BADANIE MASZYN PRDU STAŁEGO

OPISYWICZENIE 3 BADANIE MASZYN PRDU STAŁEGO WPROWADZENIE 1. Zasada działania maszyn prdu stałego. 2. Prdnice prdu stałego. 2.1. Prdnice samowzbudne. 2.1.1. Prdnica samowzbudna bocznikowa. 3. Silniki prdu stałego. 3.1. Rozruch silników prdu stałego. 3.2. Silnik bocznikowy. WYKONANIE WICZENIA 4.1. Badanie silnika bocznikowego. 4.1.1. Wyznaczenie zalenoci prdkoci obrotowej od prdu wzbudzenia. 4.1.2. Wyznaczenie zalenoci prdkoci obrotowej od napicia zasilania. 4.2. Wyznaczenie charakterystyki zewntrznej prdnicy. 1

WPROWADZENIE 1. Zasada działania maszyn prdu stałego. Kada maszyna elektryczna jest w zasadzie odwracalna tzn. moe pracowa w zakresie pracy prdnicowej przetwarzajc energi mechaniczn na elektryczn, lub w zakresie pracy silnikowej przetwarzajc energi elektryczn na mechaniczn. Maszyna elektryczna składa si z dwóch podstawowych czci. Cz maszyny, w której powstaje pole magnetyczne, nosi nazw magnenicy, natomiast ta cz, w której wytwarza si siła elektromotoryczna nosi nazw twornika. W maszynach prdu stałego magnenic jest nieruchoma cz maszyny stojan, natomiast twornikiem jest cz wirujca wirnik. Podstawowe czci maszyny przedstawione s na schemacie (rys.1.) Rys. 1 Podstawowe czci maszyny prdu stałego. Stojan (magnenica) maszyny prdu stałego składa si z jarzma stalowego lub eliwnego oraz biegunów, na których umocowane s cewki wzbudzajce. Prd magnesujcy I m, przepływajcy przez uzwojenia cewek wzbudzajcych, 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, przebiegajce w dwóch równoległych obwodach magnetycznych. 2

Wirnik (twornik) składa si z osadzonego na wale maszyny rdzenia w kształcie walca wykonanego z krków tzw. Blachy twornikowej. Na zewntrznym obwodzie rdzenia wirnika wycite 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 prdu stałego dwa podstawowe zjawiska: 1. w przewodach twornika indukuje si siła elektromotoryczna (SEM) o wartoci okrelonej wzorem: E = k ø n gdzie: ø strumie magnetyczny n - prdko obrotowa k współczynnik ujmujcy stałe wielkoci zalene od konstrukcji maszyny (ilo par biegunów, wymiary uzwojenia twornika) Kierunek tej SEM mona okreli posługujc si reguł prawej rki. 2. przy przepływie prdu w przewodach twornika działa na nie siła mechaniczna o wartoci okrelonej wzorem: F = B I l gdzie: B indukcja magnetyczna I natenie prdu w przewodach twornika l długo przewodu Kierunek tej siły mechanicznej mona okreli posługujc si reguł lewej rki. Siły mechaniczne działajce na przewody wirnika powoduj powstanie momentu elektromagnetycznego, który przy pracy prdnicowej jest skierowany przeciwnie do kierunku wirowania. Dla pokonania tego mementu trzeba do wału prdnicy dostarczy energii mechanicznej od silnika napdowego, która w prdnicy jest zamieniona na energi elektryczn. Przy pracy silnikowej natomiast, moment elektromagnetyczny ma kierunek zgodny z kierunkiem wirowania, jest wic momentem napdowym, pod wpływem którego energia elektryczna jest zmieniona na energi mechaniczn, dostarczan przez silnik napdzanej maszyny roboczej. 3

Przy wirowaniu twornika w nieruchomym polu magnetycznym indukowana SEM jest funkcj połoenia przewodu. W kadym przewodzie uzwojenia twornika indukuje si wic SEM przemienna o przebiegu zblionym do trapezoidalnego i o czstotliwoci zalenej od prdkoci wirowania twornika. W celu przetworzenia SEM przemiennej indukowanej w przewodach wirnika na SEM jednokierunkow, stasuje si urzdzenie zwane komutatorem. Dla pojedynczej cewki jednozwojowej, złoonej z dwóch boków rozmieszczonych rednicowo w łobkach twornika, najprostszy komutator składa si z dwóch wycinków, stanowicych dwa półpiercienie 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 połczenie elektryczne wirujcego uzwojenia z nieruchomym obwodem zewntrznym. Dla zapewnienia dobrego styku o duej powierzchni, szczotki wykonane s z mikkiego wgla elektrotechnicznego, który łatwo dociera si do powierzni komutatora, nie niszczc przy tym tej powierzchni. Prosty układ twornika z jedn cewk i dwoma wycinkami komutatora daje due pulsacje prdu i z tego powodu nie jest w praktyce stosowany. Dla otrzymania prdu o bardziej wygładzonym przebiegu 4

stasuje si uzwojenia tworników o duej liczbie cewek rozmieszczonych w licznych łobkach na obwodzie twornika, połczonych z komutatorem o duej liczbie wycinków, rzdu kilkudziesiciu. Uzwojenia takie daj prd o niewielkich pulsacjach, zbliony do prdu otrzymanego ze ródł galwanicznych. 3. Prdnica prdu stałego. W zalenoci od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzenia rozrónia si nastpujce rodzaje prdu stałego: - obcowzbudne - samowzbudne bocznikowe - samowzbudne szeregowe - samowzbudne szeregowo bocznikowe Prdnice obcowzbudne potrzebuj odrbnego ródła prdu stałego do ich wzbudzenia. W prdnicach samowzbudnych uzwojenie wzbudzenia zasilane jest prdem prdnicy. Jak wczenij wspomniano SEM indukowana w uzwojeniu twornika prdnicy jest proporcjonalna do strumienia magnetycznego ø i prdkoci obrotowej n. Mona wic zmieni SEM regulujc jedn z tych dwóch wielkoci. Jeeli twornik prdnicy bdzie napdzany ze stał prdkoci obrotow (n = const) to SEM mona zmienia regulujc wzbudzenie (prd magnesujcy I m ). W stanie nieobcionym prdnicy pracujcej (bieg jałowy) zaleno SEM (E 0 ) od prdu magnesujcego przy n = const nosi nazw charakterystyki biegu jałowego E = f (I m ) (rys.3). Rys. 3 Charakterystyka biegu jałowego prdnicy prdu stałego Na podstawie przebiegu takiej charakterystyki mona wycign szereg wniosków odnonie charakterystycznych właciwoci prdnicy. Mona wic okreli zakres zmiennoci prdu I m i odpowiadajce mu wartoci E 0 5

oraz wartoci wzbudzenia, przy którym w obwodzie magnetycznym zaczyna wystpowa nasycenie. Znamionowy punkt pracy ley na krzywej w pobliu zagicia charakterystyki. Po przekroczeniu znamionowej wartoci prdu wzbudzenia SEM zwiksza si tylko nieznacznie przy bardzo nawet duym zwikszeniu wzbudzenia. 2.1. Prdnice samowzbudne. W tych prdnicach obwód magnesujcy jest przyłczony do obwodu twornika. W rdzeniu biegunów prdnicy niepracujcej istnieje zazwyczaj strumie szcztkowy ø sz po poprzednich stanach magnesowania, indukujcy w uzwojeniu twornika wirujcego z prdkoci n niewielk sił elektromotoryczn. Wzbudzenie si prdnicy samowzbudnej polega na tym, e ta niewielka szcztkowa SEM wytwarza pocztkowo niewielki prd magnesujcy I m, który płync przez uzwojenie wzbudzenia powiksza strumie magnetyczny. Zwikszony strumie magnetyczny indukuje wiksz sił elektromotoryczn, a ta z kolei powiksza prd magnesujcy itd. WARUNKI SAMOWZBUDZENIA. Aby prdnica si wzbudziła, musz by spełnione nastpujce warunki: W obwodzie magnetycznym prdnicy musi istnie magnetyzm szcztkowy. Nowo wyprodukowan maszyn trzeba wstpnie namagnesowa, zasilajc jej wzbudzenie z obcego ródła. Jeeli obwód magnetyczny zostanie rozmagnesowany to take trzeba go namagnesowa z obcego ródła. Uzwojenie wzbudzenia musi by połczone z twornikiem maszyny w ten sposób, aby prd magnesujcy I m wytwarzał strumie magnetyczny o kierunku zgodnym z kierunkiem strumienia szcztkowego. Aby prdnica wzbudziła si opór obwodu magnesujcego musi mie warto mniejsz od wartoci krytycznej. Aby prdnica samowzbudna si wzbudziła wszystkie trzy wymienione wyej warunki samowzbudzenia musz by spełnione równoczenie. 6

2.1.1. Prdnica samowzbudna bocznikowa. Jest najczciej stosowanym rodzajem prdnicy prdu stałego. Uzwojenie wzbudzenia tej prdnicy jest przyłczone do twornika, równolegle do obwodu obcienia (rys. 4 ). Rys. 4 Schemat połcze prdnicy bocznikowej Wytworzony w tworniku prd I t rozdziela si na zaciskach prdnicy na dwa prdy: prd wzbudzenia I m i prd obcienia I, a zatem: I t = I + I m Napicie na zaciskach prdnicy równa si sile elektromotorycznej E zmniejszonej o spadek napicia na oporze wewntrznym: U = E R tc I t gdzie: R ct jest rezystancj całkowit obwodu twornika. Charakterystyk zewntrzn U = f (I) prdnicy bocznikowej wyznacza si przy stałej wartoci oporu regulacyjnego R reg = const i przy stałej prdkoci obrotowej n = const. Napicie na zaciskach prdnicy Malaje ze wzrostem prdu obcienia wskutek spadku napicia I t R tc. Wskutek zmniejszenia si napicia na szczotkach maleje równie prd wzbudzenia I m pobierany z prdnicy. Powoduje to dodatkowe zmniejszenie strumienia i SEM. Jeeli obcienie maszyny samowzbudnej zwiksza powyej prdu znamionowego, to dochodzi do stanu, w którym napicie prdnicy maleje tak znacznie, e dalsze zmniejszanie rezystancji opornika obciajcego nie powoduje ju wzrostu prdu nastpuje charakterystyczne dla prdnicy bocznikowej zagicie charakterystyki zewntrznej a przy zwarciu maszyny krzywa ta przecina o odcitych w punkcie odpowiadajcym prdowi zwarcia. 7

3. Silniki prdu stałego. Maszyna prdu stałego pracuje w zakresie pracy silnikowej, jeeli zarówno jej twornik jak i wzbudzenie zasilimy z zewntrz np. z sieci. Stojan (magnenica) wytwarza wówczas pole magnetyczne o indukcji B. Na przewody twornika, przez które przepływa prd I, znajdujce si w polu o indukcji B działa siła mechaniczna okrelona wzorem: F = B I l Pod wpływem wszystkich sił F działajcych na przewody wirnika, powstaje moment obrotowy M, powodujcy obracanie si wirnika z prdkoci obrotow n w kierunku działania tego momentu: M = r F gdzie: r jest promieniem wirnika Przy pracy silnikowej do nieruchomego twornika jest doprowadzone napicie U, wobec czego przez uzwojenie twornika płynie prd: I t = U / R tc który działajc na pole magnetyczne biegunów wytworzy moment obrotowy. Dziki temu wirnik zacznie si obraca a w jego uzwojeniu powstaje SEM wg równania: E = k ø n (współczynnik k ujmuje wszystkie stałe wielkoci zalene od konstrukcji maszyny). Ta SEM wzrasta ze wzrostem prdkoci obrotowej i przeciwdziała napiciu przyłoonemu do zacisków twornika. Poniewa spadek napicia w uzwojeniu R t I tc równie przeciwdziała napiciu, wic dla silnika obowizuje zaleno: U = E + R ct I t Uwzgldniajc dwa ostatnie wzory moemy okreli czynniki wpływajce na prdko obrotow silnika: n = (U-R ct I t )/(k ø) Ten ostatni wzór wyraa podstawow zaleno prdkoci obrotowej silników prdu stałego od napicia, strumienia magnetycznego i obcienia silnika okrelonego prdem twornika. 3.1. Rozruch silników prdu stałego. W chwili włczenia silnika do sieci wirnik jest nieruchomy, n=0, E=0 wobec tego twornik pobiera prd zwarcia I tz U = E + R tc I t I tz = U/R tc 8

Poniewa opór R tc jest bardzo mały, wic I tz jest bardzo duy, przecitnie ok.20 razy wikszy od prdu znamionowego. Tak wielki prd zwarcia, przy bezporednim włczeniu nieruchomego twornika bez adnych dodatkowych oporów na pełne napicie sieci mógłby spowodowa uszkodzenie uzwojenia twornika, komutatora i szczotek oraz zakłócenia w sieci zasilajcej. Aby tego unikn włcza si w obwód twornika przy rozruchu dodatkowe opory rozruchowe Rd, których warto dobiera si tak, aby prd rozruchowy Ir nie przekroczył 2-krotnej wartoci prdu 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 prd rozruchowy zaczyna si zmniejsza wg równania: I r = (U E) / (R tc + R d ) Opornik rozruchowy, włczony szeregowo z wornikiem silnika, zwany krótko rozrusznikiem ma zwykle kilka stopni rozruchowych (rys. 5). Rys. 5 Obwód wirnika silnika prdu stałego z włczonym opornikiem rozruchowym 3.2. Silnik bocznikowy. Najszersze, praktyczne zastosowanie ma silnik bocznikowy, w którym uzwojenie wzbudzenia (biegunów głównych) jest przyłczone do sieci równolegle do obwodu twornika (rys.6). 9

Rys. 6 Schemat połcze silnika bocznikowego Prd I pobierany z sieci o napiciu U jest sum prdu twornika I t i prdu wzbudzenia I m I = I t + I m W obwodzie wzbudzenia zaznaczony jest opornik regulacyjny R reg do regulacji prdu 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 właciwoci ruchowych silnika oraz zdjcie jego waniejszych charakterystyk. Naley wyznaczy charakterystyki zalenoci prdkoci obrotowej od prdu wzbudzenia n = f (I m ), oraz zalenoci prdkoci obrotowej od napicia zasilania n = f (U). 4.1.1. Wyznaczenie zalenoci prdkoci obrotowej od prdu wzbudzenia n = f (I m ). Zaleno prdkoci obrotowej od prdu wzbudzenia wyznaczamy dla silnika przy biegu jałowym. Układ połcze do wyznaczania charakterystyki n = f (I m ) przedstawiony jest na rys. 7. 10

Rys. 7 Schemat połcze przy badaniu silnika bocznikowego Przy biegu jałowym na silnik działa jedynie niewielki moment strat wic prd twornika I t jest niewielki i znacznie mniejszy od prdu znamionowego; spadek napicia na tworniku R tc I t mona pomin. Zakładajc dalej, e strumie jest proporcjonalny do prdu wzbudzenia, podstawow zaleno n = (U-R tc I t ) / (k ø) moemy sprowadzi do wzoru: n = U / (k I m ) co wskazuje na hiperboliczny charakter zalenoci. Zaleno prdkoci obrotowej silnika bocznikowego od prdu wzbudzenia wyznaczamy dla U = const i I t = const. Po uruchomieniu nieobcionego silnika, napicie zasilania nastawiamy na warto 9V. Nastpnie zmniejszamy prd wzbudzenia w zakresie od I m max (gdy opornik regulujcy jest zwarty) poprzez zwikszenie rezystancji w obwodzie wzbudzenia. Dla kadej wartoci I m wykonujemy pomiar prdkoci obrotowej silnika. W oparciu o wykonane pomiary naley wykreli charakterystyk n = f (I m ) dla biegu jałowego. Narysowa take przybliony wykres dla silnika obcionego i wyjani rónic w ich przebiegu. 11

4.1.2. Wyznaczanie zalenoci prdkoci obrotowej silnika bocznikowego od napicia zasilania n = f (U). Zaleno prdkoci obrotowej od napicia wyznaczamy dla silnika przy biegu jałowym przy: I m = const i I t = const. Układ połcze do wyznaczania zalenoci n = f (U) przedstawiono na rys.7. Ze wzgldu na mały prd pobierany przy biegu jałowym mona pomin wpływ oddziaływania twornika oraz spadek napicia R tc I t. std: n = U / (k ø) = k 1 U gdy w tych warunkach strumie nie ulega zmianie. Prdko obrotowa jest wic proporcjonalna do napicia. Przy pomiarze charakterystyki napicie na tworniku naley zmienia od 6V do napicia znamionowego. Przedtem jednak naley dobra taki prd wzbudzenia I m, aby przy znamionowym napiciu U = U N prdko obrotowa była równa znamionowej. Dla kadej wartoci napicia wykonujemy pomiar prdkoci obrotowej silnika. W oparciu o wykonane pomiary naley wykreli charakterystyk n = f(u) dla biegu jałowego. Narysowa take przybliony wykres dla silnika obcionego i wyjani rónice w ich przebiegu. 4.2. Badanie prdnicy samowzbudnej bocznikowej. W tej czci wiczenia naley zapozna si z czynnociami zwizanymi z uruchomieniem prdnicy bocznikowej prdu stałego a ponadto zbada jej zachowanie si przy zmianach obcienia. Jak wczeniej było podane, warunkiem samowzbudzenia prdnicy jest istnienie magnetyzmu szcztkowego i odpowiedni kierunek wirowania twornika. Jeli z jakiego powodu prdnica zastanie rozmagnesowana i nastpi zanik magnetyzmu szcztkowego naley przy pomocy obcego ródła prdu ponownie j namagnesowa. W tym celu do izolowanego zacisku wzbudzenia (nr 67) i masy prdnicy (nr 31) naley na chwil przyłczy ródło napicia stałego (np. akumulator) wg schematu rys. 8 12

Rys. 8 Sposób podłczenia ródła napicia przy magnesowaniu prdnic Prdnic stosowana w wiczeniu jest mechanicznie sprzgnita z silnikiem napdzajcym, którym jest silnik bocznikowy prdu stałego. Połczenie mechaniczne wykonane jest w postaci sprzgła ciernego. 4.2.1. Wyznaczanie charakterystyki zewntrznej prdnicy. Charakterystyka zewntrzna przedstawia zaleno napicia na zaciskach prdnicy od prdu pobieranego z prdnicy (przy stałej prdkoci obrotowej równej znamionowej): U = f (I) przy n = const oraz przy stałej rezystancji wzbudzenia: r m =const. Analiza tej charakterystyki przedstawiona została we wstpie niniejszego opracowania. Układ połcze do wyznaczenia charakterystyki zewntrznej prdnicy przedstawiony jest na rys. 9. 13

Rys. 9 Schemat przy badaniu prdnicy samowzbudnej bocznikowej Pomiary rozpoczyna si od uruchomienia prdnicy na biegu jałowym i nadaniu wirnikowi prdkoci znamionowej. Prdnic napdza si silnikiem bocznikowym prdu stałego. Utrzymujc stał warto prdkoci obrotowej oraz niezmienn rezystancj w obwodzie wzbudzenia obcia si prdnic włczajc kolejne arówki o mocy 40W. Naley zapisywa pr I oddawany przez maszyn, napicie na jej zaciskach, prd wzbudzenia oraz prdko obrotow. Zrobi wykres U = f (I) o omówi jego przebieg. 14