Name: dc motors and generator action
Uploaded: 2023-04-30T06:43:07.000Z
Duration: 9 min 29 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Arizona Science Standards

High School

Physical Science

HS.P3

HS.P3U2.7

DC Motors

1. בדיקות DC
<ol><li>עם ספק הכוח DC בהספק נמוך מוגבל ל- 0.8 A, חבר את מסופי האספקה לא armature מכונת DC.</li>
	<li>תעד את המתח בוושינגטון ואת קריאות הזרם של האספקה.</li>
	<li>להעריך את ההתנגדות של כל פיתול.</li>
	<li>חזור על הפעולה עבור פיתולים אחרים, שדה דלף ושדה סידרה, אחד בכל פעם.</li>
	<li>כבה ונתק את ספק הכוח DC בצרימת חשמל נמוכה.</li>
	<li>הגדר את הרוסטטית השדה המובנית להתנגדות מרבית ומדוד את התנגדותו.</li>
	<li>הגדר את שדה הסידרה rheostat (חיצוני) להתנגדות המרבית ולמדוד את ההתנגדות שלה.</li>
</ol>2. הגדרת פריים-מובר ומגנטיות שיורית
ראש-מוביל בניסוי זה הוא המכונה הסינכרונית, הפועלת כמנוע המסובב את רוטור גנרטור DC (armature).
<ol><li>ודא שמתג הניתוק תלת-פאזי, מתג המנוע הסינכרוני ומתג מנוע DC כבויים.</li>
	<li>ודא כי VARIAC הוא ב 0%.</li>
	<li>התחבר את ה-VARIAC לשקע תלת-פאזי וחבר את ההתקנה המוצגת ב- Fig. 5.</li>
	<li>ודא כי הבורר "התחל/הפעל" נמצא במצב "התחל".</li>
	<li>הפעל את מתג הניתוק המשולש.</li>
	<li>הפעל את ספק הכוח DC במתח גבוה.</li>
	<li>ודא שכל החיבורים פנויים ממסופי האספקה.</li>
	<li>לחץ על כפתור "V/I DIS" באספקה כדי להציג את נקודות ההפעלה המתח והזרם. כוונן את ידית המתח ל-125 וולט.<ol>
<li>אל תלחץ על לחצן התחל.</li>
	</ol>
</li>
	<li>לחץ על כפתור "התחל" בלוח ספק הכוח DC.</li>
	<li>הגדל באיטיות את פלט VARIAC עד ש- VAC1 יקרא 120 V.</li>
	<li>כאשר המנוע הסינכרוני מגיע למהירות מצב יציבה, הפוך את המתג 'התחל/הפעל' למצב 'הפעלה'.</li>
	<li>מדוד והקליט את מהירות הסיבוב באמצעות נורית המהבהב והקלט VA.</li>
	<li>כבה את ספק הכוח DC והחזר את ה- VARIAC ל- 0%.</li>
	<li>אפס את הבורר "התחל/הפעל" ל"התחל".</li>
	<li>כבה את מתג הניתוק המשולש.</li>
</ol><img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig5.jpg"> איור 5: שרטוט של אופן ההגדרה של ראש-מוביל. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
3. אפיון מחולל דלף DC
<ol><li>בצד מחולל DC, חבר את שדה הדלף במקביל לשדה הזרוע כפי שמוצג ב- Fig. 6.</li>
	<li>השתמש rheostat המובנה עבור RFsh(שלוטה), ולהשתמש במונה רב כ ammeter כדי למדוד IFsh.</li>
	<li>שמור על "S1"פתוח לבדיקה ללא עומס.</li>
	<li>שמור על "RFsh ( שלו)" בהתנגדות מקסימלית.</li>
	<li>הפעל את מתג הניתוק המשולש.</li>
	<li>לחץ על כפתור "התחל" בלוח ספק הכוח DC.</li>
	<li>הגדל באיטיות את פלט VARIAC עד ש- VAC1 יקרא 120 V.</li>
	<li>כאשר המנוע הסינכרוני מגיע למהירות מצב יציבה, הפוך את המתג "התחל/רוץ" למצב "הפעל".</li>
	<li>מדוד את מהירות הפיר באמצעות טכניקת האור המהבהב המתוארת במקום אחר.</li>
	<li>הקלט VA במצב ללא עומס זה בצד מחולל DC.</li>
	<li>הפחת RFsh(שלוט) עד שהמתח שנוצר ב- VA הוא סביב 150 V.</li>
	<li>לאחר נקודה זו, הפחת את "RFsh ( שלוחת)" בחמישה צעדים כמעט שווים עד להשגת ההתנגדות המינימלית.
	<ol>
<li>עבור כל שלב, למדוד VA ו-I Fsh.</li>
	</ol>
</li>
	<li>השאר RFsh (שלוטת) בערך המינימלי שלו.</li>
	<li>כבה את ספק הכוח DC.</li>
	<li>הקטן את פלט VARIAC ל- 0%.</li>
	<li>הזז את האמטר ממדידת IFsh כדי למדוד IA.</li>
	<li>הפעל מחדש את ההתקנה כמתואר קודם לכן.</li>
	<li>הגדר RL ל 300 Ω, ולהדליק את "S1". מדוד VA ואני A.</li>
	<li>כבה את "S1",הגדר RL ל- 200 Ω ולאחר מכן הפעל את "S1". מידה VA, ואניA.</li>
	<li>כבה את "S1",הגדר את RL ל- 100 Ω ולאחר מכן הפעל את "S1". מידה VA, ואניA.</li>
	<li>כבה את ספק הכוח DC והגדר את פלט VARIAC ל- 0%.</li>
	<li>שמור את צד הגנרטור הסינכרוני של ההתקנה ללא פגע.</li>
	<li>נתק את חיבורי מחולל DC.</li>
	<li>אפס את הבורר "התחל/הפעל" ל"התחל".</li>
	<li>כבה את מתג הניתוק המשולש.</li>
</ol><img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig6.jpg"> איור 6: שרטוט של הגדרת מחולל DC דלף. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
4. אפיון מחולל סדרת DC
<ol><li>בצד מחולל DC, חבר את שדה הסדרה בסדרה עם שדה armature כפי שמוצג תאנה 7.<ol>
<li>השתמש ברוסטטית החיצונית עבור RFse(שלוקט).</li>
		<li>השתמש rheostat המובנה כמו RL ויש לו בהתנגדות מקסימלית.</li>
		<li>שמור על "S1"פתוח לבדיקה ללא עומס.</li>
		<li>שמור RFse (שלולת) בהתנגדות מקסימלית.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הפעל את מתג הניתוק המשולש.</li>
	<li>לחץ על כפתור "התחל" בלוח ספק הכוח DC.</li>
	<li>הגדל באיטיות את פלט VARIAC עד ש- VAC1 יקרא 120 V.</li>
	<li>כאשר המנוע הסינכרוני מגיע למהירות מצב יציבה, הפוך את המתג "התחל/רוץ" למצב "הפעל".<ol>
<li>מדוד VA במצב זה ללא עומס בצד מחולל DC.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הפעל את "S1"והפחת את RFse (שלוקט) לפי הצורך כדי לראות VAשאינו אפס.</li>
	<li>ערוך RL בחמישה שלבים כמעט שווים עד להגעה להגדרה של 50%, מוגדר ל- 300 Ω וההפעלה של "S1". למדוד את המהירות, VA,ואני A.<ol>
<li>כבה את "S1",הגדר RL ל- 200 Ω ולאחר מכן הפעל את "S1". למדוד את המהירות, VA,ואני A.</li>
		<li>כבה את "S1",הגדר את RL ל- 100 Ω ולאחר מכן הפעל את "S1". למדוד את המהירות, VA,ואני A.</li>
	</ol>
</li>
	<li>כבה את ספק הכוח DC.<ol>
<li>הגדר את פלט VARIAC ל- 0%.</li>
		<li>שמור את צד הגנרטור הסינכרוני של ההתקנה ללא פגע.</li>
		<li>נתק את חיבורי מחולל DC.</li>
		<li>אפס את הבורר "התחל/הפעל" ל"התחל".</li>
	</ol>
</li>
	<li>כבה את מתג הניתוק המשולש.</li>
	<li>לפרק את כל החוטים והמטרים.</li>
</ol><img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig7.jpg"> איור 7: שרטוט של הגדרת מחולל DC של הסדרה. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig7large.jpg" target="_blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
&lt;

מכונות DC הן פחות נפוצות באופן משמעותי ממה שהיו לפני המצאת אינדוקציה AC ומכונות סינכרוניות. הם נשארים נפוצים ביישומי הספק נמוך פשוטים כגון צעצועים, רובוטים קטנים וציוד מדור קודם. מכונות DC מגנט קבוע, המשתמשות בשפע מגנטים אדמה לא נדירים, שכיחות יותר מאשר חלקי דלפק דלף וסדרות שלהם בשל עירור פשוט יותר, במיוחד ביישומים בעלות נמוכה ומורכבות נמוכה.

מנועי dc

מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT. 
מכונת DC פועלת עם זרמי DC ומתחים בניגוד למכונת AC, הדורשת זרמי AC ומתחים. מכונות DC היו הראשונות שהומצאו ולהשתמש בשני שדות מגנטיים הנשלטים על ידי זרמי DC. ניתן להגדיר מחדש את אותה מכונה בקלות להיות מנוע או גנרטור אם עירור שדה מתאים זמין, שכן למכונת DC יש שני שדות המכונים שדה וארמטורה. השדה נמצא בדרך כלל בצד הסטטור והארטורה נמצאת בצד הרוטור (ממול או מבפנים החוצה בהשוואה למכונות AC). עירור שדה יכול להיות מסופק על ידי מגנטים קבועים או מתפתל (סליל). כאשר הזרם מוחל על הזרוע או סליל הרוטור, הוא עובר ממקור DC ל סליל דרך מברשות נייחות וטבעות החלקה המותקנות על הרוטור המסתובב נוגע במברשות. כאשר סליל זרוע הרוטור הוא לולאה נושאת זרם, והוא חשוף לשדה חיצוני מן הסטטור או מגנט שדה, כוח מופעל על הלולאה. מכיוון שהלולאה "תלויה" משני צידי המנוע באמצעות מסבים, הכוח מייצר מומנט שיסובב את פיר הרוטור במקום להזיז אותו לכל כיוון אחר.
סיבוב זה גורם לשדות המגנטיים להתיישר אך יחד עם זאת, טבעות החלקה מחליפות צדדים במברשות, או "לנסוע", וזה מה שמכונה תהליך ההחלמה. כאשר קומוטציה זו מתרחשת, הזרימה הנוכחית בסליל הרוטור הפוכה ושדות מגנטיים מתנגדים זה לזה שוב, מה שגורם מומנט נוסף באותו כיוון הסיבוב. תהליך זה נמשך ופיר הרוטור מסתובב ומספק פעולה מוטורית. בפעולת גנרטור, סיבוב מכני מסופק לפיר הרוטור והזרם זורם מתוך הרוטור לאחר שהוא מושרה עקב סליל נע מתחת לשדה מגנטי.
למכונות שנדונו בניסוי זה יש שדה מתפתל ולא מגנטים קבועים. תהליך קומוטציה שהוא קריטי בתפעול מכונת DC משתמש בטבעות החלקה ובמברשות כדי להעביר אנרגיה מהרוטור (armature) לעולם החיצון מכיוון שהרוטור מסתובב וחוטים מסתובבים יסובבו וישברו אותם. עם זאת, מברשות אלה טבעות להחליק יש חסרונות אמינות גדולים כפי שהם דורשים תחזוקה קבועה, החלפת מברשת, ניקוי, ועלול לגרום ניצוצות. זה הוביל להחלפת רוב מכונות DC על ידי מכונות AC שאין להם בעיות אלה, ומכונות DC הנותרות יש בעיקר עירור שדה מגנט קבוע, כגון בצעצועים וכלים פשוטים בהספק נמוך. מכונות AC המכונות מכונות DC ללא מברשות (או BLDCs) הן מכונות AC המשתמשות במקור DC ומהפך אלקטרוני כוח כדי לקבל מתחי AC מתוך המהפך. 
מטרת הניסוי היא לבחון שתי תצורות עיקריות של מכונת DC: דלף וסדרות. הבדיקות נועדו להעריך את השטף השיורי במכונה וללמוד את המאפיינים ללא עומס וטעינה של תצורות שונות.

פיתולי הסדרה נושאים בדרך כלל זרם גבוה המדורג בזרם הזרוע המדורג של המכונה, שכן הן סדרות והן פיתולי הזרוע נמצאים בסדרה. לכן, פיתולים סדרות צפויים להיות בסדר גודל של mΩ לכמה Ω. פיתולים דלף לעומת זאת צריך לצייר זרם מינימלי מהמקור אשר כוח אותם יחד עם armature של המכונה, ולכן, יש ערכי התנגדות גדולים של עשרות עד מאות או אפילו אלפי Ω.
ניתן להעריך את שאריות ה- λR על ידי מדידת מתח הזרוע ללא עומס. מכיוון שזה מצב ללא עו...

מנועי DC

Source: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT. 
The DC machine operates with DC currents and voltages as ...

מנועי DC, ציוד הנעה, החל מצעצועים קטנים וכלי עבודה חשמליים נטענים, ועד לרכבים חשמליים. מכונות אלקטרומכניות אלה מורכבות מסליל מוליך פנימי, הנקרא אבזור, ומגנט חיצוני, הנקרא סטטור. מקור DC מספק זרם לאבזור באמצעות החלקה של קומוטטור. השראת כוח אלקטרומגנטי ומאפשר סיבוב של הלולאה. גודל הכוח האלקטרומגנטי תלוי בזווית בין השדה המגנטי לסליל, ויוצר תנודות במומנט עם סיבוב. פיתולים מרובים, המרווחים סביב האבזור, ממזערים את תנודות המומנט ומונעים מצורת הקומוטטור לקצר את אספקת החשמל. החלקת הקומוטטור מחליפה מעת לעת את כיוון הזרם דרך הסליל, ומונעת עוד יותר יישור של שדות מגנטיים. סרטון זה מציג תצורות של מנועי DC, ומדגים את המדידה של מאפייני ביצועי מנועי DC, כגון מהירות, זרם ומתח עם עומס משתנה. סטטרים מגנטים קבועים, במכונות DC הם הנפוצים ביותר, עם זאת, כאשר השדה המגנטי של הסטטר מיוצר באמצעות פיתולי מוליכים, ניתן לשנות את מאפייני הביצועים, כגון מהירות ותפוקת מומנט, באמצעות תכנון שדה חשמלי. לדוגמה, מהירות קשורה למתח שפותח על ידי המנוע, הנקרא כוח מנוע אלקטרו, או EMF. באופן דומה, המומנט פרופורציונלי לזרם. מאפיינים אלה משתנים בהתאם לעיצוב המנוע, ומשפיעים על עיצוב המנוע שנבחר עבור יישומים מסוימים. ארבע התצורות האלקטרוניות הבסיסיות של מכונות DC הן נרגשות בנפרד, מצד (shunt), סדרה ומורכבת. מנועים נרגשים בנפרד משתמשים בספקי-כוח נפרדים עבור השדה והאבזור, המאפשרים בקרה עצמאית לתמיכה בעומסים משתנים. בתכנון שאנט, התצורה הנפוצה ביותר, פיתולי שדה מחוברים במקביל לעומס האבזור, עם אספקת DC משותפת. זה מספק מהירות מתכווננת עם עומס משתנה, וזה שימושי במכונות ובמשאבות מרכזיות. בתצורת סדרה, אספקת DC מפעילה את השדה ואת האבזור בטור. זה מספק מומנט התנעה גבוה יותר להתגברות על עומסים ביניים בציוד, כגון רכבות, מעליות או מנופים. מנועי עיצוב מורכבים משתמשים הן במעגלים מצד והן במעגלים טוריים הן עבור מומנט התנעה גבוה והן עבור ויסות מהירות. ייתכן ששדה המצד נטען לפני או אחרי שדה הסידרה. כעת, לאחר שתוארו התצורות של מנועי DC, יודגם הניתוח של יחסי זרם, מתח ועומס במנועי DC shunt. ניתן להשתמש בנתונים שנאספו במבחני DC לבניית מודלים של מעגלים שווים במידת הצורך. לפני מדידת המאפיינים החשמליים של מנוע ה-DC, הגדר את אספקת ה-DC בהספק נמוך ל-0.8 amps, וחבר את מסופי האספקה לאבזור המכונה. לאחר מכן, רשום את מתח האספקה והזרם. לאחר מכן, השתמש במולטימטר כדי למדוד מתח וזרם על פני האבזור, לסובב את שדה השאנט ואת שדה הסדרה. השתמש בנתונים כדי להעריך את ההתנגדות בכל רכיב. לאחר מדידת המאפיינים הבסיסיים של מחולל מנוע DC, הגדר את ריאוסטט השדה המובנה להגדרות המקסימליות ומדוד את ההתנגדות שלו. לבסוף, הגדר את ריאוסטט שדה הסדרה החיצונית לגבול העליון שלו, ומדוד את ההתנגדות שלו. לאחר בדיקות מנוע DC, נעשה שימוש במכונה סינכרונית לסיבוב האבזור של מכונת DC. לפיכך, מכונת ה-DC מופעלת כגנרטור, ללא עירור שדה, ואז ללא עומס. בתנאים אלה, מתח המסוף שווה ל- EMF. מהירות הסיבוב של הגנרטור נמדדת, ומשמשת לחישוב המגנטיות שנשמרת על ידי האבזור בהיעדר עירור סליל, הנקראת מגנטיות שיורית. ראשית, בדוק שהניתוק התלת פאזי, המנוע הסינכרוני ומנוע ה-DC כבויים כולם. לאחר מכן, חבר פיסת סרט קטנה לרוטור החיצוני של מנוע DC. לאחר בדיקה שה-variac מוגדר לאפס אחוז, חוט את ה-variac לשקע התלת פאזי. לאחר מכן, חבר את ההגדרה כפי שמוצג. לאחר מכן, בדוק שמתג הפעלת ההתחלה נמצא במצב ההתחלה. לאחר ההתאמות ל-variac, ודא שכל החיבורים נקיים ממסופי האספקה. רק אז, הפעל את מתג הניתוק התלת פאזי. לאחר מכן, הפעל את כרך גבוהtagספק כוח DC, לחץ על לחצן התצוגה VI כדי להציג את זרם קצה ההפעלה, וכוונן את כרךtagכפתור המתח ל-125 וולט. אל תלחץ על כפתור ההתחלה לפני כוונון כרךtagכפתור. לחץ על לחצן ההתחלה, לוח אספקת החשמל DC והפעל את הציוד. לאחר מכן, הגדל לאט את פלט ה-variac עד שמתח המסוף קורא 120 וולט. כאשר המנוע הסינכרוני מגיע למהירות סיבוב במצב יציב, סובב את מתג הפעלת ההתחלה כדי לפעול. שימו לב לשינויי צליל המכונה. צליל המכונה הופך מונוטוני במצב יציב. השתמש באור ה-strobe כדי להקפיא את תנועת המנוע על ידי סנכרון קצב ה-strobe למהירות סיבוב המנוע. הקלטת המחוברת לרוטור תיראה נייחת כאשר נורית ה-strobe מסונכרנת. ודא שקצב זה הוא מהירות המנוע על ידי הגדלה איטית של קצב ה-strobe כדי לסנכרן את המאוורר בקצב הגבוה הבא. אם זה נכון, זה יהיה כפול מקצב סנכרון ה-strobe הראשון שנצפה. רצף הפעלה זה יחזור על עצמו לפני כל ריצת בדיקה שלאחר מכן. לאחר ההפעלה, רשום את מהירות הסיבוב של המנוע ואת מתח האבזור. לאחר מכן השתמש בנתונים אלה כדי לחשב את עוצמת השדה המגנטי השיורי. מכונות DC משמשות במגוון יישומים. לאחר אפיון פרמטרי ההפעלה של מכונות שונות, ניתן לבחור אותן על סמך מפרטי עיצוב למכשיר מסוים. ניתן לאפיין את מחולל ה-DC בתצורות שונות, כגון תצורת ה-shunt. כאשר מתג S1 פתוח, ללא בדיקת עומס, נגדי עומס קצה השדה מותאמים למקסימום. לאחר מכן, מהירות הפיר ומתח המסוף נרשמים כמתואר קודם לכן. התנגדות השאנט מצטמצמת בחמישה שלבים עד שמגיעים להתנגדות המינימלית. ומתח המסוף והזרם על פני נגד השאנט נמדדו. ניתן למדוד את המנוע עם עומסים מדומים באמצעות נגדי עומס, בהתאם לאותו פרוטוקול. לכל סוג של גנרטור DC יש פלט זרם מתח משלו. גנרטורים מצד יכולים לספק מתח עבור מגוון רחב של עומס זרם, בעוד שגנרטורים סדרתיים מספקים מתח הולך וגדל עם עומס זרם. במגוון יישומים, שבהם עדיף מקור כוח אלחוטי, כגון תותבות ממונעות, מנועי DC הם המפעיל הנבחר. בתותבות גפיים תחתונות מבוקרות עצבית, חיישנים עיליים או טרנס-דרמליים משמשים לשליחת אותות למפרקים ממונעים בגפה החלופית, בדומה לרגל שלמה. הטיית השער וכף הרגל נשלטת באופן טבעי ואינטואיטיבי יותר ממה שהיה אפשרי באמצעות החלפת גפיים קשיחות. זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב למנועי DC. כעת עליך להבין כיצד פועל מנוע DC וכיצד לאפיין את הפרמטרים שלו. תודה שצפית.

Education

JoVE Science Education

Engineering

הנדסה

Electrical Engineering

הנדסת חשמל

dc motors and generator action

DC machines use direct current and direct voltage to create motion or generate electricity. They were the first machines of this kind to be invented. A DC machine works with two magnetic fields that are controlled by DC currents, and the same machine can be set up as either a motor or a generator when the right field excitation is available.

In a DC machine, the field is usually on the stator side and the armature is on the rotor side. That arrangement is the reverse of what is found in many AC machines. The field can come from permanent magnets or from a winding, which is a coil of wire.

When current reaches the armature coil, it passes from the DC source through brushes and slip rings. The brushes stay still, while the slip rings are mounted on the rotating rotor and touch the brushes as the rotor turns. A current-carrying loop in the armature, when placed in the field from the stator or field magnet, feels a force.

Because the loop is supported by bearings, that force creates torque. Torque makes the rotor shaft spin instead of moving in some other direction. As the shaft turns, the magnetic fields line up, and the slip rings switch sides on the brushes. This switching is called commutation.

During commutation, the current in the rotor coil reverses. The magnetic fields then oppose each other again, which keeps producing torque in the same direction. The cycle repeats, and the rotor shaft continues to spin. That is how the machine produces motor action.

In generator operation, the process is reversed. Mechanical rotation is applied to the rotor shaft, and current is induced in the moving coil under a magnetic field. The machines discussed here use a field winding rather than permanent magnets.

Brushes and slip rings are critical because they transfer energy between the spinning rotor and the outside circuit. They are needed because spinning wires would twist and break. At the same time, these parts have reliability problems. They need regular maintenance, brush replacement, and cleaning, and they may also cause sparking.

These drawbacks have led most DC machines to be replaced by AC machines that do not have the same issues. The DC machines that remain are often simple systems with permanent magnet field excitation, such as toys and low-power tools. AC machines called brushless DC machines, or BLDCs, use a DC source and a power electronic inverter to produce AC voltages.

The experiment in this collection focuses on two DC machine setups: shunt and series. It also aims to estimate the residual flux in the machine. In addition, it studies the no-load and loading characteristics of the different configurations.

DC Motors and Generator Action

electrical safety precautions and basic equipment

electrical-safety-precautions-and-basic-equipment

Safe Handling of High-Voltage Lab Power

Safe handling of high-voltage lab power is essential in electric machine and power electronics experiments. These labs involve electrical currents, voltages, power, and energy that require extreme care. The systems used in this work can include three-phase AC voltage at 208 V, 230 V, or 480 V. They may also use up to 250 V DC and currents that can reach 10 A. These levels can be dangerous if handled without proper attention. Electrocution can happen when electricity passes through the body.

characterization of magnetic components

B-H Curves and Inductor Core Limits

Magnetic components such as inductors and transformers depend on the core material around their windings. In this experiment, students get hands-on experience with these parts from both a design view and a material view. The work focuses on B-H curves, which show the magnetic behavior of a material. A B-H curve describes the magnetic flux density the core can support as current flows through the windings. It also helps show the limit before magnetic saturation occurs. Magnetic saturation...

introduction to the power pole board

Power Pole Board for DC/DC Converter Labs

The HiRel Power Pole Board is a flexible tool for studying DC/DC converters. A DC/DC converter changes direct-current voltage and current from one level to another. In many cases, voltage conversion is the main goal. This board supports several converter types on one platform. It can be used to examine boost converters, which step voltage up, and buck converters, which step voltage down. It also helps students study buck-boost converters, which can step voltage up or down. The board is also...

dc/dc boost converter

Stepping Up DC Voltage with Boost Converters

DC voltage can be increased with a boost converter. This step-up circuit is useful in many applications where a DC source must be raised without first converting it to AC, using a transformer, and then rectifying the transformer output. A boost converter uses an inductor as an energy storage device. The inductor supports the output with extra energy in addition to the DC input source. That added energy raises the output voltage. This experiment studies several characteristics of a boost...

dc/dc buck converter

Buck Converter Step-Down DC Voltage

A DC/DC buck converter steps down DC voltage in an efficient, regulated way. Unlike transformers, which easily raise or lower AC voltage and current, DC systems need switching power converters to change voltage levels. The buck converter works by chopping the input DC voltage with a series input switch. An L-C low-pass filter then smooths the chopped signal and extracts the average output voltage. A diode gives the inductor current a path when the switch is off during part of the switching...

flyback converter

Flyback Converter Voltage Step-Up and Step-Down

A flyback converter is a buck-boost converter that can both step voltage up and step it down. It also provides electrical isolation between the input and the output by using a coupled inductor, or flyback transformer. The coupled inductor acts like a transformer with a turns ratio, but it also stores energy through the air gap. This setup gives the converter both voltage step-up and step-down capability. In the experiment, the converter is studied in open-loop operation with a manually set...

single phase transformers

Single Phase Transformer Testing

Single-phase transformers step up or step down AC voltage in electric power systems. They are stationary electric machines with primary and secondary coils, also called windings. The primary winding receives the applied voltage, and the secondary winding delivers the changed voltage. Inside the transformer, current in one winding creates magnetic flux in the core. This flux links the two windings and transfers energy between them. With AC current, the changing flux induces voltage in the...

single phase rectifiers

AC to DC Conversion with Rectifiers

Rectifiers convert AC power into DC power for electronic circuits. A DC power supply provides unidirectional voltage and current. Batteries can do this, but they are limited by lifetime and cost. Using a rectifier is another way to turn AC line power into DC power. A rectifier is a device that lets current pass in one direction and blocks it in the other. It works after a forward voltage threshold is reached. Rectifiers may use a diode, a silicon controlled rectifier, or other silicon P-N...

thyristor rectifier

Controlling SCR Half-Wave Rectification

Thyristors, also called silicon controlled rectifiers (SCRs), are used to control current in a rectifier circuit. Like diodes, they let current pass from the anode to the cathode and block current in the opposite direction. Unlike a diode, a thyristor can be turned on with a gate terminal that receives a small current pulse. A thyristor is a four-layer device with alternating n-type and p-type layers. These layers form a PNPN structure with three junctions. The device has three terminals. The...

single phase inverter

DC to AC Conversion with Half-Bridge Inverters

DC to AC conversion is the main idea behind a power inverter. DC power flows in one direction, while AC current changes direction at about 50-60 Hz. Many electronic devices are designed to run on AC power, so a DC source must be inverted before it can be used with them. An inverter makes this change through switching action. The switches repeatedly flip the polarity of the input DC source at the output, or load side, for part of a switching period. A typical power inverter needs a stable DC...

dc motors

DC machines use direct current and direct voltage to create motion or generate electricity. They were the first machines of this kind to be invented. A DC machine works with two magnetic fields that are controlled by DC currents, and the same machine can be set up as either a motor or a generator when the right field excitation is available. In a DC machine, the field is usually on the stator side and the armature is on the rotor side. That arrangement is the reverse of what is found in many...

ac induction motor characterization

Three-Phase Motor Equivalent Circuit Tests

Three-phase induction motor testing can be used to find equivalent circuit parameters. The experiment uses the per-phase equivalent circuit to model the motor. This model keeps the important behavior of the original system and makes calculations easier. The procedure uses tests similar to those used in transformer characterization. These measurements help estimate the motor's circuit values from its electrical response. The experiment also aims to operate the motor in the linear torque-speed...

vfd-fed ac induction machine

Variable Frequency Drive Speed Control

Variable frequency drives, or VFDs, control the speed of AC induction motors. They are a type of adjustable speed drive and are becoming standard equipment for powering most AC induction motors. In industrial and automation settings, VFDs can provide strong control of motor speed, torque, or position. This experiment focuses on speed control with open-loop operation. It uses constant voltage-to-frequency ratio control, also called V/f control. The motor usually operates at a rated stator flux,...

ac synchronous machine synchronization

Grid Connection of AC Synchronous Generators

AC synchronous generators are a major source of electrical power worldwide. They are three-phase, wound-rotor machines that are used in many power plants. These generators need a prime mover and an exciter to produce power. A prime mover is the device that spins the generator, often a turbine driven by fluid. That fluid can come from water flowing from a dam through a long nozzle or from steam made by burning coal. Most power plants use synchronous generators, including coal, nuclear, natural...

ac synchronous machine characterization

Three-Phase Synchronous Motor Starting and V-Curves

Three-phase synchronous motors and generators are important AC machines. Wound-rotor synchronous motors are less common than permanent magnet rotor synchronous motors because the rotor field uses brushes. Synchronous generators are much more common. They are used in most existing power plants because they provide excellent frequency and voltage regulation. A synchronous motor runs at the same speed as the stator magnetic field. This gives it almost 0% speed regulation, so the rotor speed stays...

electrical engineering

This collection starts with an electrical safety video that introduces the best practices for commonly used equipment in an electrical laboratory. Subsequent videos introduce elements such as inductors, transformers, convertors, rectifiers, and inverters.

Explore how DC machines use brushes, slip rings, commutation, and field excitation to act as motors or generators, with shunt and series tests.

DC Motors and Generator Action | JoVE K12

south-carolina-college-and-career-ready-science-standards

South Carolina College and Career Ready Science Standards

Physics

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion and Stability: Forces and Interactions

P-PS2-6.

Georgia Standards of Excellence

9-12

SP5.

Applications in Motors and Generators

Ali Bazzi

Overview

Principles of DC Motors

DC Tests

Measurement of Residual Magnetism

Applications

Summary

Position and Displacement

The position of an object defines its location relative to a convenient frame of reference at any particular time. A frame of reference is an arbitrary ...

Average Velocity

To calculate the other physical quantities in kinematics, we must introduce the time variable. The time variable allows us not only to state the position ...

Average Acceleration

The importance of understanding acceleration spans our day-to-day experiences, as well as the vast reaches of outer space and the tiny world of subatomic ...

Instantaneous Acceleration

Acceleration is in the direction of the change in velocity, but it is not always in the direction of motion. When an object slows down, its acceleration ...

velocity-and-position-by-graphical-method

Velocity and Position by Graphical Method

Velocity and position can be calculated from the known function of acceleration as a function of time. The total area under the acceleration-time graph ...

Kinematic Equations - I

When an object moves with constant acceleration, the velocity of the object changes at a constant rate throughout the motion. The kinematic equations of ...

Kinematic Equations: Problem Solving

When analyzing one-dimensional motion with constant acceleration, the problem-solving strategy involves identifying the known quantities and choosing the ...

Force

Forces affect every moment of our life. Our bodies are held to the Earth by force, and they are held together by the forces of charged particles. When we ...

Mass and Weight

Mass and weight are often used interchangeably in everyday conversation. For example,&#160; medical records often show our weight in kilograms, but never ...

Newton's Laws of Motion

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment examines at various situations involving two interacting ...

Newton's First Law: Introduction

Motion draws our attention. Motion itself can be beautiful, causing us to marvel at the forces needed to create spectacular sights, such as that of a ...

first-law-particles-in-one-dimensional-equilibrium

First Law: Particles in One-dimensional Equilibrium

Newton&#39;s first law of motion states that a body at rest remains at rest, or if in motion, remains in motion at constant velocity, unless acted on by a ...

Newton's Second Law

Newton&#39;s second law is closely related to his first law of motion. It mathematically gives the cause-and-effect relationship between force and changes ...

Force and Acceleration

Source: Nicholas Timmons,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, ...

Second Law: Motion under Same Force

Newton&#39;s laws can be applied to bodies at rest and bodies in motion. Newton&#39;s first law is applied to bodies in equilibrium, whereas the second ...

Newton's Third Law: Introduction

Whenever one body exerts a force on a second body, the first body experiences a force equal in magnitude and opposite in direction, to the force that it ...

Drawing Free-body Diagrams: Rules

The first step in describing and analyzing most phenomena in physics involves the careful drawing of a free-body diagram. Free-body diagrams are useful in ...

Free Body Diagrams: Examples

Solving problems that involve forces is easy using free-body diagrams. A free-body diagram is a sketch showing all the external forces that are acting on ...

Equilibrium and Free-body Diagrams

Source: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, ...

Collect, analyze and interpret data regarding the change in motion of an object or system in one dimension, to construct an explanation using Newton’s Laws.

HS.P3U1.6

Solving Problems in Physics

Problem-solving is the ability to apply general physical principles to specific situations, usually expressed by equations. It is an essential skill in ...

Problem Solving in Statics

Problem-solving in statics is a crucial aspect of engineering and physics that involves resolving issues associated with bodies in a state of equilibrium. ...

An Introduction to Mechanics

Humans have been making ships, shelters, pyramids, weapons, agricultural equipment, and many more items without recording the process or theory behind ...

Introduction to Structures

A structure is defined as a system of interconnected members designed to support or transfer forces and successfully withstand the loads acting on them. ...

Simple Trusses

A truss is a structural framework consisting of slender members connected at joints, designed to support external loads while minimizing material usage ...

Method of Joints

The method of joints is a commonly used technique to analyze the forces in structural trusses. The method is based on the principle of equilibrium, which ...

Rigid Body Equilibrium Problems - I

A rigid body is said to be in static equilibrium when the net force and the net torque acting on the system is equal to zero. To solve for rigid body ...

Stability of structures

Consider two rods connected at point O by a pin and a torsional spring of constant k. The ends of both the rods are pin-connected.
If both the rods are ...

Buckling of Steel Columns

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
In the design of civil works, it is important ...

Machines

Machines are complex structures consisting of movable, pin-connected multi-force members that work together to transmit forces. One example of a machine ...

Rolling Resistance

When a solid cylinder rolls steadily on a rigid surface, the normal force applied by the surface on the cylinder is perpendicular to the tangent at the ...

Propulsion and Thrust

Source: Alexander S Rattner; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA
Aircraft, rockets, ...

Rocket Propulsion in Empty Space - I

The driving force for the motion of any vehicle is friction, but in the case of rocket propulsion in space, the friction force is not present. The motion ...

aerodynamic-performance-of-a-model-aircraft-the-dc-6b

Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
The low-speed wind tunnel is ...

airfoil-behavior-pressure-distribution-over-a-clark-y-14-wing

Airfoil Behavior: Pressure Distribution over a Clark Y-14 Wing

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An ...

Use mathematics and computational thinking to explain how Newton’s laws are used in engineering and technologies to create products to serve human ends.

DC Motors and Generator Action

Description

Transcript

More videos by Standards