ELEKTRICITEIT GELIJKSTROOMMOTOREN - LABO

ELEKTRICITEIT GELIJKSTROOMMOTOREN - LABO Technisch Instituut Sint-Jozef Wijerstraat 28, B -3740 Bilzen Cursus: I. Claesen/R.Slechten Versie:18/11/2004 1 PROEVEN OP GELIJKSTROOMMOTOREN...2 1.1 Inleiding...2 1.2 Motorbelasting bij een onafhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor en generator...2 1.3 Motorvermogens en verliezen...3 1.4 Gegevens van de motor...4 1.5 Draaizin...4 1.5.1 Opstelling...4 1.6 Invloed van de bekrachtiging...5 1.6.1 Inleiding...5 1.6.2 Opstelling...5 1.6.3 Uitvoering...5 1.6.4 Metingen...5 1.6.5 Grafiek...5 1.7 Invloed van de ankerspanning...8 1.7.1 Inleiding...8 1.7.2 Opstelling...8 1.7.3 Uitvoering...8 1.7.4 Metingen...8 1.7.5 Grafiek...8 1.8 Vermogenverliezen in een DC-machine...10 1.8.1 Opstelling...10 1.8.2 Meettabel...10 1.8.3 Grafiek...10 1.9 Motorkarakteristieken...12 1.9.1 Inleiding...12 1.9.2 Berekeningen / grafiek...12 Metingen...12 1.10 Bepalen van de aanloopstroom van de DC-MG groep...15 1.11 Bepalen van de aanloopstroom van een DC-motor met behulp van een Fluke 39...17

1 PROEVEN OP GELIJKSTROOMMOTOREN 1.1 Inleiding Omdat een gelijkstroommachine qua werking' omkeerbaar is, is de constructie van de DC-motor reeds besproken in blok 2 van de DC-generatoren. Evenzeer zijn in datzelfde blok de verschillende aanloopmethodes voor DC-motoren uitvoerig besproken. 1.2 Motorbelasting bij een onafhankelijk bekrachtigde gelijkstroommotor en generator De DC-motor haalt zijn energie uit het aangesloten DC-net. Via een elastische koppeling is de as van de DC-motor verbonden met de as van een DC-generator. De DC-generator levert op zijn beurt energie aan de aangesloten weerstandsbelasting. Voor de generator kunnen we schrijven: I Lorentzkracht T Als we R laten afnemen => ag t Voor de motor kunnen we schrijven: T.g.v. Tt wordt de motor afgeremd. We verwachten dat het toerental zal dalen. Maar we zullen in de proefopstelling zien dat het toerental constant blijft. De ankerstroom van de motor neemt wel toe. Hoe kunnen we dit verklaren. Waarom daalt de flux? U = E + I. R = k.. φ n + I. R t am i e am i U = k.. φ n + I. R e am i ct ct φ... Besluit: - wordt een weerstand bij ingeschakeld, dan stijgt het tegenwerkend koppel Tt van de generator, waardoor het drijvend koppel Tas ook zal toenemen. De motor gaat vervolgens meer stroom halen uit het DC-net. - het asvermogen Pas van de motor neemt toe als een belastingsweerstand wordt bijgeschakeld. Zie op t Roodt 3 pg. 129 Labo gelijkstroommotoren 2 Versie:18/11/2004

De MG-groepen die bij de proeven kunnen gebruikt worden, zijn gebouwd met identieke machines. Ze worden aangegeven met het beschikbare vermogen Pn en de spanning U waarop ze werken. Verder is de spanning Um en stroom Im voor de veldbekrachtiging opgegeven. MG-groep Pn(kW) Ua(V) Ia(A) Um (V) => Im = -a- 3 220 0,35 220 -b- 0,4 200 --- PM --- -c- 0,18 24 0,74 24 1.3 Motorvermogens en verliezen In de DC-machines zijn volgende verliezen aanwezig: ijzerverliezen Pfe bestaande uit de wervelstroomverliezen en de h ysteresisverliezen in het anker mechanische verliezen Pm hoofdzakelijk bestaande uit de ventilatieverliezen koperverliezen Pcu bestaande uit de joule-effecten in de anker- en de veldwikkelingen Indien beide machines (motor en generator) van een bepaalde MG-groep gelijk bekrachtigd worden, dan zijn de ijzerverliezen P fe, alsook de mechanische verliezen Pm van beide machines evengroot en alleen afhankelijk van de rotatiesnelheid n. Het koperverlies Pcu in een machine is enkel afhankelijk van de ankerstroom: In deze uitdrukking is R de inwendige weerstand van het anker en I de ankerstroom. We gaan ervan uit dat de veldbekrachtiging van de motor en generator even groot zijn. P cu = RI. Het totaal vermogenverlies Pv in een DC-machine is bijgevolg: Pv = Pcu+ Pfe+ Pm 2 Voor de motor wordt elektrisch vermogen toegevoerd via A1-B2 (P1) en E1-E2 (Pveld ). Het nuttig vermogen op de as beschikbaar gesteld (Pn = Pas). Pt = Pn + Pv of P1+ Pveld = Pas+ Pfe+ Pm + Pcu1 P1 = Pas + Pfe + Pm + Pcu 1 Pveld (1) Voor de generator wordt vermogen toegevoerd via de as (Pt=Pas) en en E1 -E2 (Pveld). Het nuttig vermogen omgezet in de belasting (Pn=P2): Pn = Pt Pv of P2 = Pas + Pveld Pfe Pm Pcu2 (2) Labo gelijkstroommotoren 3 Versie:18/11/2004

Door bovenstaande uitdrukkingen (1) en (2) te sommeren, kunnen we het asvermogen Pas afleiden: P P P P P 1+ 2 = 2 as + cu 1 cu 2 1 1 Pas = ( P1 + P2) ( Pcu1 Pcu2) (3) 2 2 Maken we het verschil van de uitdrukkingen (1) en (2), dan vinden we: P P = 2( P + P) + P + P 2P 1 2 fe m cu1 cu2 veld 1 1 Pfe + Pm = ( P1 P2) ( Pcu 1+ Pcu2) + P veld (4) 2 2 Dus: zowe l het asvermogen Pas als de ijzer- en ventilatieverliezen Pfe+Pm samen zijn door meting van elektrische vermogens (met V- en A-meter) te bepalen. 1.4 Gegevens van de motor Neem volgende gegevens over van het kenplaatje van de motor van de verschillende MG-groepen: -ankerspanning (U) -vermogen (Pas ) -ankerstroom (I) -rotatiesnelheid (n) Bereken met deze gegevens volgende motorgrootheden: a- het nominaal toegevoerd elektrisch vermogen P1. b- de rotatiesnelheid in s -1. c- het nominaal askoppel Tas d- het rendement. Geef de formules voor de berekening en noteer al de gegevens en berekeningen in een tabel. 1.5 Draaizin De draaizin van de motoras is afhankelijk van de zin van het magnetisch veld (dus van de zin van de veldstroom IF) en van de zin van de ankerstroom Ia (dus van de polariteit van de klemspanning U). In de theorie wordt hiervoor de regel van de linkerhand gebruikt. 1.5.1 Opstelling De DC-motor (3kW) wordt aangesloten op het DC-net via een aanzetweerstand. Er wordt geen belasting toegepast. a- Schakel het DC-net in en regel de spanning af op 220 V. b- Start de DC-motor en regel de snelheid n ongeveer af op 1500tr/min. c- Ga de draaizin na van de motoras! d- Voer de proef ook uit met de andere zin van de veldstroom. (wissel de aansluitingen E1 en E2 bij de motor!) e- Voer de proef ook uit met de andere zin van de ankerstroom. (wissel de aansluitingen A1 en B2 bij de motor!) INSTELLINGEN WAARNEMINGEN Ankerstroomzin pol (A1) Veldstroomzin pol (E1) draaizin + + + - - - - + Labo gelijkstroommotoren 4 Versie:18/11/2004

1.6 Invloed van de bekrachtiging 1.6.1 Inleiding Het toerental van de DC-motor wordt gegeven door de uitdrukking: n y U -------- Ke.F Als de ankerspanning U constant wordt gehouden, dan zal het toerental n omgekeerd evenredig zijn met de bekrachtiging F van de DC-motor, dus met de veldstroom IF. De proef kan alleen uitgevoerd worden met DC-motoren voorzien van een veldwikkeling. 1.6.2 Opstelling In de opstelling van de vorige proef plaatsen we een A-meter in de veldketen (veldstroom IF). Het toerental n wordt opgemeten met de hand tachometer. 1.6.3 Uitvoering a- Start de DC-motor. b- Stel de weerstand van de veldregelaar zo in dat de stromen overeen komen met de onderstaande tabel. c- Meet voor elke tabelwaarde het toerental. 1.6.4 Metingen INSTELLINGEN METINGEN IF n (A) (min -1 ) 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 1.6.5 Grafiek Teken de grafiek n=f(if) met U als parameter (te gebruiken schalen: 200 tr/min-1 /cm en 50 ma/cm). Labo gelijkstroommotoren 5 Versie:18/11/2004

Labo gelijkstroommotoren 6 Versie:18/11/2004

LABOBLAD: Labo gelijkstroommotoren 7 Versie:18/11/2004

1.7 Invloed van de ankerspanning 1.7.1 Inleiding Het toerental van de DC-motor wordt gegeven door de uitdrukking: Als de ankerspanning U constant wordt gehouden, dan zal het toerental n recht evenredig zijn met de ankerspanning U van de DC-motor. 1.7.2 Opstelling De veldwikkeling van de DC-motor wordt aangesloten op het DC-net van 220 V in serie met een veldregelaar. Een A- meter meet de grootte van de veldstroom IF. De toegepaste ankerspanning U is afkomstig van de regelbare gelijkspanningsvoeding van 250 V en wordt opgemeten door een V-meter. Het toerental n wordt opgemeten met de handtachometer. 1.7.3 Uitvoering a- Start het DC-net op. b- Schakel de bekrachtiging in en stel de veldstroom in op 0,3 A. c- Schakel de gelijkspanningsvoeding in en regel de ankerspanning achtereenvolgens af in stappen van 40 V te beginnen bij 0 V. Meet telkens de overeenkomstige rotatiesnelheid n op en noteer de meting in de meettabel. n U ke. φ 1.7.4 Metingen INSTELLINGEN METINGEN U n (V) (min -1 ) 0 40 80 120 160 200 240 1.7.5 Grafiek Teken de grafiek n=f(u) met IF als parameter (te gebruiken schalen: 200 tr/min-1 / en 40 V/. Labo gelijkstroommotoren 8 Versie:18/11/2004

1.8 Vermogenverliezen in een DC-machine Zowel de ijzerverliezen Pfe als de mechanische verliezen Pm zijn afhankelijk van de snelheid en kunnen bij nullast bepaald worden. Bij nullast wordt uitdrukking (4) voor 2 gekoppelde machines: P1+ Pcu1 Pfe+ Pm = of 2 2 U. I + RI. 1 1 1 1 Pfe+ Pm = (5) 2 1.8.1 Opstelling De veldketens van beide machines worden aangesloten op het DC-net van 220 V zonder veldweerstand De ankerketen van de motor wordt aangesloten op de regelbare gelijkspanningsvoeding via een V- en A-meter. Bekrachtig de machines met U F = 200 V. Regel de verschillende toerentallen volgens de onderstaande tabel. Meet spanning en stroom door ankerketen. Bereken de vermogen verliezen. 1.8.2 Meettabel INSTELLING METINGEN BEREKENINGEN n (min -1 ) U (V) I(A) Pfe + Pm 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1500 1.8.3 Grafiek Teken de grafiek PFE+PM=f(n) met schalen van 10 W/ en 200 tr/min/. Welk verloop heeft de grafiek? Labo gelijkstroommotoren 10 Versie:18/11/2004

1.9 Motorkarakteristieken 1.9.1 Inleiding Drie belangrijke grootheden van de DC-motor zijn het toerental n, het draaikoppel T en de opgenomen stroom Ia. Als parameter bij de motorkarakteristieken geldt een constante bekrachtiging φ en een constante ankerspanning U. Ze leveren volgende karakteristieken voor de DC-motor: Et U IaRa. - de draaisnelheid-stroomkarakteristiek n = f( I a ) n = = ke. φ ke. φ - de koppel-stroomkarakteristiek T = f( I a ) T = km.. φ Ia - de koppel-snelheidskarakteristiek T = f ( n) We gebruiken de motorsnelheidsregeling voor DC-motoren. De veldwikkelingen van generator en motor worden aangesloten op de constante gelijkspanning van 200 VDC (gelijke bekrachtiging) en gemeten met een V-meter. De ankerketen van de motor wordt via een V- en A-meter (U1 en I1) aangesloten op de rege1bare gelijkspanning die het motorregelpaneel levert. De ankerketen van de generator wordt via een V- en A-meter (U2 en I2) aangesloten op de DCbelasting. Nota: de proeven kunnen ook hier uitgevoerd worden met de andere MG-groepen. a- We starten de DC-motorsnelheidsrege1ing en regelen de ankerspanning af op 220 V. We meten de opgenomen ankerstroom I1 en het toerenta1 n en noteren de waardes in de tabel. b- We schakelen een weerstand van de DC-belasting in. We regelen de ankerspanning voor de motor eventueel terug bij op 220 V. We noteren de aflezingen van de V- en A-meters (U1, I1, U2, I2) in de tabel en nemen eveneens het toerental op. c- Voor iedere bij-ingeschakelde weerstand verrichten we aangegeven metingen en noteren ze in de tabel. 1.9.2 Berekeningen / grafiek - Bereken voor al de meetgevallen het asvermogen Pas (formule 3), de hoeksnelheid, het koppel T en het rendement. - Teken de motorkarakteristieken met de volgende schalen: 2 Nm/, 200 tr/min/ en 2 A/. Verklaar het verloop van de grafieken. - Bereken het rendement uit de metingen van vorige proef. Teken de grafiek van het rendement in functie van het asvermogen met schalen van 0, 1/ en 500 W/. Metingen Belasting = R/n (ohm) Um =... V U1 = 220 V Ranker = Ω 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 aantal weerstanden I ( A ) U ( V ) I ( A ) tr 1 2 2 n ( ) min ω ( ) P ( W ) T( Nm ) rad s as η Labo gelijkstroommotoren 12 Versie:18/11/2004

n = f( I a ) T = f( I a ) T = f( n) η = f( P as ) 1 1 P = ( P + P) ( P P ) met P = RI. + RI en P = RI. + RI 2 2 P P = ( I I ). R 2 2 2 2 as 1 2 cu1 cu2 cu1 i 1 m m cu2 i 2 m m 2 2 cu1 cu2 1 2 i Pas = Tω. η = P as P t ω = 2πn 60 Labo gelijkstroommotoren 13 Versie:18/11/2004

1.10 Bepalen van de aanloopstroom van een DC-MG groep. Meting 1 Meet de weerstand van de aanzetweerstand en de ankerwikkeling + hulpwikkeling. Sluit de gelijkstroommotor aan met de veldregelweerstand en de aanzetweerstand. Meet de ankerstroom d.m.v de ampére-tang (Let op : wel een DC ampére -tang gebruiken) Start de RECORD MODE. (zie uitleg hieronder). Start de motor met de aanzetweerstand. Let op dat het veld bekrachtigd is. Lees de maximale stroom af. Herhaal deze meting 5 maal. Neem de grootste waarde van deze meting. Bepaal ook de bedrijfstroom als de motor op toeren is gekomen. R azgemeten = R igemeten = I azgemeten = I agemeten = Meting 2 Meet de spanning over de ankerketen en de aanzetweerstand en bereken hieruit de aanloopstroom. U brongemeten = R Raz + Ra + Rhgemeten = I azberekend = U = Et + Ranker keten. Ia (zie formule U = Et + RI i. a met Ri = Ra + Rh en Rankerketen = Ra + Rh + Raz ) Bereken de aanloopstroom indien er geen aanloopweerstand is. I azberekend = Labo gelijkstroommotoren 15 Versie:18/11/2004

1.11 Bepalen van de aanloopstroom van een DC-Motor. (DC-motor = DC-motor met PM of Max-Clementz opstelling) Meting 1 Sluit de gelijkstroommotor aan. (U= ) Schakel de MM zodat we de stroom kunnen meten door de ankerwikkeling. Meet de ankerstroom wanneer de motor stil staat. (Motor vasthouden). Meet de ankerweerstand en de bronspanning na. Meet de ankerstroom wanneer de motor in bedrijf is. R agemeten = U brongemeten = I azgemeten = I agemeten = Bereken de aanloopstroom. R agemeten = U brongemeten = I azberekend = Bepaal de tegenspanning wanneer de motor in bedrijf is. R agemeten = U brongemeten = I agemeten = E tberekend = Teken meetopstelling na: Labo gelijkstroommotoren 17 Versie:18/11/2004