background image

 

OPISY WICZENIE 3 

 

 

 

 

BADANIE MASZYN PR DU STAŁEGO 

 

 

 

 

 

 

 

WPROWADZENIE 

1.       Zasada działania maszyn pr du stałego. 

2.       Pr dnice pr du stałego. 

2.1.    Pr dnice samowzbudne. 

2.1.1. Pr dnica samowzbudna bocznikowa. 

3.       Silniki pr du stałego. 

3.1.    Rozruch silników pr du stałego. 

3.2.    Silnik bocznikowy. 

 

WYKONANIE  WICZENIA 

4.1.    Badanie silnika bocznikowego. 

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

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

4.2.    Wyznaczenie charakterystyki zewn trznej pr dnicy. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

WPROWADZENIE 

 

1.  Zasada działania maszyn pr du stałego. 

 

 

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

pracowa  w zakresie pracy pr dnicowej – przetwarzaj c energi  

mechaniczn  na elektryczn , lub w zakresie pracy silnikowej – 

przetwarzaj c energi  elektryczn  na mechaniczn . 

 

Maszyna elektryczna składa si  z dwóch podstawowych cz ci. 

Cz

 maszyny, w której powstaje pole magnetyczne, nosi nazw  

magne nicy, natomiast ta cz

, w której wytwarza si  siła 

elektromotoryczna nosi nazw  twornika. W maszynach pr du stałego 

magne nic  jest nieruchoma cz

 maszyny – stojan, natomiast twornikiem 

jest cz

 wiruj ca – wirnik. Podstawowe cz ci maszyny przedstawione 

s  na schemacie (rys.1.) 

 

Rys. 1 Podstawowe cz ci maszyny pr du stałego. 

 

 

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

stalowego lub  eliwnego oraz biegunów, na których umocowane s  cewki 

wzbudzaj ce. Pr d magnesuj cy I

m

 , przepływaj cy przez uzwojenia cewek 

wzbudzaj cych, wytwarza strumie  magnetyczny ø

m

, który zamyka si  

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

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

m

/2 , przebiegaj ce 

w dwóch równoległych obwodach magnetycznych. 

background image

 

 

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

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

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

osi wirnika, w których umieszczone jest uzwojenie wykonane z 

miedzianych przewodów izolowanych. 

 

Przy wirowaniu wirnika w polu magnetycznym zachodz  w 

maszynie pr du stałego dwa podstawowe zjawiska: 

 

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

warto ci okre lonej wzorem: 

E = k ø n 

gdzie: ø – strumie  magnetyczny 

           n - pr dko  obrotowa 

           k – współczynnik ujmuj cy stałe wielko ci zale ne od 

konstrukcji maszyny (ilo  par biegunów, wymiary uzwojenia 

twornika)    

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

 

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

mechaniczna o warto ci okre lonej wzorem: 

F = B I l 

gdzie: B – indukcja magnetyczna 

           I – nat enie pr du w przewodach twornika 

           l – długo  przewodu 

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

lewej r ki. 

 

 

Siły mechaniczne działaj ce na przewody wirnika powoduj  

powstanie momentu elektromagnetycznego, który przy pracy pr dnicowej 

jest skierowany przeciwnie do kierunku wirowania. Dla pokonania tego 

mementu trzeba do wału pr dnicy dostarczy  energii mechanicznej od 

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

elektryczn . 

 

Przy pracy silnikowej natomiast, moment elektromagnetyczny ma 

kierunek zgodny z kierunkiem wirowania, jest wi c momentem 

nap dowym, pod wpływem którego energia elektryczna jest zmieniona na 

energi  mechaniczn , dostarczan  przez silnik nap dzanej maszyny 

roboczej. 

 

 

background image

 

 

Przy wirowaniu twornika w nieruchomym polu magnetycznym 

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

uzwojenia twornika indukuje si  wi c SEM przemienna o przebiegu 

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

wirowania twornika.  

 

W celu przetworzenia SEM przemiennej indukowanej w przewodach 

wirnika na SEM jednokierunkow , stasuje si  urz dzenie zwane 

komutatorem. Dla pojedynczej cewki jednozwojowej, zło onej z dwóch 

boków rozmieszczonych  rednicowo w  łobkach twornika, najprostszy 

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

odizolowane od siebie (rys.2) 

 

 

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

b) widok perspektywistyczny 

 

 

 

Do komutatora przylegaj  szczotki, oznaczone literami A i B, 

których zadaniem jest poł czenie elektryczne wiruj cego uzwojenia z 

nieruchomym obwodem zewn trznym. Dla zapewnienia dobrego styku o 

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

elektrotechnicznego, który łatwo dociera si  do powierzni komutatora, nie 

niszcz c przy tym tej powierzchni. 

 

Prosty układ twornika z jedn  cewk  i dwoma wycinkami 

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

stosowany. Dla otrzymania pr du o bardziej wygładzonym przebiegu 

background image

 

stasuje si  uzwojenia tworników o du ej liczbie cewek rozmieszczonych w 

licznych  łobkach na obwodzie twornika, poł czonych z komutatorem o 

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

niewielkich pulsacjach, zbli ony do pr du otrzymanego ze  ródł 

galwanicznych. 

 

 

3.  Pr dnica pr du stałego. 

 

 

W zale no ci od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzenia rozró nia 

si  nast puj ce rodzaje pr du stałego: 

- obcowzbudne 

- samowzbudne bocznikowe 

- samowzbudne szeregowe 

- samowzbudne szeregowo – bocznikowe 

 

Pr dnice obcowzbudne potrzebuj  odr bnego  ródła pr du stałego do 

ich wzbudzenia. W pr dnicach samowzbudnych uzwojenie wzbudzenia 

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

indukowana w uzwojeniu twornika pr dnicy jest proporcjonalna do 

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

SEM reguluj c jedn  z tych dwóch wielko ci. 

 

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

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

magnesuj cy I

m

). 

 

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

zale no  SEM (E

0

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

charakterystyki biegu jałowego E = f (I

m

) (rys.3). 

 

Rys. 3 Charakterystyka biegu jałowego pr dnicy pr du stałego 

Na podstawie przebiegu takiej charakterystyki mo na wyci gn  szereg 

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

wi c okre li  zakres zmienno ci pr du I

m

 i odpowiadaj ce mu warto ci E

0

 

background image

 

oraz warto ci wzbudzenia, przy którym w obwodzie magnetycznym 

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

w pobli u zagi cia charakterystyki. Po przekroczeniu znamionowej 

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

bardzo nawet du ym zwi kszeniu wzbudzenia. 

 

 

2.1. Pr dnice samowzbudne. 

 

 

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

twornika. 

 

W rdzeniu biegunów pr dnicy niepracuj cej istnieje zazwyczaj 

strumie  szcz tkowy ø

sz

 po poprzednich stanach magnesowania, 

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

elektromotoryczn . 

 

Wzbudzenie si  pr dnicy samowzbudnej polega na tym,  e ta 

niewielka szcz tkowa SEM wytwarza pocz tkowo niewielki pr d 

magnesuj cy I

m

, który płyn c przez uzwojenie wzbudzenia powi ksza 

strumie  magnetyczny. Zwi kszony strumie  magnetyczny indukuje 

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

itd. 

 

WARUNKI SAMOWZBUDZENIA. 

 

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

warunki: 

W obwodzie magnetycznym pr dnicy musi istnie  magnetyzm 

szcz tkowy. Nowo wyprodukowan  maszyn  trzeba wst pnie 

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

obwód magnetyczny zostanie rozmagnesowany to tak e trzeba go 

namagnesowa  z obcego  ródła. 

Uzwojenie wzbudzenia musi by  poł czone z twornikiem maszyny 

w ten sposób, aby pr d magnesuj cy I

m

 wytwarzał strumie  

magnetyczny o kierunku zgodnym z kierunkiem strumienia 

szcz tkowego. 

Aby pr dnica wzbudziła si  opór obwodu magnesuj cego musi mie  

warto  mniejsz  od warto ci krytycznej. 

 

Aby pr dnica samowzbudna si  wzbudziła wszystkie trzy wymienione 

wy ej warunki samowzbudzenia musz  by  spełnione równocze nie. 

 

background image

 

 

2.1.1. Pr dnica samowzbudna bocznikowa. 

 

 

Jest najcz ciej stosowanym rodzajem pr dnicy pr du stałego. 

Uzwojenie wzbudzenia tej pr dnicy jest przył czone do twornika, 

równolegle do obwodu obci enia (rys. 4 ). 

 

Rys. 4 Schemat poł cze  pr dnicy bocznikowej 

 

 

Wytworzony w tworniku pr d I

t

 rozdziela si  na zaciskach pr dnicy 

na dwa pr dy: pr d wzbudzenia I

m

 i pr d obci enia I, a zatem: 

I

t

 = I + I

 

 

 

Napi cie na zaciskach pr dnicy równa si  sile elektromotorycznej E 

zmniejszonej o spadek napi cia na oporze wewn trznym: 

U = E – R

tc

  I

t

 

gdzie: R

ct 

jest rezystancj  całkowit  obwodu twornika. 

 

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

wyznacza si  przy stałej warto ci oporu regulacyjnego R

reg

 = const i przy 

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

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

t

 · R

tc

Wskutek zmniejszenia si  napi cia na szczotkach maleje równie  pr d 

wzbudzenia I

m

 pobierany z pr dnicy. Powoduje to dodatkowe zmniejszenie 

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

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

pr dnicy maleje tak znacznie,  e dalsze zmniejszanie rezystancji opornika 

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

charakterystyczne dla pr dnicy bocznikowej zagi cie charakterystyki 

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

punkcie odpowiadaj cym pr dowi zwarcia. 

 

background image

 

 

3. Silniki pr du stałego. 

 

 

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

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

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

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

polu o indukcji B działa siła mechaniczna okre lona wzorem: 

F = B I  l 

 

Pod wpływem wszystkich sił F działaj cych na przewody wirnika, 

powstaje moment obrotowy M, powoduj cy obracanie si  wirnika z 

pr dko ci  obrotow  n w kierunku działania tego momentu: 

M = r   F 

gdzie: r jest promieniem wirnika 

 

Przy pracy silnikowej do nieruchomego twornika jest doprowadzone 

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

I

t

 = U / R

tc

 

który działaj c na pole magnetyczne biegunów wytworzy moment 

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

powstaje SEM wg równania: 

E = k ø n 

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

maszyny). 

 

Ta SEM wzrasta ze wzrostem pr dko ci obrotowej i 

przeciwdziała napi ciu przyło onemu do zacisków twornika. Poniewa  

spadek napi cia w uzwojeniu R

t

I

tc

 równie  przeciwdziała napi ciu, wi c 

dla silnika obowi zuje zale no : 

U = E + R

ct

 I

t

 

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

na pr dko  obrotow  silnika: 

n = (U-R

ct

I

t

)/(k ø) 

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

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

silnika okre lonego pr dem twornika. 

3.1.  Rozruch silników pr du stałego. 

 

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

E=0 wobec tego twornik pobiera pr d zwarcia I

tz

 

 

U = E + R

tc

I

t

       I

tz

 = U/R

tc

 

background image

 

  Poniewa  opór R

tc 

jest bardzo mały, wi c I

tz

 jest bardzo du y, 

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

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

adnych dodatkowych oporów na pełne napi cie sieci mógłby 

spowodowa  uszkodzenie uzwojenia twornika, komutatora i szczotek 

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

obwód twornika przy rozruchu dodatkowe opory rozruchowe Rd, 

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

2-krotnej warto ci pr du znamionowego silnika 

I

r

 = U / (R

tc

 + R

d

)     2 I

n

 

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

pr d rozruchowy zaczyna si  zmniejsza  wg równania: 

I

r

 = (U – E) / (R

tc

 + R

d

Opornik rozruchowy, wł czony szeregowo z wornikiem silnika, zwany 

krótko 

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

 

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

rozruchowym 

3.2.  Silnik bocznikowy. 

 

  Najszersze, praktyczne zastosowanie ma silnik bocznikowy, w 

którym uzwojenie wzbudzenia (biegunów głównych) jest przył czone 

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

background image

 

10 

 

Rys. 6 Schemat poł cze silnika bocznikowego 

 

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

t

 i pr du 

wzbudzenia I

m

 

I = I

+ I

m

 

W obwodzie wzbudzenia zaznaczony jest opornik regulacyjny R

reg  

do 

regulacji pr du wzbudzenia (strumienia ø

m

). Jednak zazwyczaj silniki te 

pracuj  przy stałym wzbudzeniu I

m

 = const. 

WYKONANIE  WICZENIA 

 

4.1. Badanie silnika bocznikowego. 

 

 

Celem badania silnika bocznikowego jest poznanie wła ciwo ci 

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

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

wzbudzenia n = f (I

m

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

zasilania n = f (U). 

 

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

wzbudzenia n = f (I

m

). 

 

 

Zale no  pr dko ci obrotowej od pr du wzbudzenia wyznaczamy 

dla silnika przy biegu jałowym. Układ poł cze  do wyznaczania 

charakterystyki n = f (I

m

) przedstawiony jest na rys. 7. 

background image

 

11 

 

Rys. 7 Schemat poł cze  przy badaniu silnika bocznikowego 

 

Przy biegu jałowym na silnik działa jedynie niewielki moment strat 

wi c pr d twornika I

t

 jest niewielki i znacznie mniejszy od pr du 

znamionowego; spadek napi cia na tworniku R

tc

I

t

 mo na pomin . 

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

podstawow  zale no  n = (U-R

tc

I

t

) / (k ø) mo emy sprowadzi  do wzoru: 

n = U / (k I

m

co wskazuje na hiperboliczny charakter zale no ci. 

 

Zale no  pr dko ci obrotowej silnika bocznikowego od pr du 

wzbudzenia wyznaczamy dla U = const i I

t

 = const. 

 

Po uruchomieniu nieobci onego silnika, napi cie zasilania 

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

zakresie od I

max (gdy opornik reguluj cy jest zwarty) poprzez 

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

m

 

wykonujemy pomiar pr dko ci obrotowej silnika. 

 

W oparciu o wykonane pomiary nale y wykre li  charakterystyk  n 

= f (I

m

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

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

 

 

background image

 

12 

4.1.2. Wyznaczanie zale no ci pr dko ci obrotowej silnika 

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

 

 

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

przy biegu jałowym przy: I

m

 = const i I

t

 = const. Układ poł cze  do 

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

 

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

pomin  wpływ oddziaływania twornika oraz spadek napi cia R

tc

 I

t

 

st d:  n = U / (k ø) = k

1

 U 

 

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

jest wi c proporcjonalna do napi cia. 

 

Przy pomiarze charakterystyki napi cie na tworniku nale y zmienia  

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

pr d wzbudzenia I

m

, aby przy znamionowym napi ciu    U = U

N

 pr dko  

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

wykonujemy pomiar pr dko ci obrotowej silnika. 

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

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

obci onego i wyja ni  ró nice w ich przebiegu. 

 

4.2. Badanie pr dnicy samowzbudnej bocznikowej. 

 

 

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

zwi zanymi z uruchomieniem pr dnicy bocznikowej pr du stałego a 

ponadto zbada  jej zachowanie si  przy zmianach obci enia. 

 

Jak wcze niej było podane, warunkiem samowzbudzenia pr dnicy 

jest istnienie magnetyzmu szcz tkowego i odpowiedni kierunek wirowania 

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

nast pi zanik magnetyzmu szcz tkowego nale y przy pomocy obcego 

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

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

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

background image

 

13 

 

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

 

Pr dnic stosowana w  wiczeniu jest mechanicznie sprz gni ta z 

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

Poł czenie mechaniczne wykonane jest w postaci sprz gła ciernego. 

 

 

4.2.1. Wyznaczanie charakterystyki zewn trznej pr dnicy. 

 

 

Charakterystyka zewn trzna przedstawia zale no  napi cia na 

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

obrotowej – równej znamionowej): 

U = f (I) 

przy n = const oraz przy stałej rezystancji wzbudzenia: r

m

 =const. Analiza 

tej charakterystyki przedstawiona została we wst pie niniejszego 

opracowania. 

Układ poł cze  do wyznaczenia charakterystyki zewn trznej pr dnicy 

przedstawiony jest na rys. 9. 

background image

 

14 

 

Rys. 9 Schemat przy badaniu pr dnicy samowzbudnej bocznikowej 

 

Pomiary rozpoczyna si  od uruchomienia pr dnicy na biegu jałowym i 

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

bocznikowym pr du stałego. 

 

Utrzymuj c stał  warto  pr dko ci obrotowej oraz niezmienn  

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

kolejne  arówki o mocy 40W. 

 

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

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

(I) o omówi  jego przebieg.