POLTECHNKA ŚLĄSKA WYDZAŁ NŻYNER ŚRODOWSKA ENERGETYK NSTYTUT MASZYN URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORUM ELEKTRYCZNE Badanie prądnicy prądu stałego (E 18) Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWCZ
3 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i własności ruchowych prądnic prądu stałego. W ramach ćwiczenia należy (po wykonaniu pomiarów) sporządzić komplet charakterystyk badanej maszyny. 2. Wprowadzenie Maszyna komutatorowa prądu stałego ma co najmniej dwa uzwojenia. Uzwojenie wzbudzenia tej maszyny mieści się w stojanie (część nieruchoma maszyny), a uzwojenie twornika ułożone jest w żłobkach wirnika (część ruchoma maszyny). Prąd stały, płynący w uzwojeniu wzbudzenia, wytwarza stałe względem stojana pole magnetyczne. Pole to jest jednocześnie polem wirującym kołowym względem obracającego się uzwojenia twornika. W prądnicach uzwojenie twornika jest miejscem, w którym indukuje się ( tworzy się ) napięcie zasilające obwody zewnętrzne. Budowę maszyny prądu stałego przedstawiono na rysunku 1.1. uzwojenie wzbudzenia twornik jarzmo stojana uzwojenie twornika biegun główny komutator nabiegunnik szczotki Rys. 1.1. Budowa maszyny prądu stałego
4 Maszyna prądu stałego przyłączona do sieci (prądu stałego) może pracować jako prądnica lub silnik. stotnym elementem maszyn prądu stałego jest komutator wraz z układem szczotek. Do komutatora wykonanego z (izolowanych między sobą i wałem maszyny) wycinków cylindrycznego walca miedzianego podłączone są początki i końce zwojów uzwojenia wirnika, tworząc parzystą liczbę zamkniętych pętli. W przypadku prądnicy komutator pełni funkcję prostownika mechanicznego. W silniku umożliwia powstanie momentu elektromagnetycznego (obrotowego), przełączając odpowiednio kierunek prądu w zwojach znajdujących się pod nabiegunnikami elektromagnesu stojana. Wytwarzana siła elektromotoryczna E oraz moment obrotowy M nie zależą od charakteru pracy maszyny, występują jednocześnie przy pracy prądnicowej i silnikowej i wyrażają się zależnościami: E = c Φ n, (1) E gdzie: M = c Φ, (2) M A Φ strumień magnetyczny wytwarzany przez prąd wzbudzenia ( F ), n prędkość obrotowa wirnika, A natężenie prądu twornika, c E, c M stałe współczynniki zależne od budowy maszyny. Jeden ze sposobów nawinięcia i połączenia z komutatorem uzwojenia twornika przedstawiono na rysunku 1.2. S 11 12 1 2 10 3 9 8 7 6 5 4 N Rys. 1.2. Uzwojenie twornika (6 zezwojów i 6 wycinków komutatora)
5 Nawinięcie uzwojenia twornika musi być takie, żeby rozpiętość każdego zezwoju zapewniała umieszczenie jego boków w strumieniu o takiej samej wartości, ale przy biegunach o przeciwnych znakach. Na rysunku 1.2. (będącym uproszczonym schematem uzwojenia maszyny prądu stałego) zezwoje stanowią uzwojenia boków oznaczone jako: 1-6, 2-9, 3-8, 4-11, 5-10, 7-12. Pomiędzy szczotkami odbierającymi prąd z uzwojenia twornika tworzy się zawsze parzysta liczba równoległych gałęzi. Zasadę generowania w uzwojeniach twornika siły elektromotorycznej, jednocześnie w obu równoległych gałęziach, przedstawiono na rysunku 1.3. S 10 11 12 5 6 1 1 2 3 9 4 2 4 8 7 3 6 5 3 5 10 7 12 9 2 6 N 8 3 6 1 4 11 Rys. 1.3. Generowanie siły elektromotorycznej twornika W bokach uzwojeń oznaczonych 4, 10, będących w położeniu prostopadłym do pola magnetycznego między nabiegunnikami S-N, nie indukuje się siła elektromotoryczna, natomiast w bokach uzwojeń oznaczonych 11, 12, 1, 2, 3 indukowana jest siła elektromotoryczna o kierunku przeciwnym do indukowanej w bokach 5, 6, 7, 8, 9. Odpowiednie podłączenie boków uzwojeń do wycinków komutatora powoduje, że w przedstawionej na rysunku 1.3. sytuacji między szczotkami ustawionymi na wycinku 3 i 6 komutatora pojawi się siła
6 elektromotoryczna indukowana w dwu równoległych gałęziach tworzonych przez boki 2, 9, 12, 7, 10, 5 oraz 11, 4, 1, 6, 3, 8, tak jak to przedstawiono u dołu rysunku 1.3. 2.1. Układy połączeń maszyn prądu stałego Maszyna prądu stałego, w której pole magnetyczne wytwarzane jest przez elektromagnes zasilany prądem stałym, może być maszyną obcowzbudną lub samowzbudną. Maszyną obcowzbudną nazywamy maszynę, której uzwojenie wzbudzenia zasilane jest z innego niż to, z którym pracuje twornik, źródła. Układ połączeń maszyny obcowzbudnej przedstawiono na rysunku 1.4. A2 F Twornik E A1 F2 Wzbudzenie obce F1 Rys. 1.4. Układ połączeń maszyny obcowzbudnej Maszyną samowzbudną nazywamy maszynę, której uzwojenie wzbudzenia zasilane jest z tego samego źródła, z którym współpracuje twornik. W zależności od sposobu połączenia uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika rozróżnia się trzy typy maszyn samowzbudnych: bocznikowe, w których uzwojenie wzbudzenia połączone jest równolegle z uzwojeniem twornika, szeregowe, w których uzwojenie wzbudzenia połączone jest szeregowo z uzwojeniem twornika, szeregowo-bocznikowe, w których uzwojenie wzbudzenia składa się z dwóch części, jednej połączonej szeregowo i drugiej połączonej równolegle z uzwojeniem twornika. Układy połączeń maszyn samowzbudnych przedstawiono na rysunku 1.5.
7 A2 A F Twornik E A1 A2 Twornik E D2 A1 A2 Twornik A E A1 D2 E2 E1 D1 F E1 D1 Wzbudzenie bocznikowe Wzbudzenie szeregowe Wzbudzenie bocznikowoszeregowe E2 Rys. 1.5. Układy połączeń maszyny samowzbudnej 2.2. Własności ruchowe prądnic prądu stałego Własności ruchowe prądnic prądu stałego można określić za pomocą charakterystyk, podających związki (przy stałej prędkości obrotowej n = const) pomiędzy następującymi wielkościami: prądem wzbudzenia F, prądem obciążenia, napięciem twornika U. Rozróżnia się następujące charakterystyki prądnicy: charakterystykę biegu jałowego U = U 0 = f ( F ) przy = 0, charakterystykę obciążenia U = f ( F ) przy = const, charakterystykę zewnętrzną U = f () przy F = const, charakterystykę regulacji F = f () przy U = const. Dla każdego układu połączeń prądnicy (obcowzbudna, bocznikowa, szeregowa, szeregowo-bocznikowa) otrzymujemy różne przebiegi charakterystyk. 3. Badania i pomiary 3.1. Określenie wielkości mierzonych Wielkościami mierzonymi są: napięcie twornika, natężenie prądu wzbudzenia, natężenie prądu obciążenia i prędkość obrotowa wału prądnicy obcowzbudnej.
8 3.2. Schemat stanowiska Stanowisko pomiarowe umożliwiające wyznaczenie wszystkich wymienionych w punkcie 2.2. charakterystyk prądnicy obcowzbudnej przedstawiono na rysunku 1.6. L1 L2 L3 ATr A M n G = U V A F R ODB = Rys. 1.6. Schemat stanowiska pomiarowego prądnicy obcowzbudnej 3.3. Przebieg ćwiczenia 1. Odczytać i zanotować dane znamionowe badanej prądnicy prądu stałego. 2. Wykonać pomiar charakterystyki biegu jałowego prądnicy, zwiększając jej prąd wzbudzenia F od wartości minimalnej do wartości, przy której napięcie prądnicy U osiągnie 120% wartości napięcia znamionowego (szczegółowe wartości prądów wzbudzenia poda prowadzący zajęcia). 3. Po wykonaniu pomiarów charakterystyki biegu jałowego należy odwzbudzić prądnicę, tzn. zmniejszyć prąd wzbudzenia F do zera i przygotować stanowisko do wykonania pomiarów charakterystyki obciążenia, podłączając rezystancję odbiornika R ODB. 4. Wykonać pomiar charakterystyki obciążenia prądnicy, zwiększając jej prąd wzbudzenia F od wartości minimalnej do wartości, przy której napięcie prądnicy U osiągnie 120% wartości napięcia znamionowego. W czasie pomiarów należy utrzymywać stałą wartość prądu obciążenia. Wartość prądu obciążenia powinna wynosić co najmniej 20% wartości prądu znamionowego.
9 Stałość prądu obciążenia uzyskujemy poprzez zmianę (korektę) rezystancji odbiornika R ODB. (Szczegółowe wartości prądów wzbudzenia i obciążenia poda prowadzący zajęcia). 5. Wykonać pomiar charakterystyki zewnętrznej prądnicy, zwiększając prąd obciążenia od zera do wartości maksymalnej występującej przy minimalnej możliwej do nastawienia wartości rezystancji odbiornika. W czasie pomiarów należy utrzymywać stałą wartość prądu wzbudzenia F. Pomiary należy wykonać dla dwóch wartości prądu wzbudzenia. Wartości prądów wzbudzenia należy dobierać w zakresie od 80 do 110 % wartości znamionowego prądu wzbudzenia. (Szczegółowe wartości prądów wzbudzenia i obciążenia poda prowadzący zajęcia). 6. Wykonać pomiar charakterystyki regulacji prądnicy, zwiększając prąd obciążenia od zera do wartości maksymalnej występującej przy minimalnej możliwej do nastawienia wartości rezystancji odbiornika. W czasie pomiarów należy utrzymywać stałą wartość napięcia U na zaciskach prądnicy. Stałą wartość napięcia uzyskujemy poprzez zmianę (korektę) wartości prądu wzbudzenia F. Pomiary należy wykonać dla dwóch wartości napięcia prądnicy. Wartości napięcia należy dobierać w zakresie od 80 do 110% wartości napięcia znamionowego. (Szczegółowe wartości prądów obciążenia i napięć prądnicy poda prowadzący zajęcia). 7. Wartości wielkości mierzonych należy sukcesywnie notować w odpowiednich częściach tabeli 1.1. Tabela 1.1 Dane znamionowe maszyny badanej: Lp. U F n Lp. U F n V A A obr/min V A A obr/min charakterystyka biegu jałowego charakterystyka obciążenia 1. 1. 2. 2. charakterystyka zewnętrzna 1. 1. 2. 2. charakterystyka regulacji 1. 1. 2. 2. charakterystyka zewnętrzna charakterystyka regulacji
10 4. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wykreślić charakterystykę biegu jałowego oraz charakterystykę obciążenia prądnicy prądu stałego U = f ( F ) przy = const, n = const (dwie krzywe na jednym wykresie). 2. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu stałego U = f () przy F = const, n = const, dla dwu wartości prądu wzbudzenia (dwie krzywe na jednym wykresie). 3. Wykreślić charakterystykę regulacji prądnicy prądu stałego F = f () przy U = const, n = const, dla dwu wartości napięcia prądnicy (dwie krzywe na jednym wykresie). 4. Określić w procentach wartości znamionowych: maksymalne obciążenie prądnicy oraz zmienność prędkości obrotowej. (Konieczna forma pisemna). 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia). 2. Dane znamionowe badanej maszyny prądu stałego (moc, napięcie twornika, prąd twornika, napięcie wzbudzenia, prąd wzbudzenia, obroty). 3. Schemat układu pomiarowego. 4. Tabele wyników pomiarowych. 5. Wykresy podanych w punkcie 4. zależności. 6. Wyniki obliczeń dotyczące maksymalnej zmienności prędkości obrotowej i maksymalnego obciążenia prądnicy. 7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów teoretycznych, poprawności metody pomiaru itp.).