ĆWICZENIE 13

STRATY MOCY I SPRAWNOŚĆ SILNIKA BOCZNIKOWEGO PRĄDU STAŁEGO

• Program ćwiczenia

• Pomiar rezystancji uzwojeń silnika.

• Pomiar strat jałowych.

• Pomiar strat mechanicznych w funkcji prędkości obrotowej.

• Wyznaczenie sprawności.

• Cel pomiarów

Sprawność maszyny można wyznaczyć metodą bezpośrednią lub metodą strat poszczególnych. Druga z nich jest dokładniejsza i zalecana szczególnie do maszyn dużej mocy. Metoda strat poszczególnych polega na pomiarowym wyznaczeniu strat jałowych i obliczeniu strat obciążeniowych. Straty jałowe maszyny prądu stałego można wyznaczyć metodą prądnicową lub metodą silnikową, niezależnie od tego, czy maszyna jest prądnicą czy silnikiem.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie sprawności silnika bocznikowego prądu stałego metodą strat poszczególnych, przy czym straty jałowe wyznacza się metodą silnikową. Wartość znamionową sprawności porównuje się z wartością podaną przez wytwórcę, sprawdzając czy odchyłka mieści się w granicach podanych przez normę. Dopuszczalne odchyłki sprawności zależą od metody pomiaru i mocy maszyny.

• Omówienie programu ćwiczenia

1. Pomiar rezystancji uzwojeń silnika

Rezystancja uzwojeń w obwodzie twornika maszyny zimnej (w temperaturze otoczenia) należy zmierzyć metodą techniczną, a następnie przeliczyć zmierzoną wartość na umowną temperatura pracy.

2. Pomiar strat jałowych

Straty mocy w maszynie prądu stałego można podzielić na: mechaniczne, podstawowe w rdzeniu, podstawowe w uzwojeniach obwodu twornika, przejścia szczotka - komutator, w uzwojeniu wzbudzenia oraz dodatkowe w uzwojeniu i rdzeniu.

Suma strat mechanicznych ΔP_m i strat w rdzeniu ΔP_Fe stanowi straty jałowe ΔP₀. Wyznacza się je z mocy pobieranej przy biegu jałowym przez odjęcie strat obciążeniowych wywołanych prądem I_t biegu jałowego


(13.1)

Pomiary wykonuje się w układzie przedstawionym na rys. 13.1. Po uruchomieniu silnika zmienia się napięcie twornika w granicach od 1,3·U_n do takiej wartości, przy której przez regulację prądu wzbudzenia można jeszcze utrzymać stałą prędkość obrotową. Kolejne punkty pomiarowe ustala się przez obniżanie napięcia opornikiem w obwodzie twornika. Prędkość obrotowa wówczas zmniejsza się. Przez zmniejszenie prądu wzbudzenia zwiększa się prędkość do poprzedniej zadanej wartości. Pomiary należy wykonać dla znamionowej prędkości obrotowej n_n = const, a wyniki zestawić w tabeli 13.1.




Rys. 13.1. Układ połączeń do pomiaru strat jałowych

Tabela 13.1

Lp.

Ut

It

If

It·Rtc

It^2·Rtc

esz

It·esz

ΔP0

E

E^2

ΔPm

Uwagi

V

A

A

V

W

V

W

W

V

V^2

W

n = nn

n = 1,2·nn

n = 0,8·nn

n = 0,6·nn

Straty jałowe oblicza się ze wzoru 13.1, a SEM E z zależności


(13.2)

Prąd biegu jałowego jest niewielki w stosunku do prądu znamionowego, można więc przyjąć, że uzwojenie nie nagrzewa się i ma temperaturę otoczenia. W obliczeniach ΔP₀ i E należy użyć wartości R_tc maszyny zimnej. Trzeba też zwrócić uwagę na fakt, że jeśli prąd jest mniejszy od 0,25 I_n, to spadek napięcia na oporze przejścia szczotka - komutator zmienia się liniowo w funkcji prądu.

Obliczone straty jałowe i SEM umożliwiają sporządzenie charakterystyki strat jałowych ΔP₀ = f(E) (rys. 13.2) oraz rozdzielenie ich na straty mechaniczne i straty w rdzeniu (w żelazie).

Metoda silnikowa pomiaru strat jałowych nie pozwala na wykonanie pomiarów dla zbyt niskich napięć, gdyż nie można wówczas utrzymać stałej prędkości obrotowej. Aby wyznaczyć straty mechaniczne, należy określić straty jałowe przy E = 0. W tym celu ekstrapoluje się krzywą ΔP₀ = f(E) do przecięcia z osią rzędnych. Charakterystyka ΔP₀ = f(E) zbliżona jest do paraboli. Wykreślając zależność strat ΔP₀ od E², uzyskuje się linię prostą. Ekstrapolacja prostej do osi rzędnych wyznacza początkowy punkt charakterystyki strat jałowych, a więc wartość strat mechanicznych ΔP_m. Aby dokładnie wyznaczyć te straty, należy wykonać około 12 pomiarów.




Rys. 13.2. Straty jałowe

3. Pomiar strat mechanicznych w zależności od prędkości obrotowej

Straty mechaniczne w maszynie prądu stałego składają się ze strat tarcia w łożyskach, strat wentylacyjnych i strat tarcia szczotek o komutator. Straty wentylacyjne to straty tarcia wirnika o czynnik chłodzący (najczęściej powietrze) oraz straty w wentylatorze. Straty tarcia w łożyskach są dla łożysk ślizgowych proporcjonalne do
, a dla łożysk tocznych do n. Straty tarcia szczotek o komutator są proporcjonalne do n, a straty wentylacyjne do n³. Straty mechaniczne nie zależą od obciążenia i przy stałej prędkości obrotowej maszyny mają wartość stałą.




Rys. 13.3. Straty mechaniczne

Pomiary charakterystyk strat jałowych dla różnych prędkości obrotowych umożliwiają wyznaczenie zależności strat mechanicznych od prędkości obrotowej. W ćwiczeniu należy wykonać pomiary dla prędkości n = (0,6; 0,8; 1,0; 1,2)·n_n, wyznaczyć straty mechaniczne i wykreślić charakterystykę ΔP_m = f(n) (rys. 13.3). Pomiary wykonuje się w układzie przedstawionym na rys. 13.1, a ich wyniki zestawia w tabeli 13.1.

4. Wyznaczenie sprawności

Sprawność silnika jest stosunkiem mocy na wale do mocy pobranej z sieci. Moc pobrana jest to iloczyn napięcia i prądu twornika, natomiast moc oddana jest różnicą mocy pobranej i całkowitych strat mocy. Tak więc sprawność


(13.3)

Straty całkowite ΔP_c są sumą strat jałowych, obciążeniowych i wzbudzenia


(13.4)

Straty jałowe wyznacza się z charakterystyki ΔP₀ = f(E). Straty obciążeniowe składają się ze strat podstawowych


(13.5)

i dodatkowych, które dla maszyn bez uzwojeń kompensacyjnych wynoszą


(13.6)

a dla maszyn z uzwojeniami kompensacyjnymi


(13.7)

Straty wzbudzenia oblicza się ze wzoru


(13.8)

Prąd silnika jest sumą prądu twornika i prądu wzbudzenia


(13.9)

Zależność prądu wzbudzenia od prądu twornika określa charakterystyka regulacyjna I_f = f(I_t) przy U = U_n = const i n = n_n = const (ćwiczenie 12).

Badany silnik powinien mieć wyznaczoną charakterystykę regulacyjną (jak w ćwiczeniu 12).

Sprawność należy obliczyć dla napięcia U = U_n = const, prędkości obrotowej n = n_n = const i prądów I = (0,25; 0,50; 0,75; 1,0; 1,25) I_n. Wyniki zestawić w tabeli 13.2.

Tabela 13.2

U_t = U_n, n = n_n

Lp.

I

It

If

esz

E

ΔP0

It^2·R^*tc

It·esz

ΔPobcp

ΔPdod

ΔPobc

ΔPf

ΔPc

P2

η

Uwagi

A

A

A

V

V

W

W

W

W

W

W

W

W

W

%

Na podstawie wyników obliczeń należy wykreślić charakterystyki η, ΔP_c, ΔP₀, ΔP_obc, ΔP_f = f(P₂) (rys. 13.4) i porównać obliczoną sprawność dla obciążenia znamionowego z wartością sprawności podaną przez wytwórcę.




Rys. 13.4. Straty mocy i sprawność silnika

• Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• protokół z pomiarów,

• wykresy strat jałowych w funkcji E i E² dla prędkości obrotowych n = (0,6; 0,8; 1,0; 1,2) n_n,

• wykres strat mechanicznych w funkcji prędkości obrotowej ΔP_m = f(n),

• wykresy sprawności i strat w funkcji mocy oddawanej,

• ocenę sprawności maszyny.

• Pytania kontrolne

• Sklasyfikować straty mocy w maszynie prądu stałego.

• Jakie czynniki wywołują straty mechaniczne i jak te straty zależą od prędkości?

• Opisać sposób wyznaczania strat mechanicznych silnika.

• Omówić sposoby wyznaczania sprawności i ocenić ich dokładność.

• Wymienić przyczyny pojawiania się strat dodatkowych w uzwojeniu i rdzeniu.

• Jakie straty nie zależą od obciążenia i dlaczego?

• Jakie zjawiska powodują powstawanie strat w żelazie?

44

---