laboratoria elektryczne

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
LABORATORIUM ELEKTRYCZNE
Badanie prądnicy prądu stałego
(E – 18)
Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
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
szczotki
nabiegunnik
Rys. 1.1. Budowa maszyny prądu stałego
4
Maszyna prądu stałego przyłączona do sieci (prądu stałego) może pracować jako
prądnica lub silnik. Istotnym 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 = cE × Φ × n ,
(1)
M = cM × Φ × IA ,
(2)
gdzie:
Φ
n
IA
– strumień magnetyczny wytwarzany przez prąd wzbudzenia (IF),
– prędkość obrotowa wirnika,
– natężenie prądu twornika,
cE, cM – stałe współczynniki zależne od budowy maszyny.
Jeden ze sposobów nawinięcia i połączenia z komutatorem uzwojenia twornika
przedstawiono na rysunku 1.2.
S
12
1
2
11
3
10
4
9
5
8
6
7
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
1
12
2
11
6
5
3
10
1
4
9
3
5
8
6
7
3
5
10
7
12
9
2
8
3
6
1
4
11
6
4
2
N
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.
I
Twornik
E
A2
A1
IF
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
I
A2
IA
I
I
Twornik
Twornik
E
A1
A2
A1
E
IF
A2
Twornik
IA
A1
E
D2
D2
IF
E2
E1
E1
D1
Wzbudzenie
bocznikowe
Wzbudzenie
szeregowe
Wzbudzenie
bocznikowoszeregowe
D1
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 IF, prądem obciążenia I,
napięciem twornika U. Rozróżnia się następujące charakterystyki prądnicy:
·
charakterystykę biegu jałowego U = U0 = f (IF) przy I = 0,
·
charakterystykę obciążenia U = f (IF) przy I = const,
·
charakterystykę zewnętrzną U = f (I) przy IF = const,
·
charakterystykę regulacji IF = f (I) 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
I
A
ATr
V
n
G
=
M
U
RODB
A
IF
=
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 IF 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 IF do zera i przygotować
stanowisko do wykonania pomiarów charakterystyki obciążenia, podłączając
rezystancję odbiornika RODB.
4. Wykonać pomiar charakterystyki obciążenia prądnicy, zwiększając jej prąd
wzbudzenia IF od wartości minimalnej do wartości, przy której napięcie
prądnicy U osiągnie 120% wartości napięcia znamionowego. W czasie
pomiarów należy utrzymywać stałą wartość prądu obciążenia I. Wartość prądu
obciążenia powinna wynosić co najmniej 20% wartości prądu znamionowego.
9
Stałość prądu obciążenia uzyskujemy poprzez zmianę (korektę) rezystancji
odbiornika RODB. (Szczegółowe wartości prądów wzbudzenia i obciążenia
poda prowadzący zajęcia).
5. Wykonać pomiar charakterystyki zewnętrznej prądnicy, zwiększając prąd
obciążenia I od zera do wartości maksymalnej występującej przy minimalnej
możliwej do nastawienia wartości rezystancji odbiornika. W czasie pomiarów
należy utrzymywać stałą wartość prądu wzbudzenia IF. 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 I 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 IF. 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
I
IF
n
obr/min
V
A
A
charakterystyka biegu jałowego
1.
2.
Lp.
U
I
IF
n
obr/min
V
A
A
charakterystyka obciążenia
1.
2.
itd.
itd.
charakterystyka zewnętrzna
1.
2.
charakterystyka zewnętrzna
1.
2.
itd.
itd.
charakterystyka regulacji
charakterystyka regulacji
1.
2.
1.
2.
itd.
itd.
10
4. Opracowanie wyników pomiarów
1. Wykreślić charakterystykę biegu jałowego oraz charakterystykę obciążenia
prądnicy prądu stałego U = f (IF) przy I = const, n = const (dwie krzywe na
jednym wykresie).
2. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu stałego U = f (I) przy
IF = const, n = const, dla dwu wartości prądu wzbudzenia (dwie krzywe na
jednym wykresie).
3. Wykreślić charakterystykę regulacji prądnicy prądu stałego IF = f (I) 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.).