background image

 

POLITECHNIKA GDAŃSKA 

Wydział Elektrotechniki i Automatyki 

Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych 

 
 
 
 
 

MATERIAŁY POMOCNICZE DO LABORATRIUM 

 

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

 

PODSTAWY DYNAMIKI MASZYN ELEKTRYCZNYCH 

 

Kier. Elektrotechnika, studia mgr, sem. V 

 

TEMATYKA ĆWICZENIA 

 

BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

WSPOMAGANE SYMULATOREM OBWODÓW PSPICE 

(wersja 2) 

 
 
 
 
 
 

Mieczysław RONKOWSKI 

 

 
 
 
 
 
 
 

GDAŃSK 2002

background image
background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

ĆWICZENIE  

 

BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

WSPOMAGANE SYMULATOREM OBWODÓW PSPICE 

 
Program ćwiczenia 

1. CEL 

ĆWICZENIA ........................................................................................................................................1 

2. MASZYNA 

PRĄDU STAŁEGO JAKO WZORCOWE SPRZĘŻENIE ELEKTROMECHANICZNE ..............1 

3.  DYNAMICZNY MODEL OBWODOWY WZORCOWEGO SPRZĘŻENIA ELEKTROMECHANICZNEGO.3 
4.  ZASTOSOWANIE PROGRAMU SYMULACYJNEGO PSPICE DO BADANIA WŁAŚCIWOŚCI 
DYNAMICZNYCH SILNIKA PRĄDU STAŁEGO.................................................................................................9 
5. PYTANIA 

(TEORIA/SYMULACJA)............................................................................................................16 

6. ZADANIE ...................................................................................................................................................17 
7. SPRAWOZDANIE .....................................................................................................................................17 
8. LITERATURA ............................................................................................................................................18 
9. ZAŁĄCZNIK...............................................................................................................................................18 

9.1. Wyznaczanie 

wartości parametrów modelu liniowego na podstawie danych katalogowych .............19 

9.2. Wyznaczanie 

wartości parametrów modelu nieliniowego na podstawie danych doświadczalnych ...20 

9.3. PYTANIA 

(POMIARY) ........................................................................................................................26 

 

1. CEL 

ĆWICZENIA 

Celem ćwiczenia jest:  

• 

zapoznanie się z dynamicznym modelem obwodowym maszyny prądu stałego — wzorcowego 
sprzężenia elektromechanicznego; 

• 

opanowanie zastosowania programu symulacyjnego PSPICE do badania właściwości dynamicznych 
silnika prądu stałego; 

• 

wykonanie badań symulacyjnych typowych stanów pracy dynamicznej silnika prądu stałego o 
zadanych wartościach parametrów modelu oraz wymuszeniach elektrycznych i mechanicznych; 

• 

porównanie wyników badań symulacyjnych z wynikami badań eksperymentalnych.  

2. MASZYNA 

PRĄDU STAŁEGO JAKO WZORCOWE SPRZĘŻENIE 

ELEKTROMECHANICZNE 
Schemat układu elektromechanicznego na rys. 1 przedstawia podstawowy model fizyczny maszyny 

prądu stałego wraz z ilustracją zasady jej działania — generacji momentu elektromagnetycznego. Na 
podstawowy model fizyczny maszyny prądu stałego składają się następujące elementy czynne: magneśnica 
(uzwojenie wzbudzenia, bieguny główne, nabiegunniki, jarzmo); twornik (uzwojenie twornika, rdzeń 
twornika, komutator, szczotki, wał).  

 

Uwaga: W rzeczywistej maszynie prądu stałego stosuje się dodatkowo: a) bieguny komutacyjne wraz z 

uzwojeniem (uzwojenie połączone szeregowo z uzwojeniem twornika) — umieszczone między 
biegunami głównymi — celem poprawy komutacji (eliminacja iskrzenia szczotek); c) uzwojenie 
kompensacyjne — umieszczone w żłóbkach nabiegunników biegunów głównych — celem 
eliminacji oddziaływania twornika. 
 
Przyjęte na rys. 1 symbole a,  f oznaczają umowne początki uzwojeń odpowiednio twornika i 

wzbudzenia, a litery a',  f'  — umowne końce tych uzwojeń. Płynące prądy w uzwojeniach maszyny 
wytwarzają pola magnetyczne (przepływy, siły magnetomotoryczne -SMM), których osie są skierowane 
zgodnie z osiami (magnetycznymi) tych uzwojeń: np. oś  d  dla uzwojenia wzbudzenia f - f’; oś  q  dla 
uzwojenia twornika a - a’. Dla rozpatrywanej maszyny układ osi magnetycznych d  oraz  q jej uzwojeń 
stanowi układ współrzędnych naturalnych. 

Maszyna prądu stałego będzie rozpatrywana jako układ elektromechaniczny w którym moce: 

elektryczna (dostarczana) i mechaniczna (odbierana), ulegają przemianie za pośrednictwem pola 
magnetycznego. Zatem podstawowym stanem pracy jest stan silnikowy. Moc pola magnetycznego jest mocą 
wewnętrzną maszyny, gdyż układ nie ma możliwości wymiany tej mocy z otoczeniem. Pole magnetyczne 

background image

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

wyraża się zależnościami strumieniowo-prądowymi. Stąd stan maszyny będzie opisany układem równań 
napięciowo-prądowych dla strony elektrycznej i momentowo-prędkościowych dla strony mechanicznej.  

Maszyna na rys. 1 może być przedstawiona jako wielowrotnik elektromechaniczny o trzech parach 

zacisków (wrotach), które stanowią: dwa „wejścia elektryczne” — zaciski kolejnych uzwojeń i jedno 
„wyjście mechaniczne” — koniec wału (sprzęgło). Dynamika (ruch) maszyny jest określona dwoma 
parametrami mocy na każdej parze zacisków. Jej formalnym opisem będzie układ równań różniczkowych 
zwyczajnych nieliniowych przy trzech zadanych wymuszeniach. Układ ten opisuje, m.in., związki między 
napięciami, prądami i strumieniami magnetycznymi maszyny.  
 

a'

a

F

a

T

e

F

f

ω

r

_

+

γ

i

a-a'

oś uzwojenia wzbudzenia

oś cewki a-a'

a'

a

u

a

F

a

T

e

F

f

ω

r

_

+

i

a-a'

f

a)

b)

i

a

+

_

u

a

F

a

T

e

F

f

i

f

ω

r

_

+

d - oś uzwojenia wzbudzenia

q - oś szczotek

F

f

F

a

γ

π

=

2

T

e

Zasada generacji momentu elektromagnetycznego

c)

d)

γ

 = const

T

e

|F

||F

|

φ

f

φ

a

u

a

oś uzwojenia wzbudzenia

oś cewki a-a'

u

f

i

f

f

f'

u

f

i

f

f'

i

a

i

a

+

+

a

a'

u

f

f

f'

 

Rys. 1. Podstawowy model fizyczny maszyny prądu stałego z ilustracją zasady jej działania —generacji 

momentu elektromagnetycznego:  

a) oraz b) model elementarnego elektromechanicznego regulatora położenia pola wirnika — generacja 

„prawie nieruchomej” SMM twornika (wirnika) Fa;  

c) model fizyczny wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego — generacja nieruchomej SMM twornika 

Fa w osi q prostopadłej do osi d — osi pola magneśnicy (wzbudzenia),  

d) zasada generacji momentu elektromagnetycznego — pewnej skłonności pola sił do zwiększania 

całkowitego strumienia magnetycznego sprzężonego z układem elektromagnetycznym maszyny 

W dalszych rozważaniach przyjęto następujące założenia upraszczające:  

• 

uzwojenia stojana i wirnika maszyny są układem symetrycznym a przewody uzwojenia wirnika są 
równomiernie rozmieszczone w żłobkach; 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

• 

płynące w uzwojeniach prądy o dowolnych przebiegach wzbudzają SMM stojana i wirnika o rozkładzie 
przestrzennym zbliżonym do sinusoidalnego (odwzorowane wektorami przestrzennymi); 

• 

wpływ pola elektrycznego między elementami maszyny, zjawisk anizotropii, histerezy i nasycenia 
obwodu magnetycznego, strat w żelazie i wypierania prądu w przewodach uzwojeń jest pomijalnie mały 
(odpowiada to przyjęciu liniowych obwodów magnetycznych i elektrycznych maszyny); 

• 

układ mechaniczny maszyny jest idealnie sztywny, a jego stałymi skupionymi są moment bezwładności 
współczynnik tarcia lepkiego. 

 

Uwaga: Przyjęty na rys. 1 sposób strzałkowania napięć, prądów, SMM, prędkości kątowej i momentów 

obrotowych dotyczy pracy silnikowej. Pokazany zwrot prędkości kątowej wirnika przyjęto jako 
zwrot odniesienia — odpowiada wartości chwilowej dodatniej (

ω

r  > 0). Analogicznie zwroty 

prądów uzwojenia twornika i wzbudzenia odpowiadają ich wartościom chwilowym dodatnim (np. 
dodatni prąd twornika dopływa do zacisku a, natomiast wypływa zaciskiem a’).  

 

Maszyna prądu stałego jest fizycznym przykładem tzw. wzorcowego sprzężenia 
elektromechanicznego,
 tzn. układu elektromechanicznego, w którym można wyróżnić dwa 
obwody „jakby nieruchome” względem siebie o osiach magnetycznych wzajemnie 
prostopadłych — tworzących kąt momentu 

γ

 = 

π

/2. Osie te przyjęto oznaczyć symbolami d i q

 

Wzajemnie prostopadłe położenie osi sił SMM uzwojenia wirnika (twornika) względem osi SMM 

uzwojenia stojana (wzbudzenia) — tworzących kąt momentu 

γ

 = 

π

/2, generuje moment elektromagnetyczny 

(jako efekt interakcji dwóch pól) proporcjonalny do iloczynu:  

• 

modułów wektorów SMM stojana |Ff|i wirnika |Fa|

 

(przy pomięciu efektu nasycenia żelaza i reakcji 

twornika); 

• 

strumienia w szczelinie przytwornikowej bieguna głównego i prądu wirnika (przy uwzględnieniu 
efektu nasycenia żelaza i reakcji twornika).  

Stwarza to szczególnie korzystne warunki kształtowania charakterystyki zewnętrznej maszyny 

zarówno dla stanu statycznego jak i dynamicznego. Składają się na nie: 

• 

wyodrębnienie sterowanego źródła napięcia zasilania obwodu stojana, kształtującego strumień 
wzbudzenia maszyny; 

• 

wyodrębnienie sterowanego napięcia zasilania obwodu wirnika, kształtującego prąd wirnika. 

3. 

DYNAMICZNY MODEL OBWODOWY WZORCOWEGO SPRZĘŻENIA 
ELEKTROMECHANICZNEGO 

♦ 

Wielkości oraz parametry modelu fizycznego sprzężenia

 

Do opisu modelu fizycznego wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego — maszyny prądu 

stałego (podanego na rys. 2), przyjęto układ współrzędnych dq i następujące wielkości oraz parametry (stałe 
skupione): 
a) wielkości i parametry elektryczne: 

• 

napięcia twornika ua i wzbudzenia uf,  

• 

prądy twornika ia oraz wzbudzenia if

• 

rezystancje uzwojenia twornika Ra oraz wzbudzenia Rf

b) wielkości i parametry elektromagnetyczne: 

• 

strumienie skojarzone obwodu wzbudzenia 

λ

df, obwodu twornika 

λ

da w osi d, obwodu twornika 

λ

qa 

w osi q

• 

indukcyjność własną obwodu wzbudzenia Lff, indukcyjnością własną obwodu twornika Laa oraz 
indukcyjnością wzajemną Laf obwodów twornika i wzbudzenia o charakterze sprzężenia 
elektromechanicznego (rotacyjnego); 

c)  

wielkości elektromechaniczne:  

• 

kąt momentu 

γ

• 

sem rotacji ea

background image

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

• 

moment elektromagnetyczny Te

d) wielkości i parametry mechaniczne: 

• 

prędkość kątowa elektryczna wirnika 

ω

(równoznaczna prędkości mechanicznej dla maszyny 

dwubiegunowej — P = 2), 

• 

moment obciążenia TL

• 

sumaryczny moment bezwładności wirnika i obciążenia J

• 

współczynnik tarcia lepkiego Bm

u

f

i

f

λ

df

u

a

i

a

λ

qa

λ

da

e

a

T

e

ω

r

d

q

+

T

L

λ

df

ff f

L i

=

λ

da

af f

L i

=

λ

qa

aa a

L i

=

e

a

r

da

= ω λ

 

 

T

i

e

a

da

=

 

 

λ

B)

(V

 

q

F

e

×

=

T

B)

(V

 

q

F

e

×

=

a

J'

B

m

'

 

 

Rys. 2. Podstawowy model fizyczny wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego — układ obwodów 

stojana i wirnika „jakby nieruchomych” względem siebie o osiach magnetycznych q oraz d wzajemnie 

prostopadłych 

 

Uwaga: Podstawy fizyczne wyprowadzenia równania momentu elektromagnetycznego i sem rotacji podano 

na rys. 2, odwołując się do wzoru Lorentza — wzoru na siłę działającą na ładunek q poruszający się 
z prędkością V w polu magnetycznym o indukcji B. Proszę pamiętać, że ważny jest ruch względny 
ładunku i pola!. 
Regulator elektromechaniczny (komutator i szczotki) położenia pola twornika sprawia, że prąd 

zmienny w prętach uzwojenia twornika wzbudza strumień 

λ

qa nieruchomy i prostopadły względem 

strumienia głównego (szczelinowego) 

λ

da — strumienia wzbudzanego prądem if. Zatem wirujące uzwojenie 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

twornika można odwzorować obwodem "jakby nieruchomym" — obwodem w którym płynie także prąd 
stały, który jest równy prądowi ia dopływającemu do zacisków szczotek. 

♦ 

Równania równowagi dynamicznej sprzężenia

 

Konsekwencją powyższych warunków i założeń  są proste równania równowagi dynamicznej 

obwodu twornika i wzbudzenia wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego: 

df

p

f

i

f

R

f

u

λ

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1) 

a

e

qa

p

a

i

a

R

a

u

+

λ

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

gdzie: p = d/dt - operator różniczkowania. 

Przy tworzeniu modelu sprzężenia, wpływ wielkości magnetycznych (strumieni sprzężonych) na 

właściwości sprzężenia odwzorowano wielkościami obwodowymi: indukcyjnością  własną obwodu 
wzbudzenia Lff, indukcyjnością własną obwodu twornika Laa, indukcyjnością wzajemną Laf o charakterze 
sprzężenia rotacyjnego (elektromechanicznego) obwodów twornika i wzbudzenia. Relacje te opisują 
odpowiednie zależności dla strumieni sprzężonych podane na rys. 2. 

Z kolei dla maszyny P- biegunowej zależności podane na rys. 2 przyjmują następującą postać:  

dla sem rotacji 

rm

f

i

af

G

rm

P

f

i

af

L

r

f

i

af

L

a

e

ω

ω

ω

====

====

====

)

2

(

 

 

 

 

 

 

 

(3) 

dla momentu elektromagnetycznego (każda para biegunów zwiększa P/2 razy moment) 

a

i

f

i

af

G

a

i

P

f

i

af

L

e

T

====

====

)

2

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4) 

gdzie:  

af

L

P

af

G

)

2

(

====

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5) 

mr

P

r

ω

ω

)

2

(

====

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6) 

Gaf - indukcyjność rotacji, 

ω

rm - mechaniczna prędkość kątowa wirnika; - liczba biegunów. 

Celem sformułowania równania równowagi dynamicznej układu mechanicznego wzorcowego 

sprzężenia elektromechanicznego rozważono odpowiednie siły działające na wirnik maszyny prądu stałego 
(rys. 3). 

B

m

ω

rm

T

e

Jp

ω

rm

T

L

ω

rm

 

Rys. 3. Siły działające na wirnik maszyny prądu stałego: sformułowanie równania równowagi dynamicznej 

układu mechanicznego  

 

Na podstawie rys. 3 można sformułować następujące równanie równowagi: 

L

T

rm

m

B

rm

p

J

e

T

+

+

=

ω

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7) 

lub 

background image

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

L

T

r

m

B

P

r

Jp

P

e

T

+

+

=

ω

ω

 

)

2

(

)

2

(

 

 

 

 

 

 

 

 

(8) 

gdzie: 

m

B

m

B

P

J

J

P

=

=

 

 

)

2

(

       

;

 

 

)

2

(

 

J’ - moment bezwładności oraz B’m - współczynnik tarcia lepkiego, zredukowane do elektrycznej prędkości 
kątowej wirnika 

ω

r, tzn. prędkości odpowiadającej maszynie dwubiegunowej (P=2). 

♦ 

Analog elektryczny sprzężenia

 

Możliwe analogie elektryczne równania ruchu (7) układu mechanicznego pokazuje rys. 4. 
 

-

+

T

e

L = J

R = B

m

T

L

T

e

G = B

m

T

L

u

C

i

C = J

ω

rm

i

u

ω

rm

m

m

_+

u

i

a)

b)

 

 

Rys. 4. Możliwe analogie elektryczno-mechaniczne równania ruchu: a) analogie: napięcie — prędkość 
kątowa, prąd — moment obrotowy, pojemność — moment bezwładności, przewodność — współczynnik 
tarcia; b) analogie: prąd: — prędkość kątowa, napięcie — moment obrotowy, indukcyjność — moment 

bezwładności, rezystancja — współczynnik tarcia 

 

Równania (1)-(4) i (7) dla wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego (P - biegunowego) można 

odwzorować dynamicznym modelem obwodowym pokazanym na rys. 5, gdzie sem rotacji modelowane jest 
sterowanym  źródłem napięciowym, a dla modelu obwodowego równania ruchu (7) przyjęto analogie 
odpowiednie podane na rys. 4a (moment elektromagnetyczny modelowany jako sterowane źródło prądowe) i 
na rys. 4b (moment elektromagnetyczny modelowany jako sterowane źródło napięciowe). 

♦ 

Redukcja analogu elektrycznego sprzężenia 

Celem redukcji analogu elektrycznego (obwodu) układu mechanicznego do obwodu twornika 

założono: if = const, zatem 

rm

v

k

rm

f

i

af

G

a

e

ω

ω

=

=

 

 

  

 

(9) 

a

i

v

k

a

i

f

i

af

G

e

T

 

 

 

=

=

  

 

(10) 

gdzie, stała maszyny 

f

i

af

G

v

k

 

=

 

Następnie po przekształceniu równania (10) do postaci: 

v

k

e

T

a

i

=

 

oraz założeniu: 

rm

v

k

a

e

c

u

ω

 

=

=

 

równanie układu (obwodu) mechanicznego (7) można przekształcić do postaci: 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

 

)

 

(

  

2

)

(

 

2

v

k

L

T

rm

v

k

v

k

m

B

rm

v

k

p

v

k

J

a

i

+

+

=

ω

ω

  

 

(11) 

a) 

u

a

a

R

a

L

aa

i

a

e

a

e

= G

af

 

 i

f

 

 

ω

rm

L

ff

i

f

R

f

u

f

f

+

_

+

_

+

_

T

= G

af

 

 i

f

 

  i

a

+

_

T

L

m

u

c

 = 

ω

rm

G = B

m

T

e

C = J

 

b) 

u

a

a

R

a

L

aa

i

a

e

a

e

= G

af

 

 i

f

 

 

ω

rm

L

ff

i

f

R

f

u

f

f

+

_

+

_

+

_

T

= G

af

 

 i

f

 

  i

a

+

_

T

L

m

i

L

 = 

ω

rm

R = B

m

T

e

L = J

+

_

 

 

Rys.5. Dynamiczny model obwodowy (analog elektryczny) maszyny (silnika) prądu stałego — wzorcowego 

sprzężenia elektromechanicznego: a) analog elektryczny układu mechanicznego wg rys. 4a; b) analog 

elektryczny układu mechanicznego wg rys. 4b 

 

Uwaga: Strzałkowanie na rys. 5. przyjęto wg konwencji silnikowej (odbiornikowej). 

1. Wielkości modelu na rys. 5. 
ua    

- napięcie twornika 

uf    

napięcie wzbudzenia 

background image

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

ia    

prąd twornika  

if    

prąd wzbudzenia 

ea   

 

- sem rotacji 

Te   

 

- moment elektromagnetyczny (wewnętrzny) 

ω

rm  

-  prędkość kątowa (mechaniczna) wirnika 

TL   

 

- moment obciążenia (zewnętrzny) 

2.  Parametry modelu na rys. 5. 
Ra   

 

- rezystancja obwodu twornika  

Rf   

 

- rezystancja obwodu wzbudzenia 

Laa  

 

- indukcyjność obwodu twornika  

Lff    

- indukcyjność obwodu wzbudzenia 

Gaf  

 

- indukcyjność rotacji (sprzężenia elektromechanicznego) 

J   

 

- moment bezwładności 

Bm    

- współczynnik tarcia lepkiego 

Taka postać równania ruchu (umożliwia połączenie galwaniczne zacisków sem rotacji ea obwodu 

twornika z zaciskami źródła momentu elektromagnetycznego (o wydajności równej ia) analogu 
elektrycznego układu mechanicznego (rys 5a). Otrzymujemy zatem analog RLC wzorcowego sprzężenia 
elektromechanicznego, pokazany na rys. 6. 

u

a

a

R

a

L

aa

i

a

m'

J

k

v

2

B

k

m

v

2

e

a

e

k

a

v

rm

=

ω

 - pojemność dynamiczna

_

_

T
k

L

v

_

J

k

v

2

_

v

=

T

k

i

e

a

_

k

G

v

af f

=

 I

 

Rys. 6. Maszyna (silnik) prądu stałego — wzorcowe sprzężenie elektromechaniczne: zredukowany 

dynamiczny model obwodowy: analog RLC przy założeniu if = const 

 

Dla analogu RLC na rys. 6, przy założeniu Bm 

 0, można zdefiniować następujące stałe czasowe 

silnika prądu stałego: 

 stała czasowa elektromagnetyczna 

   

a

r

aa

L

a

=

τ

 

  

stała czasowa elektromechaniczna  

2

)

 

(

 

 

f

I

af

G

a

r

J

C

a

r

m

=

=

τ

 

gdzie, pojemność 

2

)

 

(

2

)

 

(

 

v

k

J

f

I

af

G

J

C

=

=

 

nazywa się pojemnością dynamiczną silnika prądu stałego. 

Dla tak zdefiniowanych stałych czasowych można podać następujące warunki stabilności 

przebiegów dynamicznych silnika prądu stałego: 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

τ

τ

m

a

>

4

 przebiegi 

aperiodyczne; 

τ

τ

m

a

=

4

 

przebiegi aperiodyczne krytyczne; 

τ

τ

m

a

<

4

 przebiegi 

oscylacyjne. 

4. 

ZASTOSOWANIE PROGRAMU SYMULACYJNEGO PSPICE DO BADANIA 
WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

♦ 

Stany dynamiczne silnika prądu stałego 

Stany dynamiczne silnika prądu stałego określone są przez następujące czynniki: 

• 

warunki zasilania (wymuszenia elektryczne);  

• 

przebiegi napięć, prądów i strumieni sprzężonych poszczególnych uzwojeń stojana i wirnika; 

• 

rozwijany przez maszynę moment elektromagnetyczny (wewnętrzny) jako wynik wzajemnego 
oddziaływania odpowiednich prądów i strumieni sprzężonych; 

• 

warunki obciążenia na wale maszyny (moment obciążenia - zewnętrzny, prędkość kątowa 
wirnika) 

• 

wypadkowy moment bezwładności (silnika i maszyny napędzanej). 

Silnik prądu stałego może być zasilany w warunkach sieci sztywnej lub elastycznej, napięcia 

zasilania mogą mieć przebieg stały („gładki”) lub odkształcony (np. zasilanie z prostownika). 

Warunki obciążenia na wale silnika prądu stałego — „zaciskach mechanicznych” — mogą być stałe 

lub zmienne: np. zależne od czasu lub prędkości kątowej maszyny (liniowo lub kwadratowo). 

Typowe stany pracy dynamicznej silnika prądu stałego, pracującej w układzie napędu 

elektrycznego, mogą być następujące: 

• 

rozruch (bezpośredni, z opornikiem w obwodzie twornika, za pomocą układu typu „chopper” lub 
prostownika sterowanego); 

• 

hamowanie; 

• 

nawrót; 

• 

skokowa (lub inna) zmiana momentu obciążenia. 

• 

wybieg grupowy (np. zanik napięcia w sieci zasilającej kilka silników) 

• 

stany zwarcia w sieci zasilającej silnik (np. zwarcie chwilowe na zaciskach uzwojenia twornika). 

 

Właściwa analiza wymienionych wyżej stanów pracy dynamicznej — stanów nieustalonych — 

silnika prądu stałego, ze względu na nieliniowość zachodzących procesów elektromechanicznych w 
maszynie, wymaga zastosowania zaawansowanych technik symulacyjnych. Opracowany w p. 3 niniejszego 
ćwiczenia model obwodowy maszyny prądu stałego, zawierający m.in. źródła sterowane, stanowi wygodną 
bazę do obliczeń komputerowych, wykorzystujących programy symulacyjne obwodów elektrycznych typu: 
NAP, PSPICE, TUTSIM, itp. Program PSPICE wydaję się być zarówno programem najbardziej 
zaawansowanym jak i przyjaznym dla użytkownika, w klasie programów symulacyjnych obwodów 
elektrycznych. 

♦ 

Budowa modelu symulacyjnego w programie PSPICE 

 Opierając się na modelu obwodowym maszyny prądu stałego przedstawionym na rys. 5b oraz 
zasadach formułowania modelu symulacyjnego obowiązujących dla programu PSPICE zbudowano analog 
elektryczny maszyny, pokazany na rys. 7, przystosowany do analizy za pomocą programu PSPICE. Każdy 
element jest włączony w obwód w dokładnie zdefiniowanych węzłach. Definicja węzłów polega na 
nazwaniu każdego z nich kolejną liczbą lub literami. Nie obowiązuje  żadna hierarchia tych oznaczeń. 
Jedynym warunkiem jest umieszczenie na liście węzłów, węzła oznaczonego numerem „0”. 
 

W badaniach stanów nieustalonych — silnika prądu stałego należy określić wartości parametrów dla 

jej modelu obwodowego, charakter wymuszeń elektrycznych i mechanicznych. 

Wartości parametrów modelu silnika można obliczyć z wystarczającą dokładnością dla obliczeń 

inżynierskich na podstawie jej danych katalogowych lub danych pomiarowych (szczegóły w załączniku do 
instrukcji). Z kolei do wprowadzenia wartości tych parametrów do programu PSPICE wykorzystuje się 
instrukcję .PARAM, którą ilustruje następujący przykład: 

background image

10 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

Obwód twornika

Obwód wzbudzenia

Obwód mechaniczny

 

 

Rys. 7. Analog elektryczny silnika prądu stałego dla sformułowania pliku wejściowego PSPICE (podstawa 

sformułowania — model obwodowy silnika na rys. 5b) 

 

*Dane znamionowe (indeks n oznacza wartosci znamionowe) silnika:  
* Pn=13kW - moc;  Uan=220V - napiecie twronika;  
* Ian=67.7A - prad twornika; Pfn=186W - moc wzbudzenia;  
* Ufn=110V - napiecie wzbudzenia; Ra=0.33 ohm - rezystancja twronika 
* Laa=0.204H - indukcyjnosc twronika; nn=1500obr/min - predkosc obrotowa;  
* J=0.11kgm2 - moment bezwladnosci 
* wprowadzanie danych poprzez paramerty globalne 
.PARAM  Pn=13e3  Uan=220  Ian=67.7  Pfn=186  Ufn=110  
.PARAM Ra=0.4  Laa=0.02  nn=1500  J=0.11 
*stale 
.PARAM pi=3.14159 
*Obliczenia brakujacych danych i parametrow modelu silnika 
.PARAM Ifn={Pfn/Ufn}  Rf={Ufn/Ifn}  Wrmn={2*pi*nn/60}  
*znamionowy moment obciazenia 
.PARAM TLn={Pn/Wrmn} 
* obliczanie indukcyjnosci rotacji 
.PARAM Gaf={(Uan - Ian*Ra)/Ifn/Wrmn} 
*przyjeto indukcyjnosc obwodu wzbudzenia Lff>=20*Laa*Rf/Ra 
.PARAM Lff={20*Laa*Rf/Ra} 
*przyjeto wspolczynnik tarcia  Bm=(0.01*Pn/Wrmn/Wrmn) Nms/rad 
.PARAM Bm={(0.01*Pn/Wrmn/Wrmn)} 

Klasyczne wymuszenia elektryczne dla silnika prądu stałego mają charakter napięciowy o stałej 

wartości. Do wprowadzenia wartości tych napięć do programu PSPICE wykorzystuje się instrukcję 
definiującą źródła napięciowe niezależne. Wydajność tych źródeł można zmieniać za pomocą odpowiednich 
współczynników, ilustruje to następujący przykład: 
 
*wspolczynniki do okreslenia napiecie zasilania twornika i wzbudzenia,  
.PARAM kUa=1       kUf=1  
************************************* 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

11 

*napiecie zasilania twornika  

V_Ua 1 0 DC {Uan*kUa} 
* dla nawrotu przyjac napiecie o przebiegu impulsowym 
*V_Ua 1 0 PULSE({Uan*kUa} {-Uan*kUa} 0.6 0 0 0.8 5) 
* gdzie: V1=Ua; V2=-Ua;  td=0.6s; trise=0s; tfall=0s; pw=0.8; per=5s 
********************************** 
*napiecie zasilania wzbudzenia 
V_Uf 2 0 {Ufn*kUf} 

Klasyczne wymuszenia mechaniczne (obciążenia na wale) dla maszyny prądu stałego mogą być o 

charakterze stałego lub zmiennego momentu obciążenia TL : np. zależnego od czasu lub prędkości kątowej 
maszyny (liniowo lub kwadratowo). Przykładowe momenty obciążenia można zapisać następująco: 

• 

stały moment obciążenia o wartości zerowej 

 

TL = 0   

• 

stały moment obciążenia o wartości momentu znamionowego lub innej 

 

TL = TLn

 

lub 

TL = kTL*TLn 

gdzie, dla danej znamionowej mocy Pn i prędkości obrotowej nn 

 

T

P

Ln

n

rmn

=

/

ω

 

 

ω

π

rmn

=

2

60

  n

n

/

 

 

kTL 

 1

 

• 

moment obciążenia zależny liniowo od prędkości kątowej 

 

rm

TL

k

L

T

ω

 

====

 

 

rmn

Ln

T

TL

k

ω

/

====

 

• 

moment obciążenia zależny kwadratowo od prędkości kątowej 

 

rm

rm

TL

k

L

T

ω

ω

 

====

 

 

)

/(

rmn

rmn

Ln

T

TL

k

ω

ω

====

 

• 

moment obciążenia zależny od czasu, np. zmieniający się skokowo (impulsowo) 

  od wartości TL = 0 do TL TLn 

Do wprowadzenia wartości tych momentów obciążenia do programu PSPICE wykorzystuje się 

instrukcję definiującą  źródła napięciowe niezależne lub zależne (jako analog momentu), którą ilustrują 
następujące przykłady: 

*wspolczynniki do okreslenia momentu obciazenia 
.PARAM kTL=0     ; wspolczynnik dla stalego momentu 
*.PARAM  kTL={TLn/Wrmn}  ;wspolczynnik dla TL=kTL*Wrm 
*.PARAM  kTL={TLn/Wrmn/Wrmn }  ;wspolczynnik dla TL=kTL*Wrm*Wrm 
**************************** 
V_TL 3 0 DC {TLn*kTL}      ; staly moment obciazenia na wale TL 
*moment obciazenia TL=kTL*Wrm 
*E_TL TL 0 VALUE={kTL*I(V_Wr)} 
*moment obciazenia TL=kTL*Wrm*Wrm 
*E_TL TL 0 VALUE={kTL*I(V_Wr)*I(V_Wr)} 
*Uwaga: dla skokowej zmiany momentu TL przyjac 
*V_TL 3 0 PULSE(0 {TLn*kTL} 0.6 0 0 0.3 0.6) 
* gdzie: V1=0 Nm; V2=TL Nm;  td=0.6s; trise=0s; tfall=0s; pw=0.3; per=0.6s 

 

W badaniach stanów nieustalonych za pomocą programu PSPICE wykorzystuje się instrukcję 

analizy czasowej o następującym formacie: 

.TRAN <krok wydruku (HWYDR)>  <czas końca analizy (TSTOP)  <czas opóźnienia drukowania 
+wyników  (HNDR)>  < maks. krok obliczeń (HMAX)> [UIC] 
gdzie,  
HWYDR - krok wydruku czyli odstęp czasowy wyprowadzania wyników obliczeń do zbioru 

wynikowego z rozszerzeniem .OUT (jeżeli zostanie użyta instrukcja .PRINT);  

background image

12 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

TSTOP - czas analizy od czasu t = 0 s do t = TSTOP s określającego koniec obliczeń;  
HNDR - czas określający rozpoczęcie zapisu wyników do zbioru wynikowego z rozszerzeniem 

.OUT (jeżeli zostanie użyta instrukcja .PRINT) i zbioru wynikowego z rozszerzeniem 
.DAT (jeżeli zostanie użyta instrukcja .PROBE);  

HMAX - maks. krok obliczeń o wartości domyślnej = TSTOP/50 s - faktyczny krok obliczeń jest 

dobierany automatycznie w trakcie trwania obliczeń; 

UIC - parametr oznacza, że do obliczeń będą brane warunki początkowe zapisane za pomocą 

oddzielnej instrukcji .IC (INITIAL CONDITIONS) lub za pomocą wyrażenia IC= , które 
jest podane w liniach określających indukcyjność (IC= prąd początkowy) lub pojemność 
(IC=napięcie początkowe).  

Uwaga: W analizie maszyny elektrycznych, ze względu na możliwość wystąpienia oscylacji numerycznych 

(niestabilności rozwiązania w fazie obliczeń, kiedy maszyna wchodzi w stan pracy ustalonej), 
niedopuszczalne jest pomijanie w instrukcji .TRAN maks. kroku obliczeń HMAX. Szacowanie jego 
wartości należy przeprowadzić w oparciu o stałe czasowe modelu obwodowego maszyny i okres 
wymuszeń na zaciskach maszyny (należy zajrzeć do notatek z metod numerycznych!!!). 

 

W badaniach stanów nieustalonych maszyny prądu stałego za pomocą programu PSPICE warunki 

początkowe ustala się dla wartości prądów i prędkości kątowej wirnika, odpowiadające wyjściowemu 
stanowi ustalonemu maszyny. Najłatwiej można je ustalić dla analizy rozruchu maszyny — wartości prądów 
i prędkości kątowej wirnika są wtedy zerowe. Warunki początkowe zapisane w programie PSPICE ilustrują 
następujące przykłady: 

*obwod twornika 

Laa 5 6 {Laa} IC=0 
************************* 
*obwod wzbudzenia 
Lff 8 0 {Lff} IC={Ufn*kUf/Rf} ;If=(Uf/Rf) ustalony prad wzbudzenia 
*                          dla silnika obcowzbudnego  
*Uwaga: dla silnika bocznikowego IC=0 bo If=0 
***************************** 
*obwod mechaniczny 
L_J 9 10 {J} IC=0   ; predkosc poczatkowa zerowa 

Dla analizy innych stanów dynamicznych maszyny można wykonać najpierw obliczenia dla 

rozruchu aż do wejścia maszyny w stan ustalony — od tego momentu zapisywać wyniki obliczeń do pliku 
.DAT. Możliwe jest także obliczenie ręczne warunków początkowych dla zadanego stanu ustalonego 
wyjściowego maszyny. Dla analizy hamowania i nawrotu można przyjąć wartość prędkości kątowej wirnika 
równą znamionowej lub idealnego biegu jałowego i założyć zerowe wartości prądu twornika.  

Analiza stanów dynamicznych maszyny za pomocą programu PSPICE wymaga określenia czasu 

trwania obliczeń  TSTOP — czasu określającego koniec obliczeń. Czas ten — w przypadku rozruchu 
bezpośredniego bez obciążenia — można w przybliżeniu oszacować w oparciu o tzw. stałą rozruchową 
maszyny 

τ

r : 

 

TSTOP  

 

=

τ

ω

r

n

rm

J T

( /

)

0

 

która jak widać określa czas rozruch maszyny (układu) o momencie bezwładności J pod wpływem momentu 
znamionowego maszyny Tn od zera do prędkości biegu jałowego 

ω

rm0 . 

Do wyprowadzania wyników analizy w programie PSPICE służy instrukcja .PROBE.  Przykłady 

użycia instrukcji .TRAN oraz .PROBE w programie PSPICE ilustrują następujące przykłady: 

*symulacja charakterystyk rozruchowych 
.TRAN 0.004 0.6 0 0.002 UIC 
*obliczone przebiegi do obserwacji na ekranie 
.PROBE V(1) I(Ra) V(6) V(2) I(Rf) V(9) I(R_Bm) V(3)  

♦ 

Plik wsadowy programu PSPICE: cw3-2.cir 

W oparciu o analog elektryczny silnika prądu stałego na rys. 7 oraz powyższe rozważania, 

sformułowano następujący plik wsadowy programu PSPICE. 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

13 

ROZRUCH SILNIKA PRADU STALEGO (OBCOWZBUDNEGO) przy TL=0  
*Dane znamionowe (indeks n oznacza wartosci znamionowe) silnika:  
* Pn=13kW - moc;  Uan=220V - napiecie twronika;  
* Ian=67.7A - prad twornika; Pfn=186W - moc wzbudzenia;  
* Ufn=110V - napiecie wzbudzenia; Ra=0.33 ohm - rezystancja twronika 
* Laa=0.204H - indukcyjnosc twronika; nn=1500obr/min - predkosc obrotowa;  
* J=0.11kgm2 - moment bezwladnosci 
* wprowadzanie danych poprzez paramerty globalne 
.PARAM  Pn=13e3  Uan=220  Ian=67.7  Pfn=186  Ufn=110  
.PARAM Ra=0.4  Laa=0.02  nn=1500  J=0.11 
*stale 
.PARAM pi=3.14159 
*Obliczenia brakujacych danych i parametrow modelu silnika 
.PARAM Ifn={Pfn/Ufn}  Rf={Ufn/Ifn}  Wrmn={2*pi*nn/60}  
*znamionowy moment obciazenia 
.PARAM TLn={Pn/Wrmn} 
* obliczanie indukcyjnosci rotacji 
.PARAM Gaf={(Uan - Ian*Ra)/Ifn/Wrmn} 
*przyjeto indukcyjnosc obwodu wzbudzenia Lff>=20*Laa*Rf/Ra 
.PARAM Lff={20*Laa*Rf/Ra} 
*przyjeto wspolczynnik tarcia  Bm=(0.01*Pn/Wrmn/Wrmn) Nms/rad 
.PARAM Bm={(0.01*Pn/Wrmn/Wrmn)} 
*wspolczynniki do okreslenia napiecie zasilania twornika i wzbudzenia,  
.PARAM kUa=1       kUf=1  
*wspolczynniki do okreslenia rezystancji twornika 
.PARAM kRa=1 
*wspolczynniki do okreslenia momentu obciazenia 
.PARAM kTL=0     ; wspolczynnik dla stalego momentu 
*.PARAM  kTL={TLn/Wrmn}  ;wspolczynnik dla TL=kTL*Wrm 
*.PARAM  kTL={TLn/Wrmn/Wrmn }  ;wspolczynnik dla TL=kTL*Wrm*Wrm 
*obwod twornika 
*napiecie zasilania twornika  
V_Ua 1 0 DC {Uan*kUa} 
* dla nawrotu przyjac napiecie o przebiegu impulsowym 
*V_Ua 1 0 PULSE({Uan*kUa} {-Uan*kUa} 0.6 0 0 0.8 5) 
* gdzie: V1=Ua; V2=-Ua;  td=0.6s; trise=0s; tfall=0s; pw=0.8; per=5s 
V_Ia 1 4 DC 0V                                     ;pomiar pradu Ia 
Ra 4 5 {Ra*kRa} 
Laa 5 6 {Laa} IC=0 
*SEM rotacji 
E_Ea 6 0 VALUE={Gaf*I(V_If)*I(V_Wrm)} ;bo  Ea=Gaf*If*Wrm 
*obwod wzbudzenia  
*napiecie zasilania wzbudzenia 
*tylko dla silnika obcowzbudnego mozna pominac cztery kolejne linie 
V_Uf 2 0 {Ufn*kUf} 
V_If 2 7 DC 0V                                      ;pomiar pradu If 
Rf 7 8 {Rf}  
Lff 8 0 {Lff} IC={Ufn*kUf/Rf} ;If=(Uf/Rf) ustalony prad wzbudzenia 
*                          dla silnika obcowzbudnego  
*Uwaga: dla silnika bocznikowego IC=0 bo If=0 
*obwod mechaniczny 
*analog momentu elektromagnetycznego 
E_Te 9 0 VALUE={Gaf*I(V_If)*I(V_Ia)}; bo Te=Gaf*If*Ia  
L_J 9 10 {J} IC=0   ; predkosc poczatkowa zerowa 
R_Bm 10 11 {Bm}                                    
V_Wrm 11 3 DC 0V                           ;pomiar predkosci katowej Wrm 
V_TL 3 0 DC {TLn*kTL}      ; staly moment obciazenia na wale TL 

background image

14 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

*moment obciazenia TL=kTL*Wrm 

*E_TL TL 0 VALUE={kTL*I(V_Wr)} 
*moment obciazenia TL=kTL*Wrm*Wrm 
*E_TL TL 0 VALUE={kTL*I(V_Wr)*I(V_Wr)} 
*Uwaga: dla skokowej zmiany momentu TL przyjac 
*V_TL 3 0 PULSE(0 {TLn*kTL} 0.6 0 0 0.3 0.6) 
* gdzie: V1=0 Nm; V2=TL Nm;  td=0.6s; trise=0s; tfall=0s; pw=0.3; per=0.6s 
*Uwaga: dla analizy .DC pominac V_TL  
*       dla analizy .DC :charakterystyka Te=Te(Wrm) 
*       podstawic I_Wrm zamiast V_TL 
*I_Wrm 3 0 DC 0A             
*analiza wplywu momentu bezwladnosci dla J=0.11 J=3*0.11 J=6*0.11  
*               na dynamike silnika 
.STEP PARAM J LIST  0.11 0.33 0.66 
.PROBE V(1) I(Ra) V(6) V(2) I(Rf) V(9) I(R_Bm) V(3)  
*analiza .TRAN dla wyznaczenia charakterystyk rozruchowych 
.TRAN 0.004 0.6 0 0.002 UIC 
*krok druku, czas koncowy, czas poczt. druku, max krok calkowania, wyk. war. *pocz. 
*analiza .DC :wyznaczenie charakterystyki Te=Te(Wrm) dla Ua=180V i Ua=220;  
*.DC LIN I_Wrm 0 200 10 V_Ua 140 220 40 
*skala liniowa, zmienna, zakres dolny, zakres gorny, krok, druga zmienna, zakres dolny, zakres 
*gorny, krok 
.END  

♦ 

Wyniki symulacji wybranych stanów dynamicznych silnika 

• 

Stan ustalony 

 Interesującą charakterystyką stanu ustalonego jest charakterystyka mechaniczna Te=Te(

rm). 

Można ją wyznaczyć za pomocą analizy stałoprądowej .DC symulatora PSPICE. Jej przebieg pokazano na 
rys. 8. 

Wyniki  analizy .DC (postprocesor graficzny .PROBE

0

50

100

150

200

I_Wrm

V(9)

800

600

400

200

0

-200

-400

Ua=180 [V]

Ua=220 [V]

Wrm [rad/s]

Te [Nm]

CHARAKTERYSTYKI SILNIKA PRADU STALEGO (OBCOWZBUDNEGO) Te=Te(Wrm)

Date/Time run: 03/17/93  21:12:17

Temperature: 27.0

 

Rys.8. Wyniki analizy .DC: charakterystyka mechaniczna Te=Te(

rm) silnika  

• 

Stan nieustalony 

 Interesującą charakterystyką stanu nieustalonego jest charakterystyka rozruchowa. Można ją 
wyznaczyć za pomocą analizy stanu nieustalonego .TRAN symulatora PSPICE. Jej przykładowe przebiegi 
pokazano na rys.9. Charakterystykę dynamiczną Te=Te(

ω

rm) pokazano na rys.10. 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

15 

Wyniki analizy .TRAN (postprocesor graficzny .PROBE

a)  

0s

100ms

200ms

300ms

400ms

500ms

600ms

Time

1  

2  

1  

V(1)

2  

I(Ra)

250V

200V

150V

100V

50V

0V

1

300A

200A

100A

0A

-100A

2

   >>

ROZRUCH SILNIKA PRADU STALEGO (OBCOWZBUDNEGO) DLA Tl=0

Date/Time run: 03/17/93  20:29:50

Temperature: 27.0

 

b) 

0s

100ms

200ms

300ms

400ms

500ms

600ms

Time

1  

2  

1  

V(9)

2  

I(R_Bm)

400

300

200

100

0

-100

-200

1

300

250

200

150

100

50

0

2

   >>

Wrm [rad/s]

Te [Nm]

ROZRUCH SILNIKA PRADU STALEGO (OBCOWZBUDNEGO) DLA Tl=0

Date/Time run: 03/17/93  20:29:50

Temperature: 27.0

 

Rys.9. Wyniki analizy .TRAN: rozruch bezpośredni silnika prądu stałego: 

a)  przebieg napięcia u

a

 oraz prądu i

a

 twornika  

b) przebieg prędkości kątowej 

ω

rm oraz momentu elektromagnetycznego Te 

background image

16 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

0

40

80

120

160

200

240

I(R_Bm)

V(9)

400

300

200

100

0

-100

-200

Wrm [rad/s]

Te [Nm]

ROZRUCH SILNIKA PRADU STALEGO (OBCOWZBUDNEGO) DLA Tl=0

Date/Time run: 03/17/93  20:29:50

Temperature: 27.0

 

 

Rys.10. Wyniki analizy .TRAN: charakterystyka dynamiczna Te=Te(

ω

rm) silnika prądu stałego dla rozruchu 

bezpośredniego  

5. PYTANIA 

(TEORIA/SYMULACJA) 

1.  Podaj elementarny (podstawowy) model fizyczny maszyny prądu stałego z ilustracją zasady jej działania 

— generacji momentu elektromagnetycznego (rys. 1 wg instrukcji ćw. 2A). Nazwij elementy i wielkości 
modelu. Wykaż, że w stanie ustalonym siły magnetomotoryczne (SMM) stojana i wirnika są nieruchome 
względem siebie oraz nieruchome względem stojana. 

2. Podaj podstawowy model fizyczny wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego — maszyny prądu 

stałego (rys. 2 wg instrukcji ćw. 2A). Nazwij i uzasadnij sens fizyczny wielkości i parametrów modelu.  

3.  Podaj elementarny (podstawowy) model fizyczny układy mechanicznego maszyn elektrycznych (rys. 2 

wg instrukcji ćw. 2A). Wymień i nazwij siły działające na wirnik maszyny. Podaj analogie elektryczno-
mechaniczne równania ruchu stosowane w modelowaniu obwodowym układu mechanicznego maszyn 
(rys. 4 wg instrukcji ćw. 2A).  

4. Podaj dynamiczny model obwodowy (analog elektryczny) maszyny (silnika) prądu stałego — 

wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego (rys. 5 wg instrukcji ćw. 2A). Nazwij i uzasadnij sens 
fizyczny wielkości i parametrów modelu. 

5.  Podaj zredukowany dynamiczny model obwodowy (analog elektryczny) maszyny (silnika) prądu stałego 

— wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego przy i

f

=const (rys. 6 wg instrukcji ćw. 2A). Nazwij i 

uzasadnij sens fizyczny wielkości i parametrów modelu. Podaj stałe czasowe i warunki stabilności 
przebiegów dynamicznych silnika prądu stałego.  

6. Podaj analog elektryczny silnika prądu stałego (rys. 7 wg instrukcji ćw. 2A), który służy do 

sformułowania pliku wsadowego programu PSPICE’a, celem symulacji rozruchu silnika indukcyjnego. 
Nazwij wielkości i parametry analogu 

7. Podaj sposób wprowadzania w pliku wsadowym programu PSPICE’a wartości parametrów analogu 

elektrycznego silnika prądu stałego (rys. 7 wg instrukcji ćw. 2A), celem symulacji rozruchu silnika. 

8. Podaj sposób odwzorowania w pliku wsadowym programu PSPICE’a równania napięcia rotacji i 

równania momentu elektromagnetycznego analogu elektrycznego silnika prądu stałego (rys. 7 wg 
instrukcji ćw. 2A), celem symulacji rozruchu silnika. 

9.  Podaj sposób wprowadzania w pliku wsadowym programu PSPICE’a warunków początkowych analogu 

elektrycznego silnika prądu stałego (rys. 7 wg instrukcji ćw. 2A), celem symulacji rozruchu silnika. 

10. Podaj sposób wprowadzania w pliku wsadowym programu PSPICE’a wymuszeń elektrycznych analogu 

elektrycznego silnika prądu stałego (rys. 7 wg instrukcji ćw. 2A), celem symulacji rozruchu silnika. 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

17 

11. Podaj sposób wprowadzania w pliku wsadowym programu PSPICE’a wymuszeń mechanicznych analogu 

elektrycznego silnika prądu stałego (rys. 7 wg instrukcji ćw. 2A), celem symulacji rozruchu silnika. 

12. Podaj sposób doboru maksymalnego kroku całkowania i czasu trwania obliczeń (maksymalnego kroku 

obliczeń HMAX i czasu TSTOP w komendzie .TRAN) w pliku wsadowym programu PSPICE’a dla 
analogu elektrycznego silnika prądu stałego (rys. 7 wg instrukcji ćw. 2A), celem symulacji rozruchu 
silnika. 

6. ZADANIE 
 

Dla danych silnika prądu stałego (z katalogu lub silnika badanego) wykonać analizę .TRAN: 

Nr 

zada. 

Stan pracy dynamicznej silnika i warunki obciążenia  

Warunki początkowe  

rozruch bezpośredni dla = 1.5Jn oraz Jn  przy TL = 0 

zerowe wartości prądów i 
prędkości wirnika dla = 0 

rozruch bezpośredni dla = 1.5Jn oraz Jn przy TL kTL*

ω

rm 

zerowe wartości prądów i 
prędkości wirnika dla = 0 

rozruch bezpośredni dla = 1.5Jn oraz Jn przy TL kTL*

ω

rm*

ω

rm  zerowe wartości prądów i 

prędkości wirnika dla t = 0 

skokowa zmiana TL = 0 do TL TLn dla = 1.5Jn oraz Jn  

wartości prądów maszyny 
i prędkości wirnika jak dla 
stanu biegu jałowego dla = 0 

hamowanie i nawrót dla = 1.5Jn oraz Jn przy TL = 0 

zerowe wartości prądów oraz  

ω

rm

ω

rmn dla = 0  

hamowanie i nawrót dla = 1.5Jn oraz Jn przy TL kTL *

ω

rm 

zerowe wartości prądów oraz  

ω

rm

ω

rmn dla = 0 

hamowanie i nawrót dla = 1.5Jn oraz Jn przy TL k*

ω

rm*

ω

rm 

zerowe wartości prądów  
oraz 

ω

rm

ω

rmn dla = 0 

 Założyć znamionowe warunki zasilania lub podane przez prowadzącego ćwiczenie. 

7. SPRAWOZDANIE 
 

Opracowanie sprawozdania powinno zawierać: 

• 

stronę tytułową wg następującego układu: 

 

POLITECHNIKA GDAŃSKA 

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI 

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN 

ELEKTRYCZNYCH 

MASZYNY ELEKTRYCZNE II 

LABORATORIUM KOMPUTEROWE 

ĆWICZENIE 2A 

 

BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 
WSPOMAGANE SYMULATOREM OBWODÓW PSPICE 
 
Opracował: 
Imię i nazwisko 
nr grupy laboratoryjnej 
(podać nr grupy laboratoryjnej  wg lab. MEII) 
data oddania sprawozdania 

• 

nr, dane znamionowe (katalogowe) i dane obwodowe badanego silnika prądu stałego;  

• 

nr i treść zadania; 

• 

określenie wymuszeń elektrycznych i mechanicznych (należy podać odpowiadające im fragmenty 
programu PSPICE); 

background image

18 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

• 

określenie warunków początkowych (wartości prądów indukcyjności i napięć na pojemnościach, 
należy podać odpowiadające im fragmenty programu PSPICE); 

• 

obliczenia stałych czasowych modelu obwodowego dla danego silnika indukcyjnego; 

• 

oszacowanie maks. kroku obliczeń HMAX i czasu końca analizy TSTOP; 

• 

„ręczne” oszacowanie wartości udarowych prądów, momentu elektromagnetycznego i prędkości 
obrotowej oraz porównanie ich wartości z wynikami otrzymany na drodze symulacyjnej; 

• 

wybrane przebiegi wielkości, które są istotne (wg piszącego sprawozdanie) dla przeprowadzenia 
analizy zadanego stanu pracy dynamicznej maszyny prądu stałego; 

• 

uzasadnienie fizyczne uzyskanych wyników (powinno być napisane w stylu inżynierskim !!! 
—- tzn. minimum języka tekstowego a maksimum języka graficznego i symbolicznego
); 

• 

krótka dyskusja wpływu założeń upraszczających modelu maszyny na uzyskane wyniki obliczeń; 

• 

wykaz literatury wykorzystanej przy pisaniu sprawozdania; 

• 

załącznik w postaci dyskietki, zawierającej sformułowany plik wsadowy programu PSPICE. 

8. LITERATURA 

1.  P.C. Krause i O. Wasynczuk: Electromechanical Motion Devices, Mc Graw  -Hill Book Comp.. New 

York, 1989. Purdue University, USA.  

2.  P.C. Krause: Analysis of Electric Machinery. Mc Graus - Hill Book Comp. New York, 1986. 
3.  W. Latek: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1982. 
4.  Z. Manitius: Maszyny elektryczne cz. I, II. Skrypt PG, 1982, 1984. 
5.  W. Paszek: Stany nieustalone maszyn elektrycznych prądu przemiennego. WNT, Warszawa, 1986. 
6.  S. Roszczyk: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1979. 
7.  P. Zimny, K. Karwowski: SPICE klucz do elektrotechniki. Instrukcja, program, przykłady. Skrypt 

PG, 1993. 

9. ZAŁĄCZNIK 

WYZNACZANIE WARTOŚCI PARAMETRÓW DYNAMICZNEGO MODELU OBWODOWEGO 

SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

Metody wyznaczania wartości parametrów dynamicznego modelu obwodowego silnika prądu stałego 

(podanego na rys. Z1) opisano poniżej.  

 

u

a

a

R

a

L

aa

i

a

e

a

e

= G

af

 

 i

f

 

 

ω

rm

L

ff

i

f

R

f

u

f

f

+

_

+

_

+

_

T

= G

af

 

 i

f

 

  i

a

+

_

T

L

m

u

c

 = 

ω

rm

G = B

m

T

e

C = J

 

Rys.Z1. Dynamiczny model obwodowy (analog elektryczny) maszyny (silnika) prądu stałego — wzorcowego sprzężenia 

elektromechanicznego 

1. Wielkości modelu na rys. Z1. 
ua    

- napięcie twornika 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

19 

uf    

napięcie wzbudzenia 

ia    

prąd twornika  

if    

prąd wzbudzenia 

ea     

- sem rotacji 

Te     

- moment elektromagnetyczny (wewnętrzny) 

ω

rm  

prędkość kątowa (mechaniczna) wirnika 

TL     

- moment obciążenia (zewnętrzny) 

2.  Parametry modelu na rys. Z1. 
Ra     

- rezystancja obwodu twornika  

Rf     

- rezystancja obwodu wzbudzenia 

Laa  

 

-  indukcyjność własna obwodu twornika  

Lff    

- indukcyjność własna obwodu wzbudzenia 

Gaf  

 

-  indukcyjność rotacji (sprzężenia elektromechanicznego) 

J   

 

- moment bezwładności 

Bm    

- współczynnik tarcia lepkiego 

Wyróżniono dwa przypadki wyznaczania wartości parametrów dynamicznego modelu obwodowego 

silnika prądu stałego: 

♦ 

modelu liniowego (modelu o parametrach stałych) na podstawie danych katalogowych; 

♦ 

modelu nieliniowego (modelu o parametrach zmiennych) na podstawie danych doświadczalnych. 

9.1. Wyznaczanie 

wartości parametrów modelu liniowego na podstawie 

danych katalogowych 

Wartości parametrów modelu obwodowego silnika można obliczyć z wystarczającą dokładnością dla 

obliczeń inżynierskich na podstawie jej danych katalogowych. Przykład takich danych podano poniżej w 
tablicy Tab. Z.1. 

Tablica Z.1. Dane katalogowe silników prądu stałego – producent firma SIEMES 

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

mH

100L

300

1850

1,25

0,0115

5

75

145

180

4,6

42

112L

400

2700

4,6

0,0301

13,5

83

130

180

1,97

16

160M

400

3500

19,2

0,121

54,0

86

480

180

0,13

2

225L

440

2300

38,0

0,65

94,0

90,4

650

310

0,15

2,3

225L

600

2950

136,0

0,75

245

91,1

800

310

0,12

1,5

 

W powyższej tabeli producent podał wartości tylko dla części parametrów (J, R

a

, L

aa

) - wartości pozostałych 

parametrów wyznacza się wg podanych niżej zależności. 

Indukcyjność rotacji  

wyznacza się z równania równowagi dla obwodu twornika przy warunkach znamionowych: 

an

a

mn

r

fn

af

an

I

R

I

G

U

+

=

 

)

(

 [V] 

(1) 

po przekształceniu otrzymuje się 

/(

)

(

mn

r

fn

an

a

an

af

I

I

R

U

G

=

 [H] 

(2) 

gdzie, znamionowy prąd wzbudzenia 

background image

20 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

fn

fn

fn

U

P

I

/

====

 [A] 

(3) 

oraz znamionowa prędkość kątowa [rad/s] 

r mn

n

n

=

2

60

π

 

/

 [rad/s] 

(4) 

Rezystancja obwodu wzbudzenia 

fn

fn

f

P

U

R

/

2

=

 

[

] (5) 

Współczynnik tarcia lepkiego 

2

mn

r

mn

m

P

B

 [Nm

.

s]  

(6) 

gdzie, znamionowe strat mechaniczne szacuje się następująco 

n

mn

P

P

100

)%

 

1

...

3

,

0

(

 [W] 

(7) 

Elektromagnetyczna stała czasowa (stała czasowa obwodu twornika) 

a

aa

a

R

/

====

τ

 [s] 

(8) 

Elektromechaniczna stała czasowa 

2

)

(

fn

af

a

m

I

G

J R

=

τ

 [s] 

(9) 

Indukcyjności obwodu wzbudzenia  
ze względu na jej brak w danych katalogowych, szacuje się z następującej relacji między stałą czasową 
obwodu wzbudzenia (

f

ff

f

R

/

====

τ

) a elektromagnetyczną stałą czasową (stała czasowa obwodu 

twornika) 

τ

τ

f

a

20

  

lub 

a

aa

f

ff

R

L

R

L

/

 

20

/

=

 (10) 

zatem  

a

f

a

a

ff

R

R

L

L

/

20

 [H] 

(11) 

Uwaga

Powyższa relacja jest słuszna dla silnika o napięciu twornika takim samym jak napięcie 
wzbudzenia. W przypadku różnych napięć należy wyznaczyć wartość indukcyjności wg 
relacji (11), a następnie skorygować jej wartość do poziomu danego napięcia wzbudzenia, 
zakładając, że energia pola magnetycznego obwodu wzbudzenia jest taka sama w obu 
przypadkach.  

Indukcyjność obwodu twornika  

w przypadku braku jej wartości w danych katalogowych, można oszacować następująco: 

n

an

an

a

aa

n

P

I

U

c

L

 

 

 

120

 [H] 

(12) 

gdzie, stała ca

  

przyjmuje wartości: 

• 

w przedziale 0,05...0,07 - dla maszyn bez uzwojenia kompensacyjnego; 

• 

około 0,032 - dla maszyn z uzwojeniem kompensacyjnym. 

Uwaga:  P – oznacza liczbę biegunów maszyny!. 

9.2. Wyznaczanie 

wartości parametrów modelu nieliniowego na podstawie 

danych doświadczalnych 

Indukcyjność rotacji  

wyznacza się na podstawie charakterystyki biegu jałowego (w innej skali charakterystyka magnesowania) 
badanego silnika prądu stałego w stanie pracy prądnicowej. Sposób pomiaru charakterystyki opisano w 
instrukcji do ćwiczenia pt. „Maszyny prądu stałego – silniki” Laboratorium Maszyny Elektryczne I. 

Charakterystykę biegu jałowego, czyli relację między SEM rotacji a prądem wzbudzenia silnika, opisuje 
następująca zależność: 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

21 

rm

 

  

)

(

 )

(

f

f

af

f

a

I

I

G

I

E

=

 

 [V] 

(13a)

 

gdzie, iloczyn 

 

  

)

(

f

f

af

I

I

G

przedstawia strumień wzbudzenia sprzężony z uzwojeniem twornika na 

przestrzeni P/2 podziałek biegunowych. 

Wpływ nasycenia drogi strumienia wzbudzenia na wartość indukcyjności rotacji G

af

 wyraża zapis G

af

 (I

f

), 

który odwzorowuje jej zależność od prądu wzbudzenia I

f

. Po odpowiednim przekształceniu relacji (13a) 

otrzymuje się: 

rm

 

)

(

 

 )

(

 

f

f

a

f

af

I

I

E

I

G

=

 [H] 

(13b) 

Przykładowe przebiegi charakterystyk wg relacji (13a) i (13b) przy 

rm

 = const. pokazano na rys. Z2. 

Wartość G

af

 wyznacza się dla znamionowego prądu wzbudzenia I

fn

.

  

           

If

0A

0.2A

0.4A

0.6A

0.8A

1.0A

1.2A

1.4A

1.6A

1   V(Ea) 2  

V(3)

0V

100V

200V

300V

1

 

   >>

0H

2.0H

4.0H

6.0H

8.0H

2

 

Ean

Ifn

Gaf

Ea

 

Gafn

 Rys. Z2. Przykładowe charakterystyki biegu jałowego (w innej skali charakterystyka magnesowania) i indukcyjności 

rotacji maszyny prądu stałego 

Rezystancje  
obwodu wzbudzenia R

f

 oraz twornika R

a

 można wyznaczyć metodą techniczną (patrz instrukcja do 

ćwiczenia pt. „Maszyny prądu stałego – silniki” Laboratorium Maszyny Elektryczne I). 
Indukcyjności  
obwodów twornika i wzbudzenia wyznacza się doświadczalnie metodą stałych czasowych, polegającej na 
odpowiednim pomiarze przebiegu czasowego narastania lub zanikania prądu w obwodzie typu RL lub RC
Indukcyjność obwodu twornika  
ze względu na jej stosunkowo małą wartość, wyznacza się na podstawie przebiegu czasowego zanikania 
prądu w obwodzie twornika. Przykładowy układ pomiarowy przedstawiono na rys. Z3, w którym obwód 
twornika początkowo jest zasilany ze źródła napięci stałego, a następnie zwarty stycznikiem ST, co 
powoduje zanik prądu i

a

 w obwodzie. Jeśli założy się jednowykładniczy zanik prądu i

a

, to jego przebieg jest 

opisany relacją: 

a

t

a

a

e

I

i

τ

/

)

0

(

=

  

(14) 

gdzie, I

a

(0) – początkowy prąd twornika, t – czas, 

τ

a

 – stała czasowa obwodu twornika.  

Sposób wyznaczania wartości  indukcyjność obwodu typu RL zilustrowano na przykładzie teoretycznego 
przebiegu wg rów. (14) pokazanego na rys. Z4. Jego przebieg wyznaczono za pomocą programu PSPICE dla 
obwodu o danych R=1 

 oraz L=0,5 H, przyjmując wartość początkową prądu I(0)=Ip=10 A. Punktem 

wyjścia do wyznaczenia wartości  L jest określenie stałej czasowej rozważanego obwodu. Jest kilka 
sposobów  jej wyznaczenia. Tutaj, ze względu na dostępną w postprocesorze graficznym PROBE programu 

background image

22 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

PSPICE opcję całkowania krzywej, wybrano sposób wyznaczania na podstawie pola powierzchni pod 
krzywą zanikania prądu.  
Pole powierzchni pod krzywą wg wyrażenia (14), w przedziale czasu od 0 do t

x

, wyznacza następujące 

wyrażenie: 

x

t

t

a

x

t

a

e

I

dt

i

0

/

0

 

 )

0

(

τ

τ

=

  

(15a) 

R

d

i

a

ST

B2

A1

F1

F2

I

f

A

LEM(I)

Karta pomiarowa

(oscyloskop)

A

Do źródła napięcia

stałego

Do 

źród

ła napi

ęcia

sta

łego

M

 

Rys. Z3. . Przykładowy układ pomiarowy do wyznaczania indukcyjność obwodu twornika maszyny prądu stałego na 

podstawie przebiegu czasowego zanikania prądu w obwodzie twornika  

           

Time

0s

0.5s

1.0s

1.5s

2.0s

2.5s

3.0s

3.5s

4.0s

I(R_A) S(I(R_A))

0

5

10

s(Ik)

s(Ip)

Ik

Ip

(3.9018,4.0826m)

(3.9018,4.9979)

(20.000u,99.997u)

(10.000u,10.000)

 

s(Ix)

tx

 i [A]

Ix

i

s(i)

 

Rys. Z4. Ilustracja sposobu wyznaczania wartości indukcyjność obwodu RL na podstawie pola powierzchni pod krzywą 

zanikania prądu – tzw. metodą zastępczej stałej czasowej 

Na rys. Z4 krzywą pierwotną jest przebieg i, a po jego scałkowaniu przebieg s(i). Wartość pola pod krzywą i 
w przedziale czasu od 0 do tx określa wartość rzędnej s(Ix). Natomiast wartość całego pola pod krzywą i dla 
czasu 

t

 praktycznie określa wartość rzędnej s(Ik). Zatem, biorąc pod uwagę wyrażenie (15a), można 

łatwo wykazać, że wartość stałej czasowej przebiegu określona jest następująco: 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

23 

 

5

,

0

10

9979

,

4

)

(

=

Ip

Ik

s

τ

 [s] 

(15b) 

co odpowiada wartości  

 

5

,

0

1

5

,

0

=

=

=

R

L

τ

 [s] 

(16) 

dla przyjętych wartości parametrów rozważanego obwodu. 

Stąd, przy znanej wartość rezystancji R obwodu, można wyznaczyć wartość indukcyjność L z relacji: 

0,5

 

5

,

0

1

=

=

=

τ

R

L

 [H] 

(17) 

Uwaga:

 

Przedstawiony sposób wyznaczania stałej czasowej w literaturze znany jest pod nazwą 
metody zastępczej stałej czasowej, gdyż metodę tą można stosować do wyznaczania stałej 
czasowej przebiegów dwu lub więcej wykładniczych – takimi są przebiegi zanikania prądu 
w obwodach rzeczywistych (efekt zjawiska nasycenia obwodu magnetycznego, zjawisko 
indukowania prądów wirowych, itp.). 

Poniżej przedstawiono zastosowanie, powyżej opisanej metody, do wyznaczania wartości indukcyjności 
obwodu twornika na podstawie pomierzonego przebiegu zanikania prądu twornika (patrz rys. Z5). 

           

Time

0s

50ms

100ms

150ms

200ms

250ms

300ms

350ms

400ms

S(Chan0)

0

5m

10m

SEL>>

s(Iak)

s(Iap)

(400.200m,6.1984m)

(78.505m,4.5286m)

Chan0

0

50m

100m

Iap

(78.505m,57.619m)

 

Ia

s(Ia)

tp

tp

tp

a)

b)

 

Rys. Z5. Przykładowe przebiegi do wyznaczenia indukcyjności obwodu twornika metodą zastępczej stałej 

czasowej: a) pomierzone zanikanie prądu twornika i

a

; b) przebieg s(i

a

)otrzymany po scałkowaniu krzywej i

a

 

Łatwo wykazać, że zastępcza stała czasowa przebiegu określona jest następująco: 

  

98

,

28

619

,

57

5286

,

4

1984

,

6

)

(

)

(

=

m

m

m

Iap

Iap

s

Iak

s

a

τ

 [ms] 

(18) 

Wartość pomierzonej rezystancji obwodu twornika dla badanego silnika wyniosła R

a

 = 3,72 

, zatem 

indukcyjność obwodu twornika wynosi: 

 

81

,

107

72

,

3

98

,

28

=

=

ms

R

L

a

a

aa

τ

[mH] 

background image

24 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

Uwaga: 

Błąd obliczeń wynika głównie z pomięcia rezystancji łącznika ST w układzie pomiarowym. 

Uwaga:

 

Indukcyjność obwodu twornika wyznacza się dla następujących warunków zasilania: 
I

a

(0) = 0,2 I

an

 przy I

f

 I

fn

 

I

a

(0) = 0,2 I

an

 przy I

f

 = 0.4I

fn

 

przy zablokowanym wirniku. 

Indukcyjność obwodu wzbudzenia 
ze względu na jej stosunkowo dużą wartość, można wyznaczyć na podstawie przebiegu czasowego 
narastania prądu w obwodzie wzbudzenia. Przykładowy układ pomiarowy przedstawiono na rys. Z6, w 
którym obwód wzbudzenia jest skokowo załączony do zasilania ze źródła napięcia stałego za pomocą 
stycznika ST, co powoduje wzrost prądu i

f

 w obwodzie. Jeśli założy się jednowykładniczy wzrost prądu i

f

, to 

jego przebieg jest opisany relacją: 

)

1

)(

(

/

f

t

f

f

e

I

i

τ

=

 [A] 

(19) 

gdzie, I

f

(

) – ustalona wartość prądu wzbudzenia, t – czas, 

τ

f

 – stała czasowa obwodu wzbudzenia. 

ST

F1

F2

I

f

LEM(I)

Karta pomiarowa

(oscyloskop)

A

Do 

źród

ła napi

ęcia

sta

łego

B2

A1

M

 

Rys. Z6. . Przykładowy układ pomiarowy do wyznaczania indukcyjność obwodu wzbudzenia maszyny prądu stałego na 

podstawie przebiegu czasowego narastania prądu w obwodzie wzbudzenia 

Na rys. Z7a przedstawiono przykładowy przebieg narastania prądu w obwodzie wzbudzenia a następnie 
wykreślone kolejno przebiegi niezbędne do wyznaczenia indukcyjności obwodu wzbudzenia metodą 
zastępczej stałej czasowej. 

Zastępcza stałą czasowa przebiegu na rys. Z7a została określona analogicznie jak dla przebiegu na rys. Z5a: 

  

64

,

347

332

,

15

789

,

19

119

,

25

m

m

m

f

τ

 [ms] 

(20) 

Wartość pomierzonej rezystancji obwodu wzbudzenia dla badanego silnika wyniosła R

f

 = 621,25 

, zatem 

indukcyjność obwodu wzbudzenia wynosi: 

97

,

215

25

,

621

64

,

347

=

=

ms

R

L

f

f

ff

τ

 [H]  

(21) 

Uwaga: 

Błąd obliczeń wynika głównie z pomięcia rezystancji łącznika ST i źródła napięcia zasilania 
w układzie pomiarowym. 

background image

 Mieczysław RONKOWSKI  

25 

Uwaga:

 

Indukcyjność obwodu wzbudzenia wyznacza się dla następujących warunków zasilania: 

I

f

(

) = I

fn

 przy I

a

 = 0 

I

f

(

) = 0,4 I

fn

 przy I

a

 = 0 

przy otwartym obwodzie twornika. 

           

Time

0s

0.5s

1.0s

1.5s

2.0s

2.5s

3.0s

S(13.7m - Chan0)

0

20m

40m

SEL>>

(3.0010,25.119m)

(1.2825,19.789m)

13.7m-  Chan0

-20m

0

20m

(1.2825,15.332m)

Chan0

-20m

0

20m

(3.0010,13.700m)

 

 

Rys. Z7. Przykładowe przebiegi do wyznaczenia indukcyjności obwodu wzbudzenia metodą zastępczej stałej 

czasowej: a) pomierzone narastanie prądu wzbudzenia i

f

; b) wyznaczone zanikanie prądu wzbudzenia 

(I

f

(

) - i

f

); c) przebieg s(I

f

(

) - i

f

) otrzymany po scałkowaniu krzywej (I

f

(

) - i

f

Moment bezwładności 

zwykle wyznacza się metodą wybiegu. Układ pomiarowy jest analogiczny jak przy wyznaczaniu 
charakterystyki magnesowania silnika. Badany silnik biegnie jałowo i jest zasilany z dwóch niezależnych 
źródeł napięcia, tzn. oddzielnie obwód wzbudzenia i obwód twornika (napięciem znamionowym). Regulując 
wartość prądu wzbudzenia ustalamy znamionową prędkość obrotową silnika, a następnie odłączamy 
zasilanie, ale tylko obwodu twornika, rejestrując jednocześnie przebieg czasowy zanikania prędkości 
obrotowej. 

Na rys. Z8a przedstawiono przykładowy przebieg czasowy zanikania prędkości obrotowej silnika, a 
następnie wykreślone kolejno przebiegi niezbędne do wyznaczenia moment bezwładności układu 
mechanicznego silnika metodą zastępczej stałej czasowej. 

Zastępcza stałą czasowa przebiegu na rys. Z8a została określona analogicznie jak dla przebiegu na rys. Z5a: 

  

574

,

4

300

,

260

992

,

823

0147

,

2

m

m

J

τ

 [s] 

(22) 

Uwaga: 

Jeżeli w czasie pomiaru zanikania prędkości obrotowej nie odłączono maszyny służącej do 
obciążenia silnika, to wyznaczona wartość momentu bezwładności jest łączna dla całego 
zespołu maszynowego. 

Przed wyłączeniem zasilania twornika, celem oszacowania strat mechanicznych maszyny, należy pomierzyć 
napięcie twornika, prąd twornika i prędkość obrotową. Ich wartości dla rozważanej maszyny wyniosły: 

U

a

=217,5V oraz I

a

=0,72A, n=1550 obr/min  

zatem starty mechaniczne: 

background image

26 

Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO 

82

,

110

)

72

,

0

(

72

,

3

72

,

0

5

,

217

2

2

=

=

a

a

a

a

m

I

R

I

U

P

   [W] 

(23) 

a stąd współczynnik tarcia lepkiego 

3

2

2

10

206

,

4

32

,

162

82

,

110

=

=

m

r

m

m

P

B

 [Nm

.

s]  

(24) 

gdzie 

32

,

162

60

/

1550

2

60

/

 

2

=

=

=

π

π

n

mn

r

 [rad/s] 

zatem moment bezwładności 

 

01924

,

0

s

Nm

10

206

,

4

s

574

,

4

3

=

=

m

J

B

J

τ

 [kgm

2

]  

(25) 

Uwaga:  

Wyznaczone straty mechaniczne wg wzoru (23) zawierają także straty w żelazie twornika 
silnika i straty mechaniczne maszyny służącej do obciążenia.
 

 

           

Time

0s

2s

4s

6s

8s

10s

12s

14s

16s

S(Chan1)

0

2.0

4.0

SEL>>

(15.000,2.0147)

(3.0783,823.992m)

Chan1

0

200m

400m

(3.0775,260.300m)

 

 

Rys. Z8. Przykładowe przebiegi do wyznaczenia momentu bezwładności silnika metodą zastępczej stałej 

czasowej: a) pomierzony zanik prędkości obrotowej 

rm

; b) przebieg s(

rm

) otrzymany po scałkowaniu 

krzywej 

rm

 

9.3. 

PYTANIA (POMIARY)

 

1. 

Podaj sposób wyznaczania wartości parametrów dynamicznego modelu obwodowego silnika prądu stałego — 
wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego (rys. 5 wg instrukcji ćw. 2A) na podstawie jego danych 
katalogowych. 

2. 

Wymień, nazwij i opisz metody pomiaru wartości parametrów dynamicznego modelu obwodowego maszyny 
(silnika) prądu stałego — wzorcowego sprzężenia elektromechanicznego (rys. 5 wg instrukcji ćw. 2A). 

3. 

Narysuj układ pomiarowy do wyznaczania indukcyjność rotacji maszyny prądu stałego na podstawie 
charakterystyki magnesowania. Podaj zasady doboru elementów układu. 

4. 

Narysuj układ pomiarowy do wyznaczania indukcyjność obwodu wzbudzenia maszyny prądu stałego na 
podstawie przebiegu czasowego narastania prądu w obwodzie wzbudzenia. Podaj zasady doboru elementów 
układu. 

5. 

Narysuj układ pomiarowy do wyznaczania indukcyjność obwodu twornika maszyny prądu stałego na podstawie 
przebiegu czasowego narastania prądu w obwodzie twornika. Podaj zasady doboru elementów układu. 

6. 

Narysuj układ pomiarowy do wyznaczania momentu bezwładności silnika metodą wybiegu. Podaj zasady 
doboru elementów układu.