Twoim problemem jest to, że powszechną NICOŚĆ mylisz z osobistą PUSTKĄ
ĆWICZENIE 7
BADANIE MASZYN PRĄDU STAŁEGO
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami i podstawowymi charakterystykami bocznikowych, obcowzbudnych i szeregowych maszyn prądu stałego.
Program ćwiczenia
1 Wiadomości ogólne
1.1 Silnik bocznikowy i obcowzbudny
1.1.1 Charakterystyka zewnętrzna n=f(It) i charakterystyka mechaniczna n=f(M)
1.1.2 Charakterystyka momentu obrotowego M=f(It)
1.1.3 Rozruch silnika
1.1.4 Regulacja prędkości obrotowej silnika
1.1.5 Tyrystorowe zespoły napędowe
1.2 Silnik szeregowy
1.2.1 Charakterystyka zewnętrzna n=f(I)
1.2.2 Charakterystyka momentu M=f(I)
1.2.3 Rozruch silnika
1.2.4 Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego
1.3 Prądnica bocznikowa i obcowzbudna
1.3.1 Warunki wzbudzenia prądnicy samowzbudnej
1.3.2 Charakterystyka zewnętrzna U=f(It)
2 Badania laboratoryjne
2.1 Badanie silnika obcowzbudnego
2.1.1 Dane znamionowe
2.1.2 Charakterystyka zewnętrzna n=f(It) i charakterystyka momentu obrotowego Mu=f(It)
2.1.3 Regulacja prędkości obrotowej poprzez zmianę strumienia magnesującego
2.1.4 Regulacja prędkości obrotowej przez włączenie rezystancji dodatkowej do obwodu twornika
2.1.5 Stabilizacja prędkości obrotowej przy zastosowaniu układu sprzężenia prędkościowego tyrystorowego zespołu napędowego
2.2 Badanie prądnicy obcowzbudnej
2.2.1 Dane znamionowe
2.2.2 Charakterystyka zewnętrzna U=f(Itp)
3 Uwagi i wnioski
1. Wiadomości ogólne
Maszyny prądu stałego mogą pracować w charakterze silników, prądnic i hamulców. Silniki przetwarzają dostarczoną energię elektryczną na energię mechaniczną, prądnice natomiast zamieniają energię mechaniczną maszyny napędzającej na energię elektryczną. Zjawisko przeciwdziałania momentu elektromagnetycznego momentowi maszyny napędzającej, jakie występuje w prądnicy, można wykorzystać do elektrycznego hamowania.
Rys.7.1. Komutatorowa maszyna prądu stałego
1 - jarzmo stojana, 2 - biegun główny, 3 - nabiegunniki, 4 - uzwojenie wzbudzenia, 5 - biegun komutacyjny, 6 - uzwojenie biegunów komutacyjnych, 7 - uzwojenie kompensacyjne, 8 - twornik, 9 - uzwojenie twornika, 10 - komutator, 11 - szczotki
Maszyny prądu stałego mogą być budowane jako komutatorowe i unipolarne. Drugi rodzaj maszyn nadaje się wyłącznie do celów specjalnych, natomiast maszyny komutatorowe są stosowane powszechnie. Dlatego w tym ćwiczeniu poznamy maszyny komutatorowe.
Na rys.7.1 został pokazany szkic maszyny prądu stałego. Uzwojenie wzbudzenia mieści się w stojanie, a uzwojenie twornika jest ułożone w żłobkach wirnika. Prąd stały płynący w uzwojeniu wzbudzenia wytwarza pole magnetyczne stałe względem stojana, a wirujące kołowe względem obracającego się wirnika. W wyniku oddziaływania tego pola na prąd twornika powstaje moment elektromagnetyczny. Pole wirujące kołowe charakteryzuje się tym, że oś pola wiruje z pewną prędkością względem elementu odniesienia (w tym przypadku wirnika) przy zachowaniu stałego zwrotu i stałej wartości wzdłuż tej osi. Rys.7.2 przedstawia rozkład pola magnetycznego wzdłuż rozwiniętego obwodu twornika.
Rys.7.2. Obraz pola magnetycznego biegunów głównych na rozwiniętym obwodzie maszyny
Pole to wiruje względem obwodu wirnika z prędkością v=2pnr w kierunku przeciwnym do wirnika obracającego się z prędkością obrotową n (r - promień wirnika). Obraz pola magnetycznego z rys.7.2 dotyczy stanu jałowego maszyny. Podczas normalnej pracy maszyny pole magnetyczne jest polem wypadkowym pola magnetycznego od biegunów głównych (rys.7.2) i pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie twornika. Rozkład indukcji magnetycznej wzdłuż obwodu twornika ulega zniekształceniu, a położenie osi neutralnej przesunięciu. Zjawiska te nasilają się wprost proporcjonalnie do wartości prądu twornika. Powodują one występowanie napięć pomiędzy wycinkami komutatora, zmniejszenie indukowanej siły elektromotorycznej w obwodzie twornika oraz wpływają niekorzystnie na przebieg komutacji, a tym samym na pracę szczotek. Częściowe zmniejszenie skutków oddziaływania twornika osiąga się poprzez zwiększenie szczeliny powietrznej (bardziej równomierny rozkład indukcji) oraz przesuwanie szczotek w kierunku osi neutralnej. Natomiast uzwojenie biegunów komutacyjnych ma za zadanie poprawę komutacji i co za tym idzie uniknięcie iskrzenia szczotek. Bieguny te umieszczone są w strefie gdzie następuje przejście zwojów twornika ze strefy oddziaływania jednego bieguna głównego do drugiego. Indukowana przez uzwojenie biegunów komutacyjnych siła elektromotoryczna znosi siłę elektromotoryczną indukowaną w zwojach w tym rejonie i zapobiega iskrzeniu szczotek. Aby zlikwidować szkodliwy wpływ oddziaływania twornika w dużych maszynach stosuje się uzwojenia kompensacyjne. Uzwojenie to jest rozłożone równomiernie w strefie biegunów głównych i umieszczone w żłobkach nabiegunników. Jest ono połączone szeregowo z uzwojeniem twornika, a zmianie kierunku prądu w obwodzie twornika odpowiada zmiana kierunku prądu w uzwojeniu kompensacyjnym. Stosowanie uzwojenia kompensacyjnego znacznie podraża koszty maszyny, ale pozwala na powiększenie mocy znamionowej maszyny przy tych samych wymiarach i prędkości obrotowej.
Ze względu na sposób zasilania obwodu wzbudzenia rozróżniamy następujące typy maszyn prądu stałego
· maszyny obcowzbudne (rys.7.3a)
· maszyny samowzbudne: bocznikowe (rys.7.3b); szeregowe (rys.7.3c); szeregowo -bocznikowe (rys.7.3d)
Rys.7.3. Typy maszyn prądu stałego: a) maszyna obcowzbudna; b) maszyna bocznikowa;
c) maszyna szeregowa; d) maszyna szeregowo - bocznikowa
Na rys.7.3 podane zostały schematy tych maszyn. Przyjęte w eksploatacji sposoby oznaczania zacisków uzwojeń:
A1 A2 - uzwojenie twornika
B1 B2 - uzwojenie biegunów komutacyjnych
E1 E2 - uzwojenie wzbudzające bocznikowe
D1 D2 - uzwojenie wzbudzające szeregowe
F1 F2 - uzwojenie wzbudzające obce.
Wszystkie niezbędne dane techniczne dotyczące maszyn prądu stałego podane są na tabliczce znamionowej.
Tabliczka znamionowa maszyny prądu stałego powinna zawierać: napięcie znamionowe Un; prąd znamionowy Itn; napięcie znamionowe wzbudzenia Umn; prąd znamionowy wzbudzenia Imn (dotyczy maszyn obcowzbudnych); moc znamionową Pn; obrotową prędkość znamionową nn; sprawność h.
Właściwości ruchowe poszczególnych typów maszyn są różne, co pozwala zaspokoić rozmaite wymagania wynikające z praktyki. Właściwości te można określić na podstawie znajomości typu maszyny oraz zależności określających siłę elektromotoryczną indukowaną w uzwojeniu twornika i moment elektromagnetyczny. Pole magnetyczne wytworzone przez prąd w uzwojeniu wzbudzenia, przecinając uzwojenie twornika indukuje w nim siłę elektromotoryczną zgodnie z prawem Faradaya
(7.1)
gdzie: jest stałą zależną od parametrów konstrukcyjnych maszyny.
Z prawa Laplace'a wiadomo, że w wyniku współdziałania prądu twornika i pola magnetycznego wytworzonego przez prąd wzbudzenia powstaje moment elektromagnetyczny:
(7.2)
gdzie: jest stałą zależną od parametrów konstrukcyjnych maszyny.
W ćwiczeniu zapoznamy się z silnikiem bocznikowym oraz prądnicą obcowzbudną.
1.1. Silnik bocznikowy i obcowzbudny
Na podstawie II prawa Kirchhoffa dla silnika bocznikowego (rys.7.3b) zasilanego napięciem stałym U można napisać zależność:
(7.3)
gdzie:
E - indukowana siła elektromotoryczna wyrażona wzorem (7.1);
- suma rezystancji obwodu twornika;
DUp - spadek napięcia na rezystancji przejścia między szczotką a komutatorem ().
Pomijając DUp wzór (7.3) można przekształcić:
(7.4)
1.1.1 Charakterystyka zewnętrzna n=f(It) i charakterystyka mechaniczna n=f(M)
Charakterystyka zewnętrzna jest to zależność prędkości obrotowej silnika od prądu twornika przy stałym napięciu zasilającym i stałym prądzie wzbudzenia. Z przekształcenia wzorów (7.1) i (7.3) wynika, że prędkość obrotowa wyrażona zależnością n=f(It)
(7.5)
przy U=const i F=const jest funkcją malejącą (rys.7.4 - prosta 1).
Rzeczywisty przebieg charakterystyki zewnętrznej jest nieco inny, ponieważ przy dużych obciążeniach prędkość obrotowa nieznacznie wzrasta z powodu zmniejszania się strumienia magnetycznego. Jest to wynikiem nakładania się na pole magnetyczne biegunów głównych pola powstającego od prądu twornika - tzw. oddziaływanie twornika. Zaletą obydwu omawianych silników jest stosunkowo sztywna charakterystyka zewnętrzna. Zmienność prędkości obrotowej, definiowana dla warunków znamionowych jako
(7.6)
waha się od 2 do 5%, gdzie: n0 - prędkość obrotowa biegu jałowego.
Rys.7.4. Charakterystyka zewnętrzna silnika bocznikowego
1 - przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika; 2 - z uwzględnieniem oddziaływania twornika
Charakterystyka mechaniczna n=f(M) pozwala ocenić zachowanie się silnika w układzie napędowym. Z wzorów (7.2) i (7.4) wynika, że dla F=const (czyli nie uwzględniając oddziaływania twornika) charakterystyka ta będzie funkcją malejącą. Z warunków statecznej pracy układu napędowego
(7.7)
gdzie: M - moment silnika napędowego; Mh - moment hamujący,
wynika, że przy stałym momencie Mh charakterystyka mechaniczna n=f(M) powinna być funkcją malejącą. W przeciwnym przypadku mogłoby wystąpić rozbieganie lub utknięcie silnika. Sytuacja taka jest możliwa przy znacznej reakcji twornika o charakterze rozmagnesowującym.
1.1.2. Charakterystyka momentu obrotowego M=f(It)
Rys.7.5. Charakterystyka momentu obrotowego silnika bocznikowego
1 - przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika; 2 - z uwzględnieniem oddziaływania twornika
Charakterystyka momentu obrotowego jest to zależność pomiędzy momentem elektromagnetycznym rozwijanym przez silnik i prądem twornika, przy stałym prądzie wzbudzenia. Ze wzoru (7.2) wynika, że dla stałego strumienia wykres ten będzie linią prostą. Niewielkie odchylenie od tej linii (rys.7.5) jest skutkiem zmniejszenia się strumienia w wyniku oddziaływania twornika.
1.1.3. Rozruch silnika
W chwili rozruchu n=0, więc prąd rozruchowy wynosi
(7.9)
i jest około 10...30 razy większy od prądu znamionowego, przepływ tak dużego prądu może uszkodzić maszynę, jak również stanowi zbyt duże obciążenie sieci zasilającej. W związku z tym rozruchu silnika dokonuje się poprzez regulację napięcia od 0 do wartości znamionowej (przy użyciu tyrystorowych zespołów napędowych, stosowanych w przemyśle do napędu silników bocznikowych) lub poprzez włączenie szeregowo z twornikiem regulowanego rezystora zwanego rozrusznikiem.
Przy zastosowaniu rozrusznika prąd rozruchowy:
(7.9)
gdzie: Rr - rezystancja rozrusznika.
Wartość rezystancji Rr dobiera się tak, aby prąd rozruchowy nie przekraczał (1,2...2)Itn. Rozruch silnika bocznikowego przeprowadza się zmieniając rezystancję Rr od wartości maksymalnej do zera, przy maksymalnym strumieniu wytworzonym przez uzwojenie. Ponieważ będzie zmniejszony prąd It dlatego, jak wynika ze wzoru (7.2), należy podczas rozruchu zapewnić maksymalny strumień, aby uzyskać duży moment elektromagnetyczny silnika i krótki czas rozruchu. Rozrusznik silnika bocznikowego (rys.7.6) jest więc zbudowany w taki sposób, aby w obwód twornika włączana była regulowana rezystancja, natomiast obwód wzbudzenia włączany był bezpośrednio do sieci.
Rys.7.6. Schemat rozrusznika
Na rys.7.7 przedstawiono wpływ rezystancji rozrusznika na charakterystykę zewnętrzną silnika i przebieg rozruchu.
W ćwiczeniu został zastosowany tyrystorowy zespół napędowy.
Rys.7.7. Przebieg rozruchu silnika bocznikowego
1.1.4. Regulacja prędkości obrotowej silnika bocznikowego
Regulację prędkości obrotowej silnika bocznikowego możemy przeprowadzić przez:
a) zmianę strumienia magnetycznego,
b) zmianę rezystancji w obwodzie twornika,
c) zmianę napięcia zasilającego.
Ad a) Zmianę wartości strumienia magnetycznego można uzyskać włączając rezystancję dodatkową do obwodu wzbudzenia. Tym sposobem możemy regulować prędkość w górę (rys.7.8).
Rys.7.8. Charakterystyki zewnętrzne silnika bocznikowego przy różnych wartościach strumienia magnesującego
Ad b) Włączenie rezystancji dodatkowej w obwód twornika pozwala uzyskać regulację prędkości w dół. Ze wzoru
(7.10)
wynika, że im większy opór dodatkowy Rd, tym charakterystyka zewnętrzna (rys.7.9) jest silniej opadająca. A zatem ten sposób regulacji powoduje zmniejszenie sztywności charakterystyki zewnętrznej i wówczas prędkość w znacznym stopniu zależy od obciążenia silnika.
Rys.7.9. Charakterystyki zewnętrzne silnika bocznikowego przy włączonej szeregowo rezystancji dodatkowej Rd w obwodzie twornika
Dodatkową wadą tego sposobu regulacji prędkości obrotowej są znaczne straty energii wydzielanej w postaci ciepła w oporniku dodatkowym. Strat energii można uniknąć poprzez zmianę wartości napięcia zasilającego silnik (sposób c) za pomocą specjalnych układów, np. układu Leonarda lub obecnie najczęściej stosowanego układu tyrystorowego.
1.1.5. Tyrystorowe zespoły napędowe
...