliżona rezystancji rozruchowej 

an

an

I

U

ad

R

2

 

(1.26) 

1.5. Kształtowanie charakterystyk elektromechanicznych i mechanicznych 

obcowzbudnego silnika prądu stałego 

 Z 

równań (l.18) i (l.19) wynikają następujące metody kształtowania charakterystyk 

elektromechanicznych i mechanicznych silnika: 

a) sterowanie przez zmianę wartości napięcia U

a

 zasilania obwodu twornika; 

b) sterowanie przez zmianę wartości prądu I

f

 (strumienia) wzbudzenia;  

c) sterowanie przez zmianę wartości rezystancji dodatkowej R

ad

 w obwodzie twornika. 

 Przykładowe charakterystyki przedstawiono na rys. 1.7. Są to charakterystykami idealizowane, gdyż 
wyznaczającą je zależność (l.19) sformułowano przy założeniach upraszczających: pominięto nasycenia 
obwodu magnetycznego oraz zjawisko oddziaływania twornika. Ich wykresy sporządzono za pomocą 
programu symulacji obwodów elektrycznych PSpice [11].  
 

a)

 

d) 

 

Sterowanie przez zmianę wartości napięcia U

a

 przy I

f

 = const, R

ad

 = 0 

b) 

 

e) 

 

Sterowanie przez zmianę wartości prądu I

f

 przy U

a

 = constR

ad

 = 0 

c) 

 

f) 

 

Sterowanie przez zmianę wartości rezystancji dodatkowej R

ad

 przy U

a

 = constI

f

 = const 

Rys. 1.7. Przykładowe charakterystyki (idealizowane) obcowzbudnego silnika prądu stałego i metody ich 

kształtowania:  

a), b) i c) elektromechaniczne 

d), e) i f) mechaniczne 

background image

Silniki prądu stałego 

11

2. BADANIA 

2.1. Oględziny zewnętrzne 

 Dokonujemy 

oględzin zewnętrznych badanego zespołu maszyn prądu stałego i urządzeń, 

wchodzących w skład  układu pomiarowego i zasilania. Dokładnie odczytujemy i notujemy w tab. 2.1 dane 
zawarte na tabliczkach znamionowych obu maszyn wchodzących w skład badanego zespołu.  
 

Tabela 2.1 

Dane znamionowe maszyn prądu stałego badanego zespołu 

Lp

Dane znamionowe silnika/prądnicy Jednostka 

Wartość 

silnik/prądnica 

1.  Nazwa i typ wyrobu 

 

 

2.  Moc znamionowa P

n

 kW 

 

 

3. Rodzaj 

pracy 

 

 

4. Napięcie twornika U

an

 V 

 

 

5. Prąd twornika I

an

 A 

 

 

6. Prędkość obrotowa nn obr/min 

 

 

 Rodzaj 

wzbudzenia 

 

 

7. Napięcie wzbudzenia U

fn

  

 

 

8. Prąd wzbudzenia I

fn

 A 

 

 

2.2.  Pomiary rezystancji uzwojeń 

 Przebieg pomiaru rezystancji uzwojeń. 

 

Zasady pomiaru rezystancji uzwojeń. 

 

 Pomiary wykonujemy metodą techniczną zarówno dla prądnicy jak i silnika. 

 

 Dobieramy odpowiednie zakresy mierników:  

 

amperomierzy - podstawą doboru są: prądy znamionowe w obwodzie twornika i wzbudzenia; 

 

woltomierzy - podstawą doboru są: spodziewane wartości spadku napięcia na rezystancji uzwojeniu 
twornika dla prądu znamionowego oraz wartość  napięcia znamionowego uzwojenia wzbudzenia. 

 

 Pomiar rezystancji uzwojenia wzbudzenia wykonujemy dla trzech wartości prądu. 

 

Wyniki pomiarów notujemy w tabeli 2.2a. 

 

 Pomiar rezystancji uzwojeń obwodu twornika wykonujemy dla minimum 5 wartości prądu, zmieniając 

jego wartość od 10% do minimum 50% I

an

 (lub w odwrotnej kolejności).  

 
Uwaga: 
 

Pomiary rezystancji uzwojeń obwodu twornika wykonujemy możliwie szybko, aby zminimalizować 
skutki nadmiernego nagrzania się (wypalania) zestyku szczotka – komutator. 

 
 

Wyniki pomiarów notujemy w tab. 2.2b. 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

12 

Tabela 2.2.a 

Pomiar rezystancji uzwojeń wzbudzenia 

Lp. Maszyna 

U

f

 

I

f

 Obliczenia: 

R

f

 

  

Ω 

1 prądnica  

 

 

2  

 

 

 

3  

 

 

 

  

 

 

Wartość średnia Rf = 

1 silnik   

 

 

2  

 

 

 

3  

 

 

 

  

 

 

Wartość średnia Rf = 

 

Tabela 2.2.b 

Pomiar rezystancji uzwojeń twornika 

Lp. Maszyna 

Ua 

Ia Obliczenia: 

Ra 

  

Ω 

 prądnica  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 silnik   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.  Charakterystyka magnesowania  

Charakterystyka magnesowania (rys. 2.1) przedstawia zależność: 
 SEM 

rotacji 

E

a0

 uzwojenia twornika od prądu wzbudzenia I

f

  

 przy 

stałej prędkości obrotowej (n = const

i nieobciążonym (otwartym) obwodzie twornika (I

a

 = 0, U

a0

 = E

a0

). 

I

f

 [A]

0

E

a0

   [V]

E

a0sz

E

a0n

 

I

fn

 

Uśredniona charakterystyka 

magnesowania 

 

Rys. 2.1. Charakterystyka magnesowania silnika prądu stałego 

background image

Silniki prądu stałego 

13

 Schemat 

układu do pomiaru charakterystyki magnesowania obcowzbudnego silnika prądu stałego 

przedstawiono na rys. 2.2. Każda z badanych maszyn może pełnić zarówno rolę prądnicy jak i silnika, 
zależnie od sposobu jej zasilania bądź obciążenia.  

 

Rys. 2.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki magnesowania obcowzbudnego silnika prądu stałego  

 

  Pomiar charakterystyki magnesowania 

 

W trakcie pomiarów, utrzymując stałą prędkość obrotową maszyny (n = const), zmieniamy prąd 

wzbudzenia I

f

 maszyny napędzanej i jednocześnie notujemy wartość napięcia U

a0

 na zaciskach obwodu 

twornika (obwód twornika jest nieobciążony – otwarty: I

a

 = 0, U

a0

 = E

a0

). 

 
Uwaga:
 
 Należy stopniowo zwiększać wartość prąd wzbudzenia I

f

 maszyny badanej, począwszy od wartości 0 do 

wartości I

fmax

  (nigdy nie należy zmniejszać wartości prądu wzbudzenia).  

 Następnie wartość prąd wzbudzenia I

f

 należy stopniowo zmniejszać, począwszy od wartości  I

fmax

 do 

wartości 0 (nigdy nie należy zwiększać wartości prądu wzbudzenia).  

Wyniki pomiarów notujemy w tab. 2.3. 

 

Tabela 2.3 

Pomiar charakterystyki magnesowania obcowzbudnego silnika prądu stałego 

I

f

 [A] ↑ 

 

  

 

  

 

 

U

a0

 / E

a0

 [V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

f

 [A] 

↓ 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

a0

 / E

a0

 [V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Uwaga:  
  Prąd wzbudzenia I

fmax

 odpowiada wartości przy której SEM E

a0

 osiąga wartość 1,1U

an

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

14 

 

Na podstawie charakterystyki magnesowania (wykreślonej na rys. 2.1) można ocenić materiały użyte 

do budowy maszyny (szerokość pętli histerezy), wartości magnetyzmu szczątkowego, oraz stopień nasycenia 
obwodu magnetycznego. 

 Wyznaczenie charakterystyki indukcyjności rotacji G

af 

 Aby 

określić wartość indukcyjności rotacji G

af

 korzystamy z pomierzonej charakterystyki 

magnesowania maszyny. W tym celu należy dodatkowo wykreślić  uśrednioną charakterystykę 
magnesowania E

a0śr

= E

a0śr

(I

f

) (patrz rys.2.1).  

 Wartości indukcyjność rotacji wyznaczamy ze wzoru: 

rm

f

śr

a

śr

af

I

E

G

Ω

0

0

=

 

 (2.1) 

gdzie, prędkość kątowa silnika (rad/s) wyznaczamy z zależności 

60

n

rm

π

Ω

=

 

 Należy sporządzić wykres charakterystyki indukcyjność rotacji w funkcji prądu I

f

 oraz wyznaczyć jej 

wartość G

af0n

 przy znamionowym prądzie wzbudzenia I

fn

2.4. Charakterystyki mechaniczne 

Charakterystyka mechaniczna naturalna obcowzbudnego silnika prądu stałego przedstawia zależność: 
 prędkości kątowej 

Ω

rm

 (obrotowej n) od mementu obrotowego T

m

 na wale silnika: 

)

m

rm

rm

T

Ω

Ω

=

           lub         

)

m

T

n

n

=

    

 przy 

napięciu zasilania twornika U

a

 = U

an

 = const 

 przy 

prądzie wzbudzenia I

f

 = I

fn

 = const 

 

przy braku rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika. 

A

AT 1F

+

-

F1

F2

G

A1

A2

V

I

fp

W3

P

A

R

r

I

ap

U

ap

W4

 

Rys. 2.3. Schemat układu do pomiaru charakterystyk mechanicznych obcowzbudnego silnika prądu stałego 

 

Z równania charakterystyki mechanicznej silnika (l.19) wynikają następujące metody jej 

kształtowania: 

a) sterowanie przez zmianę wartości napięcia U

a

 zasilania obwodu twornika; 

b) sterowanie przez zmianę wartości prądu I

f

 (strumienia 

Φ

f

) wzbudzenia;  

background image

Silniki prądu stałego 

15

c) sterowanie przez zmianę wartości rezystancji dodatkowej R

ad

 w obwodzie twornika. 

 Przykłady idealizowanych charakterystyk mechanicznych obcowzbudnego silnika prądu stałego 
podano na rys. 2.1. 
 Schemat 

układu do pomiaru charakterystyk mechanicznych obcowzbudnego silnika prądu stałego 

podano na rys. 2.3.

 

 

W pierwszym etapie przeprowadzamy rozruch silnika. Następnie, przy znamionowych wartościach 

napięcia zasilania obwodu twornika oraz prądu wzbudzenia silnika, wzbudzamy prądnicę (maszyna prądu 
stałego do obciążania badanego silnika) do osiągnięcia znamionowej wartości napięcia twornika. 
Obciążeniem na wale badanego silnika sterujemy poprzez zmianę nastawy rezystora w obwodzie twornika R

r

 

prądnicy. Wyniki pomiarów notujemy w tab. 2.4. 

Pomiar charakterystyki mechanicznej obcowzbudnego silnika prądu stałego 

Tabela 2.4a 

U

I

I

n T

U

ap 

I

ap 

V A A 

obr/min 

Nm V A 

const

 

const

 

 

 

 

 

 

U

an

 

I

fn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwaga: Pomiary powtórzyć dla przypadku: U

a

 = 0.75 U

an

 

Tabela 2.4b 

U

I

I

n T

U

ap 

I

ap 

V A A 

obr/min 

Nm V A 

const

 

const

 

 

 

 

 

 

0.75 U

an

 

I

fn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwaga: Pomiary powtórzyć dla przypadku: I

f

 = 0.75 I

fn

 

Tabela 2.4c 

U

I

I

n T

U

ap 

I

ap 

V A A 

obr/min 

Nm V A 

const

 

const

 

 

 

 

 

 

U

an

 

I

f

 = 0.75I

fn

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uwaga: Pomiary powtórzyć przy włączeniu dodatkowej rezystancji w obwodzie twornika silnika: R

ad

 

≠ 0 

background image

M. Ronkowski,

 

G. Kostro, M. Michna 

16 

Tabela 2.4d 

U

I

I

n T

U

ap 

I

ap 

R

ad 

V A A 

obr/min 

Nm V A 

Ω 

const

 

const

 

    

  

const 

U

an

 

I

fn

 

 

 

 

 

 

R

ad

 

≠ 0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• 

Wielkości obliczone: 

 

W przypadku braku miernika momentu (momentomierza) możemy wyznaczyć moc na wale silnika 

w sposób przybliżony: 

p

m

m

P

P

T

P

rm

2

1

=

Ω

 

(2.2) 

Wzór (2.2) jest słuszny przy następujących założeniach upraszczających: 

•  sprawności silnika i prądnicy są jednakowe 

p

s

η

η

=

 

•  moc oddana przez silnik P

2

 równa się mocy mechanicznej P

m

 pobranej przez prądnicę P

1p 

p

m

P

P

P

1

2

=

=

  

(2.3) 

•  moc elektryczna oddana P

2p

 przez prądnicę 

ap

I

U

P

ap

p

=

2

 

(2.4) 

2.5. Zadania 

1.  Wykreślić pomierzoną charakterystykę całkowitej rezystancji obwodu twornika R

a

 I

a

(I

a

) badanego 

silnika. 

2.  Sporządzić charakterystyki U

a0

 = E

a0

E

a0

(I

f

)  oraz  G

af0

 G

af0

(I

f

) badanego silnika.  

3.  Określić wartość znamionowej indukcyjność rotacji G

af0n

 badanego silnika. 

4.  Wykreślić pomierzone charakterystyki mechaniczne badanego silnika. 
5.  Na pomierzonych charakterystykach mechanicznych wykreślić współrzędne odpowiadające 

znamionowemu momentowi i znamionowej prędkości obrotowej badanego silnika. 

6.  Uzasadnić kształt pomierzonych charakterystyk. Porównać je z charakterystykami idealizowanymi. 

Należy posłużyć się odpowiednimi zależnościami (np. rów. (1.19)).  

7.  Wyznaczyć procentową zmianę prędkości obrotowej przy znamionowym obciążeniu w stosunku do 

prędkości biegu jałowego badanego silnika. 

8.  Obliczyć wg wzoru (1.17) wartość prędkości obrotowej dla badanego silnika w warunkach 

znamionowego zasilania. Porównać wyznaczoną wartość  z podaną na tabliczce znamionowej silnika. 
Wartości G

af

 oraz R

a

 wyznaczyć w oparciu o wyniki pomiarów (obliczeń).  

9.  Sporządzić bilans mocy i strat badanego silnika dla pracy w warunkach znamionowych. 
10. Porównać sprawność i koszty aparatury dla poszczególnych sposobów sterowania prędkości 

obrotowej badanego silnika. 

2.6. Pytania 

kontrolne 

•  Pytania ze znajomości teorii z zakresu tematyki ćwiczenia 

1.  Opisać maszynę prądu stałego jako trójwrotowy przetwornik  elektromechaniczny. Przedstawić 

kierunki przepływu mocy przy pracy prądnicowej i silnikowej. 

2.  Wymienić i nazwać podstawowe elementy maszyny prądu stałego i podać ich funkcje. 
3.  Jaka jest funkcja komutatora i szczotek w maszynie prądu stałego? 
4.  Opisać zasadę działania obcowzbudnego silnika prądu stałego w ujęciu ciągu logicznego przyczyna 

- skutek. 

background image

Silniki prądu stałego 

17

5.  Naszkicować elementarny model silnika prądu stałego. Wyjaśnić działanie (funkcję) komutatora i 

szczotek.  

6.  Naszkicować model fizyczny (podstawowy) obcowzbudnego silnika prądu stałego – układ dwóch 

przepływów/pól magnetycznych. Wykazać, że układ dwóch przepływów jest nieruchomy względem 
siebie – ich osie magnetyczne tworzą kąt prosty. Jakie są tego konsekwencje w aspekcie właściwości 
ruchowych silnika? 

7.  Narysować podstawowy model obwodowy obcowzbudnego silnika prądu stałego. Wyjaśnić jakie 

zjawiska fizyczne zachodzące w silniku odwzorowują poszczególne elementy modelu. Podać 
równania opisujące model obwodowy silnika. 

8.  Podać zależność i wykreślić idealizowaną charakterystykę elektromechaniczną i mechaniczną 

obcowzbudnego silnika prądu stałego. 

• 

Pytania z przygotowania praktycznego do ćwiczenia 

1.  Narysować symbol graficzny obcowzbudnego silnika prądu stałego i podać oznaczenie zacisków 

uzwojeń. 

2.  Podać sposoby połączeń uzwojeń dla podstawowych typów silnika prądu stałego. 
3.  Podać orientacyjne wartości procentowe dla obcowzbudnej maszyn prądu stałego: 

• spadku 

napięcia na rezystancji uzwojenia wzbudzenia i twornika, 

• prądu wzbudzenia (magnesującego) maszyny bocznikowej, 
• strat 

żelazie, w miedzi uzwojeń i mechanicznych, a także relacje między ich wartościami, 

• sprawności. 

4.  Podać zasady doboru zakresu mierników do pomiaru rezystancji uzwojeń obcowzbudnego silnika 

prądu stałego. 

5.  Dlaczego wartość rezystancji obwodu twornika silnika prądu stałego nie jest stała?  
6.  Podać zasady doboru zakresu mierników do pomiaru charakterystyk silnika prądu stałego. 
7.  Narysować układ pomiaru charakterystyki magnesowania maszyny prądu stałego. Podać zasady 

doboru zakresu mierników. 

8.  Podać metodę wyznaczania wartości indukcyjności rotacji w maszynie prądu stałego. 
9.  Narysować układ do pomiaru charakterystyki mechanicznej obcowzbudnego silnika prądu stałego. 

Podać zasady doboru zakresu mierników. 

10. Jak należy ustawić wartość prądu (dobrać opornik) w obwodzie wzbudzenia obcowzbudnego silnika 

prądu stałego przy rozruchu? 

11. Jak należy ustawić wartość napięcia zasilania obwodu twornika (ustawić wartość prądu twornika) 

obcowzbudnego silnika prądu stałego przy rozruchu? 

12. Wymienić podstawowe metody sterowania prędkości obrotowej obcowzbudnego silnika prądu 

stałego. Podać zależność i wykreślić odpowiednie charakterystyki. 

13. Wymienić podstawowe wady i zalety poszczególnych metod sterowania prędkością obrotową 

silników prądu stałego.  

2.7.  Literatura pomocnicza  

1.  Fitzgerald A.E, Kingsley Ch. (Jr.), Umans S. D.: Electric Machinery. New York: McGraw-Hill Book Comp. 

2003. 6th edition. 

2.  Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1974. 
3.  Latek W.: Teoria Maszyn Elektrycznych, WNT, Warszawa, 1987. wyd. 2. 
4.  Latek W.: Badania maszyn elektrycznych w przemyśle. WNT, W-wa 1979. 
5.  Manitius Z.: Maszyny prądu stałego. Skrypt. Wyd . Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977. 
6.  Manitius Z.: Maszyny Elektryczne. Cz.I. Skrypt. Wyd. Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977. 
7.  Matulewicz W.: Maszyny elektryczne. Podstawy. Wydawnictwo PG 2005. 
8.  Plamitzer A.: Maszyny elektryczne. Wyd. 7. WNT, W-wa 1992. 
9.  Praca zbiorowa (red. Manitius Z.): Laboratorium maszyn elektrycznych. Skrypt. Wyd.2. Wyd. Pol. Gdańskiej, 

Gdańsk 1990. 

10.  Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979. 
11.  Ronkowski M.: Maszyny elektryczne. Szkice do wykładów. PG 2011/2012. 

http://www.eia.pg.gda.pl/e-

mechatronika/

 

12.  Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych, Warszawa, 

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009. 

13. 

PN-IEC 34-1:1997

 

Maszyny elektryczne wirujące -- Ogólne wymagania i badania

http://www.pkn.pl/