Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
1
BADANIE MASZYN PRĄDU STAŁEGO
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady funkcjonowania i właściwości maszyn
prądu stałego. W części opisowej omówiono przebieg podstawowych charakterystyk maszyn
i metody regulacji prędkości obrotowej silnika.
1. Wprowadzenie
Komutatorowe maszyny prądu stałego stosuję się w nowoczesnych układach
napędowych o szerokim zakresie płynnej regulacji obrotów. Największe zastosowanie w tych
układach znajduje prądnica obcowzbudna ze względu na duży zakres regulacji napięcia oraz
silnik obcowzbudny charakteryzujący się dużym zakresem regulacji obrotów i stosunkowo
sztywną charakterystyką momentu.
Jednoczesne wykorzystanie dobrych własności obydwu maszyn występuje w układzie
Leonarda, który umożliwia ekonomiczną i płynną regulację prędkości w szerokim zakresie.
Układ Leonarda posiada różne rozwiązania. W najprostszym wykonaniu obwody wzbudzenia
są zasilane ze wzbudnicy a prąd wzbudzenia regulowany opornikami, w wykonaniu
nowoczesnym, obwody wzbudzenia zasilane są z przekształtników sterowanych.
2. Podstawowe charakterystyki prądnicy obcowzbudnej
Charakterystyka biegu jałowego
Charakterystyka biegu jałowego jest to zależność napięcia indukowanego U
0
przy biegu
jałowym w funkcji prądu wzbudzenia I
w
(lub przepływu wzbudzenia) przy n=const, I=0.
Charakterystyka ta służy do oceny stanu nasycenia obwodu magnetycznego.
Rys.1. Charakterystyka biegu jałowego przy zmianach prądu wzbudzenia
w zakresie 0 → +I
w
→ 0 → +I
w
Oznaczenia:
U
sz
– napięcie indukowane strumieniem szczątkowym.
1 – charakterystyka pierwotnego magnesowania.
2 – charakterystyka otrzymana przy zmianie I
w
od I
w max
→ 0.
3 – charakterystyka otrzymana przy zmianach I
w
od 0 do I
w max
w przypadku istnienia
magnetyzmu szczątkowego.
Charakterystyka biegu jałowego prądnicy rys.1 posiada właściwą jej pętlę histerezy,
uwarunkowaną, istnieniem w obwodzie magnetycznym prądnicy elementów posiadających
wyraźną pętlę histerezy.
Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
2
Przy zdejmowaniu charakterystyki należy pamiętać, że nie wolno doregulowywać prądu
wzbudzenia w kierunku wstecznym do obranego dla danej gałęzi charakterystyki, gdyż
spowodowałoby to wprowadzenie dodatkowych lokalnych pętli histerezy i zniekształcenie
pomiaru.
Charakterystyka zewnętrzna
Charakterystyka zewnętrzna jest to zależność napięcia na zaciskach prądnicy U od prądu
obciążenia I przy stałej rezystancji R
w
w obwodzie wzbudzenia i przy n=const.
Rys.2. Charakterystyka zewnętrzna prądnicy
Na podstawie charakterystyki U = f ( I ) wyznacza się zmienność napięcia prądnicy
- dla prądnic obcowzbudnych: ∆U%= 5÷10 %
Charakterystyka regulacyjna
Charakterystyka regulacyjna jest to zależność prądu wzbudzenia I
w
w uzwojeniu
obcowzbudnym od prądu obciążenia I przy stałym napięciu U na zaciskach prądnicy,
I
w
= f ( I ) dla U = const ,
n = const.
Rys.3. Charakterystyka regulacyjna
Charakterystyka regulacyjna służy do oceny wymaganego zakresu regulacji prądu
wzbudzenia przy przejściu od biegu jałowego do obciążenia znamionowego przy stałym
napięciu na zaciskach prądnicy.
Pomiar charakterystyki regulacyjnej przeprowadza się przy stałej prędkości obrotowej,
zwiększając prąd obciążenia od 0 ÷ 1,5 I
n
i z powrotem do 0.
Przez cały czas pomiaru reguluje się prąd wzbudzenia tak, aby wartość napięcia była
niezmienna i równa znamionowej.
Charakterystyka regulacyjna ma pętlę histerezy. Jej gałąź wzrastająca jest górna, a opadająca
dolna; linią kreskową oznacza się charakterystykę wypośrodkowaną.
100
0
0
0
0
0
∗
−
=
∆
n
n
U
U
U
U
Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
3
3. Podstawowe charakterystyki silnika obcowzbudnego prądu stałego
Charakterystyka mechaniczna
Wykres zależności momentu napędowego silnika od jego prędkości obrotowej,
M = f (n), nazywa się charakterystyką mechaniczną. Przebieg M = f (n) jest charakterystyką
statyczną, gdyż nie uwzględnia momentów dynamicznych występujących przy rozruchu lub
przy hamowaniu silnika.
Oznaczenia:
n
0
– obroty idealnego biegu
jałowego
M
r
– moment rozruchowy
początkowy
Rys.4. Charakterystyka mechaniczna silnika
Moment obrotowy rozwijany przez silnik jest proporcjonalny do strumienia magnetycznego
w szczelinie powietrznej i do prądu twornika
M = k
m
⋅⋅⋅⋅Φ
Φ
Φ
Φ⋅⋅⋅⋅I
t
.
Zależność pomiędzy momentem i mocą mechaniczną:
gdzie:
M – moment mechaniczny na wale w kGm,
n – prędkość obrotowa w obr/min,
P – moc mechaniczna w kW.
Prędkość obrotowa silnika jest wprost proporcjonalna do różnicy napięcia zasilania i spadku
napięcia w obwodzie twornika i odwrotnie proporcjonalna do strumienia magnetycznego.
3.1. Regulacja prędkości obrotowej silnika
Regulacją prędkości obrotowej silnika nazywa się wymuszone zmiany obrotów
uzyskiwane przez odpowiednie oddziaływanie na parametry samego silnika lub układu jego
zasilania. Pojęciem regulacji nie są objęte zjawiska samoczynnego zmniejszania się lub
zwiększania prędkości obrotowej silnika spowodowane zmianami obciążenia i wynikające z
przebiegu charakterystyki mechanicznej silnika.
Każdy sposób regulacji prędkości obrotowej jest charakteryzowany następującymi
czynnikami:
zakresem regulacji
kierunkiem regulacji
płynnością regulacji
ekonomicznością regulacji
hamownicza
praca
-
4
2
odcinek
pradnicowa
praca
-
3
1
odcinek
silnikowa
praca
-
2
1
odcinek
n
P
M
⋅
=
4
,
973
Φ
⋅
⋅
−
=
e
t
t
k
I
R
U
n
Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
4
statecznością pracy przy danej regulacji (stateczność jest tym większa, im bardziej
prędkość silnika nie zależy od momentu obciążenia)
dopuszczalnym obciążeniem przy danym zakresie regulacji (głównym czynnikiem
ograniczającym obciążenie jest pogorszenie się chłodzenia przy obniżaniu się
prędkości silnika z przewietrzaniem własnym, poza tym należy pamiętać, że przy
regulacji przy stałym momencie moc P = c
⋅
M
⋅
n).
Możliwość płynnej regulacji obrotów silnika obcowzbudnego w szerokim zakresie wynika z
równania charakterystyki mechanicznej:
Prędkość obrotową można regulować zmieniając napięcie U na zaciskach twornika silnika,
zmieniając opór dodatkowy włączony w szereg z twornikiem R
d
oraz strumień
magnetyczny
Φ
.
Najczęściej stosuje się ze względów ekonomicznych regulację obrotów przez zmianę U i
Φ
.
Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę napięcia
Ten sposób regulacji prędkości obrotowej charakteryzuje się następującymi parametrami:
regulacja w dół,
zakres około 10 : 1,
sztywność charakterystyki nie ulega zmianie,
regulacja jest ekonomiczna pod warunkiem zastosowania ekonomicznego sposobu
regulacji napięcia,
regulacja odbywa się przy stałym prądzie i strumieniu magnetycznym, a więc stałym
momencie.
Rys.5. Charakterystyka mechaniczna silnika dla różnych wartości napięcia zasilającego
Regulacja prędkości obrotowej przez osłabienie strumienia
Ten sposób regulacji obrotów charakteryzuje się:
ograniczonym zakresem regulacji max 1 : 1,6 (ze względu na wytrzymałość
mechaniczną, zmniejszenie sztywności charakterystyk, zwiększenie oddziaływania
twornika, pogorszenie się komutacji),
regulacja odbywa się przy stałej mocy,
regulacja jest ekonomiczna.
(
)
Φ
⋅
+
⋅
−
=
e
d
t
t
k
R
R
I
U
n
Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
5
Rys.6. Charakterystyka mechaniczna silnika n = f (M) dla różnych wartości strumienia
4. Badania laboratoryjne maszyn elektrycznych
4.1. Opis stanowiska
Stanowisko
laboratoryjne
przeznaczone
jest
do
pomiarów
charakterystyk
elektromechanicznych prądnicy i silnika prądu stałego.
Rys. 7. Schemat ideowy układu napędowego
Stanowisko pomiarowe zasilanie jest napięciem trójfazowym 3
×
230 V z tablicy nr 5.
W celu załączenia układów elektrycznych stanowiska należy załączyć wyłącznik pakietowy
na pulpicie sterowniczym (załączenie napięcia sygnalizowane jest lampką neonową).
Poszczególne maszyny oraz opornik wodny załączane są za pomocą styczników
sterowanych przyciskami umieszczonymi na płycie pulpitu. Stan załączenia styczników
sygnalizowany jest lampkami rozmieszczonymi na schemacie ideowym umieszczonym na
pulpicie. Przy pomocy układu sterowania stycznikowo – przekaźnikowego można dokonać
również zmiany biegunowości wzbudzenia prądnicy oraz zmiany biegunowości
amperomierza do pomiaru prądu obciążenia.
Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
6
4.2. Wykonanie pomiarów
1. Pokrętło regulacji prądu wzbudzenia prądnicy ustawić w lewym skrajnym
położeniu.
2. Za pomocą czerwonych przycisków sprawdzić, czy są wyłączone styczniki od
załączenia prądu wzbudzenia prądnicy i opornika wodnego.
3. Przełącznikiem pakietowym włączyć zasilanie stanowiska.
4. Za pomocą stacyjki załączyć główny silnik napędowy M.
Wyznaczanie charakterystyk prądnicy
Dane znamionowe prądnicy:
typ PZBb 22b
P = 0,4 kW
Pomiar charakterystyki biegu jałowego prądnicy
Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów należy prądnicę rozmagnesować. W
tym celu należy załączyć silnik napędowy główny M oraz załączyć dowolny stycznik w
obwodzie wzbudzenia prądnicy i nastawić maksymalną wartość prądu wzbudzenia, następnie
zmniejszyć do około 0,06 A i załączyć drugi stycznik. Po zmniejszeniu prądu do 0 wyłączyć
stycznik, uzyskuje się w ten sposób praktycznie całkowite rozmagnesowanie prądnicy.
Po rozmagnesowaniu prądnicy należy wykonać pomiar napięcia U
0
przy zmianach
prądu wzbudzenia w zakresie 0 +I
w
0 +I
w
, wyniki pomiarów notować w tablicy.
I
w
A
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
U
0
V
159,3 169,2
I
w
A
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
U
0
V
161 169,2
I
w
A
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
U
0
V
159 169,2
Na podstawie wyników pomiarów należy wykonać wykres U
0
= f (I). Na wykresie oznaczyć
wartość U
sz
.
Pomiary charakterystyki zewnętrznej
Nastawić znamionową wartość prądu wzbudzenia prądnicy.
Załączyć opornik wodny i zmieniając obciążenie notować wartości napięcia prądnicy.
I
A
0
1
2
3
3,38
5
6
U
V
Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić U = f (I) oraz wyznaczyć
∆
U%.
Pomiary charakterystyki regulacyjnej
Należy tak regulować prąd wzbudzenia, aby przy zmianach prądu obciążenia utrzymać stałe
napięcie U = 115 V.
I
A
0
1
2
3
3,38
5
6
I
w
A
I
A
0
1
2
3
3,38
5
6
I
w
A
=
=
A
38
,
3
I
V
115
U
twornik
t
t
=
=
A
47
,
0
I
V
115
U
wzbudz.
w
w
Politechnika Warszawska, IIM w Płocku - Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
7
Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić I
w
= f (I).
Wyznaczanie charakterystyk silnika
Dane znamionowe silnika:
typ PZBb 22b
P = 0,5 kW
Regulacja prędkości obrotowej silnika w funkcji zmian napięcia
Zmieniając napięcie zasilania silnika przy stałej wartości wzbudzenia silnika I
w
= 0,51 A
odczytać obroty. Regulację wykonać dla obydwu kierunków wirowania silnika. Zmianę
kierunku wirowania otrzymujemy przez zmianę biegunowości wzbudzenia prądnicy.
I
w
= 0,46 A
U
V
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Kierunek
wirowania
w prawo
n
obr/
min
Kierunek
wirowania
w lewo
n
obr/
min
Na podstawie wyników pomiarów wykreślić n = f ( U ).
Regulacja prędkości obrotowej silnika w funkcji zmian prądu wzbudzenia silnika
Regulację przeprowadzić bez obciążenia mechanicznego (wzbudzenie hamulca nastawić na
zero).
Zmieniając prąd wzbudzenia przy stałej wartości
U = 110 V
odczytywać obroty silnika.
I
w
A
0,46
0,42
0,38
0,34
0,3
n
obr/min
Na podstawie wyników pomiarów wykreślić n = f (I
w
).
=
=
A
6,3
I
V
110
U
twornik
t
t
=
=
A
0,51
I
V
110
U
wzbudz.
w
w