1

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.

2

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 Im , przepływaj�cy przez uzwojenia cewek wzbudzaj�cych, wytwarza strumie� magnetyczny øm, który zamyka si� przez rdzenie biegunów – jarzmo – szczeliny – powietrze – rdze� wirnika (twornika). Strumie� ten dzieli si� na dwa strumienie øm/2 , przebiegaj�ce w dwóch równoległych obwodach magnetycznych.

3

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.

4

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

5

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 Im). W stanie nieobci��onym pr�dnicy pracuj�cej (bieg jałowy) zale�no�� SEM (E0) od pr�du magnesuj�cego przy n = const nosi nazw� charakterystyki biegu jałowego E = f (Im) (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 Im i odpowiadaj�ce mu warto�ci E0

6

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 øsz 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 Im, 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 Im 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.

7

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 It rozdziela si� na zaciskach pr�dnicy na dwa pr�dy: pr�d wzbudzenia Im i pr�d obci��enia I, a zatem:

It = I + Im

Napi�cie na zaciskach pr�dnicy równa si� sile elektromotorycznej E zmniejszonej o spadek napi�cia na oporze wewn�trznym:

U = E – Rtc It gdzie: Rct jest rezystancj� całkowit� obwodu twornika. Charakterystyk� zewn�trzn� U = f (I) pr�dnicy bocznikowej wyznacza si� przy stałej warto�ci oporu regulacyjnego Rreg = 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 It · Rtc. Wskutek zmniejszenia si� napi�cia na szczotkach maleje równie� pr�d wzbudzenia Im 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.

8

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:

It = U / Rtc 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 RtItc równie� przeciwdziała napi�ciu, wi�c dla silnika obowi�zuje zale�no��:

U = E + Rct It Uwzgl�dniaj�c dwa ostatnie wzory mo�emy okre�li� czynniki wpływaj�ce na pr�dko�� obrotow� silnika:

n = (U-RctIt)/(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 Itz

U = E + RtcIt Itz = U/Rtc

9

Poniewa� opór Rtc jest bardzo mały, wi�c Itz 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

Ir = U / (Rtc + Rd) � 2 In z chwil�, gdy wirnik zaczyna si� obraca�, powstaje w nim SEM E i pr�d rozruchowy zaczyna si� zmniejsza� wg równania:

Ir = (U – E) / (Rtc + Rd) 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).

10

Rys. 6 Schemat poł�cze silnika bocznikowego Pr�d I pobierany z sieci o napi�ciu U jest sum� pr�du twornika It i pr�du wzbudzenia Im

I = It + Im W obwodzie wzbudzenia zaznaczony jest opornik regulacyjny Rreg do regulacji pr�du wzbudzenia (strumienia øm). Jednak zazwyczaj silniki te pracuj� przy stałym wzbudzeniu Im = 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 (Im), 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 (Im).

Zale�no�� pr�dko�ci obrotowej od pr�du wzbudzenia wyznaczamy dla silnika przy biegu jałowym. Układ poł�cze� do wyznaczania charakterystyki n = f (Im) przedstawiony jest na rys. 7.

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 It jest niewielki i znacznie mniejszy od pr�du znamionowego; spadek napi�cia na tworniku RtcIt mo�na pomin��. Zakładaj�c dalej, �e strumie� jest proporcjonalny do pr�du wzbudzenia, podstawow� zale�no�� n = (U-RtcIt) / (k ø) mo�emy sprowadzi� do wzoru:

n = U / (k Im) 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 It = const. Po uruchomieniu nieobci��onego silnika, napi�cie zasilania nastawiamy na warto�� 9V. Nast�pnie zmniejszamy pr�d wzbudzenia w zakresie od Im max (gdy opornik reguluj�cy jest zwarty) poprzez zwi�kszenie rezystancji w obwodzie wzbudzenia. Dla ka�dej warto�ci Im wykonujemy pomiar pr�dko�ci obrotowej silnika. W oparciu o wykonane pomiary nale�y wykre�li� charakterystyk� n = f (Im) dla biegu jałowego. Narysowa� tak�e przybli�ony wykres dla silnika obci��onego i wyja�ni� ró�nic� w ich przebiegu.

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: Im = const i It = 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 Rtc It.

st�d: n = U / (k ø) = k1 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 Im, aby przy znamionowym napi�ciu U = UN 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

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: rm =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.

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.