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. Testy DC
<ol>
	<li>Przy zasilaniu prądem stałym małej mocy ograniczonym do 0.8 A podłącz zaciski zasilania do twornika maszyny prądu stałego. </li>
	<li>Zapisz odczyty napięcia i prądu DC zasilacza. </li>
	<li>Oszacuj rezystancję każdego uzwojenia. </li>
	<li>Powtórz te czynności dla pozostałych uzwojeń, pola bocznikowego i pola szeregowego, pojedynczo. </li>
	<li>Wyłącz i odłącz zasilacz prądu stałego małej mocy. </li>
	<li>Ustaw wbudowany reostat polowy na maksymalną rezystancję i zmierz jego rezystancję. </li>
	<li>Ustaw szeregowy reostat pola (zewnętrzny) na maksymalną rezystancję i zmierz jego rezystancję. </li>
</ol>
2. Układ prime-mover i magnetyzm szczątkowy
Głównym motorem napędowym w tym eksperymencie jest maszyna synchroniczna, która działa jako silnik, który obraca wirnik generatora prądu stałego (twornik). 
<ol>
	<li>Upewnij się, że odłącznik trójfazowy, wyłącznik silnika synchronicznego i wyłącznik silnika prądu stałego są wyłączone.</li>
	<li>Sprawdź, czy zmienna wartość VARIAC wynosi 0%. </li>
	<li>Podłącz VARIAC do gniazdka trójfazowego i podłącz konfigurację pokazaną na rys. 5. </li>
	<li>Sprawdź, czy przełącznik "Start/Run" znajduje się w pozycji "Start". </li>
	<li>Włącz odłącznik trójfazowy. </li>
	<li>Włącz zasilanie prądem stałym wysokiego napięcia. </li>
	<li>Upewnij się, że wszystkie połączenia są wolne od zacisków zasilających. </li>
	<li>Naciśnij przycisk "V/I DIS" na zasilaczu, aby wyświetlić voltage i aktualne punkty pracy. Ustaw voltage pokrętło na 125 V.
	<ol>
		<li>Nie naciskaj przycisku start. </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Naciśnij przycisk "Start" na panelu zasilania prądem stałym. </li>
	<li>Powoli zwiększaj wyjście VARIAC, aż VAC1 odczytuje 120 V.</li>
	<li>Gdy silnik synchroniczny osiągnie prędkość w stanie ustalonym, przestaw przełącznik Start/Run do pozycji Run. </li>
	<li>Zmierz i zapisz prędkość obrotową za pomocą światła stroboskopowego i zapisz VA. </li>
	<li>Wyłącz zasilanie prądem stałym i przywróć VARIAC do 0%. </li>
	<li>Zresetuj przełącznik "Start/Uruchom" do pozycji "Start."</li>
	<li>Wyłącz rozłącznik trójfazowy. </li>
</ol>
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig5.jpg"> 
Rysunek 5: Schemat konfiguracji napędu głównego. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. </a>
3. Charakterystyka generatora bocznikowego prądu stałego
<ol>
	<li>Po stronie generatora prądu stałego podłącz pole bocznikowe równolegle z polem twornika, jak pokazano na rys. 6. </li>
	<li>Użyj wbudowanego reostatu dla RFsh(ext) i użyj multimetru jako amperomierza do pomiaru IFsh. </li>
	<li>Pozostaw "S1" otwarte do testu bez obciążenia. </li>
	<li>Utrzymuj "RFsh(ext)" na maksymalnym oporze. </li>
	<li>Włącz odłącznik trójfazowy. </li>
	<li>Naciśnij przycisk "Start" na panelu zasilania prądem stałym. </li>
	<li>Powoli zwiększaj wyjście VARIAC, aż VAC1 odczyta 120 V.</li>
	<li>Gdy silnik synchroniczny osiągnie prędkość w stanie ustalonym, przestaw przełącznik "Start/Run" do pozycji "Praca". </li>
	<li>Zmierz prędkość wału za pomocą techniki światła stroboskopowego opisanej w innym miejscu. </li>
	<li>Nagraj VA w tym stanie bez obciążenia po stronie generatora prądu stałego. </li>
	<li>Zmniejsz RFsh(ext) aż napięcie generowane w VA wyniesie około 150 V.</li>
	<li>Po tym momencie zmniejsz "RFsh(ext)" w pięciu prawie równych krokach, aż zostanie osiągnięta minimalna rezystancja. 
	<ol>
		<li>Dla każdego kroku zmierz VA i IFsh. </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pozostaw RFsh(ext) na minimalnej wartości. </li>
	<li>Wyłącz zasilanie prądem stałym. </li>
	<li>Zmniejsz moc wyjściową VARIAC do 0%. </li>
	<li>Przenieś amperomierz z pomiaru IFsh na pomiar IA. </li>
	<li>Uruchom ponownie instalację zgodnie z wcześniejszym opisem. </li>
	<li>Ustaw RL na 300 Ω i włącz "S1". Miara VA i IA. </li>
	<li>Wyłącz "S1", ustaw RL na 200 Ω, a następnie włącz "S1". Zmierz VA i IA. </li>
	<li>Wyłącz "S1", ustaw RL na 100 Ω, a następnie włącz "S1". Zmierz VA i IA. </li>
	<li>Wyłącz zasilanie prądem stałym i ustaw wyjście VARIAC na 0%. </li>
	<li>Utrzymuj nienaruszoną stronę generatora synchronicznego. </li>
	<li>Odłącz połączenia generatora prądu stałego. </li>
	<li>Zresetuj przełącznik "Start/Uruchom" do pozycji "Start."</li>
	<li>Wyłącz rozłącznik trójfazowy. </li>
</ol>
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig6.jpg"> 
Rysunek 6: Schemat konfiguracji bocznikowego generatora prądu stałego. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. </a>
4. Charakterystyka generatora serii DC
<ol>
	<li>Po stronie generatora prądu stałego połącz szeregowo pole szeregowe z polem twornika, jak pokazano na rys. 7.
	<ol>
		<li>Użyj zewnętrznego reostatu dla RFse(ext). </li>
		<li>Użyj wbudowanego reostatu jako RL i ustaw go na maksymalną rezystancję. </li>
		<li>Pozostaw "S1" otwarte do testu bez obciążenia. </li>
		<li>Utrzymuj RFse(ext) na maksymalnym oporze. </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Włącz odłącznik trójfazowy. </li>
	<li>Naciśnij przycisk "Start" na panelu zasilania prądem stałym. </li>
	<li>Powoli zwiększaj wyjście VARIAC, aż VAC1 odczytuje 120 V.</li>
	<li>Gdy silnik synchroniczny osiągnie prędkość w stanie ustalonym, przestaw przełącznik "Start/Run" do pozycji "Praca".
	<ol>
		<li>Zmierz VA w tym stanie bez obciążenia po stronie generatora prądu stałego. </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Włącz "S1" i zmniejsz RFse(ext) jako potrzebne, aby zobaczyć niezerową VA. </li>
	<li>Zmieniaj RL w pięciu prawie równych krokach, aż zostanie osiągnięte ustawienie 50%, ustawione na 300 Ω, i włącz "S1". Zmierz prędkość, VA i IA.
	<ol>
		<li>Wyłącz "S1", ustaw RL na 200 Ω, a następnie włącz "S1". Zmierz prędkość, VA i IA. </li>
		<li>Wyłącz "S1", ustaw RL na 100 Ω, a następnie włącz "S1". Zmierz prędkość, VA i IA. </li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyłącz zasilanie prądem stałym.
	<ol>
		<li>Ustaw wyjście VARIAC na 0%. </li>
		<li>Utrzymuj nienaruszoną stronę generatora synchronicznego. </li>
		<li>Odłącz połączenia generatora prądu stałego. </li>
		<li>Zresetuj przełącznik "Start/Uruchom" do pozycji "Start."</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyłącz rozłącznik trójfazowy. </li>
	<li>Zdemontuj wszystkie przewody i mierniki. </li>
</ol>
<img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/10166/10166fig7.jpg"> 
Rysunek 7: Schemat konfiguracji szeregowego generatora prądu stałego. <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/10166/10166fig7large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. </a>
&lt;

Maszyny prądu stałego są znacznie mniej powszechne niż przed wynalezieniem maszyn indukcyjnych i synchronicznych prądu przemiennego. Pozostają powszechne w prostych zastosowaniach o niskim poborze mocy, takich jak zabawki, małe roboty i starszy sprzęt. Maszyny prądu stałego z magnesami trwałymi, które wykorzystują obfite magnesy nieziem rzadkich, są bardziej powszechne niż ich boczniki i szeregowe części przeciwstawne ze względu na prostsze wzbudzenie, szczególnie w zastosowaniach o niskich kosztach i złożoności.

silniki prądu stałego

Źródło: Ali Bazzi, Wydział Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Connecticut, Storrs, CT. 
Maszyna prądu stałego działa z prądami i napięciami stałymi, w przeciwieństwie do maszyny prądu przemiennego, która wymaga prądów i napięć prądu przemiennego. Jako pierwsze wynaleziono maszyny prądu stałego, które wykorzystują dwa pola magnetyczne, które są kontrolowane przez prądy stałe. Tę samą maszynę można łatwo przekonfigurować jako silnik lub generator, jeśli dostępne jest odpowiednie wzbudzenie pola, ponieważ maszyna prądu stałego ma dwa pola zwane polem i twornikiem. Pole znajduje się zwykle po stronie stojana, a twornik znajduje się po stronie wirnika (naprzeciwko lub na lewą stronę w porównaniu z maszynami prądu przemiennego). Wzbudzenie pola może być zapewnione przez magnesy trwałe lub uzwojenie (cewkę). Gdy prąd jest przyłożony do twornika lub cewki wirnika, przepływa ze źródła prądu stałego do cewki przez szczotki, które są nieruchome i pierścienie ślizgowe zamontowane na obracającym się wirniku stykającym się ze szczotkami. Gdy cewka twornika wirnika jest pętlą przewodzącą prąd i jest wystawiona na działanie zewnętrznego pola ze stojana lub magnesu polowego, na pętlę wywierana jest siła. Ponieważ pętla "wisi" po obu stronach silnika za pomocą łożysk, siła wytwarza moment obrotowy, który obraca wał wirnika, a nie przesuwa go w innym kierunku. 
Ta rotacja powoduje wyrównanie pól magnetycznych, ale w tym samym czasie pierścienie ślizgowe zamieniają się stronami szczotek lub "dojeżdżają" i jest to tak zwany proces komutacji. Kiedy następuje ta komutacja, przepływ prądu w cewce wirnika jest odwracany, a pola magnetyczne ponownie przeciwstawiają się sobie, powodując dalszy moment obrotowy w tym samym kierunku obrotu. Proces ten jest kontynuowany, a wał wirnika obraca się, zapewniając działanie silnika. Podczas pracy generatora do wału wirnika dostarczany jest obrót mechaniczny, a prąd wypływa z wirnika po jego indukowaniu przez poruszającą się cewkę pod wpływem pola magnetycznego. 
Maszyny omawiane w tym eksperymencie mają uzwojenie pola, a nie magnesy trwałe. Proces komutacji, który ma kluczowe znaczenie w pracy maszyny prądu stałego, wykorzystuje pierścienie ślizgowe i szczotki do przenoszenia energii z wirnika (twornika) do świata zewnętrznego, ponieważ wirnik się obraca, a obracające się druty skręcałyby je i łamały. Jednak te szczotki i pierścienie ślizgowe mają poważne wady niezawodności, ponieważ wymagają regularnej konserwacji, wymiany szczotek, czyszczenia i mogą powodować iskrzenie. Doprowadziło to do zastąpienia większości maszyn prądu stałego maszynami prądu przemiennego, które nie mają tych problemów, a pozostałe maszyny prądu stałego mają głównie wzbudzenie polem magnesów trwałych, takie jak zabawki i proste narzędzia o małej mocy. Maszyny prądu przemiennego, zwane bezszczotkowymi maszynami prądu stałego (lub BLDC), to maszyny prądu przemiennego, które wykorzystują źródło prądu stałego i falownik elektroniczny do wyprowadzania napięć prądu przemiennego z falownika. 
Celem tego eksperymentu jest przetestowanie dwóch głównych konfiguracji maszyn prądu stałego: bocznikowej i szeregowej. Testy mają na celu oszacowanie strumienia resztkowego w maszynie oraz zbadanie charakterystyki bez obciążenia i obciążenia w różnych konfiguracjach.

Uzwojenia szeregowe zazwyczaj przenoszą wysoki prąd znamionowy przy znamionowym prądzie twornika maszyny, ponieważ zarówno uzwojenia szeregowe, jak i twornik są szeregowe. W związku z tym oczekuje się, że uzwojenia szeregowe będą rzędu mΩ do kilku Ω. Z drugiej strony uzwojenia bocznikowe powinny pobierać minimalny prąd ze źródła, które je zasila wraz z twornikiem maszyny, a zatem mają duże wartości rezystancji od dziesiątek do setek, a nawet tysięcy Ω. 
<p class="jove_content" fo:keep...

Silniki prądu stałego

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

Silniki prądu stałego, sprzęt napędowy, od małych zabawek i elektronarzędzi po pojazdy elektryczne. Te maszyny elektromechaniczne składają się z wewnętrznej cewki przewodzącej, zwanej twornikiem, i magnesu zewnętrznego, zwanego stojanem. Źródło prądu stałego dostarcza prąd do twornika przez ślizg komutatora. Indukowanie siły elektromagnetycznej i umożliwienie obrotu pętli. Wielkość siły elektromagnetycznej zależy od kąta między polem magnetycznym a cewką, powodując wahania momentu obrotowego wraz z obrotem. Wiele uzwojeń, rozmieszczonych wokół twornika, minimalizuje wahania momentu obrotowego i zapobiega zwarciu zasilacza przez komutator. Ślizg komutatora okresowo zmienia kierunek prądu przepływającego przez cewkę, co dodatkowo zapobiega wyrównaniu pól magnetycznych. W tym filmie przedstawiono konfiguracje silników prądu stałego i zademonstrowano pomiar charakterystyk działania silnika prądu stałego, takich jak prędkość, prąd i napięcie przy zmiennym obciążeniu. Statory z magnesami trwałymi w maszynach prądu stałego są najbardziej powszechne, jednak gdy pole magnetyczne staterów jest wytwarzane przez uzwojenia przewodnika, charakterystyki wydajności, takie jak prędkość wyjściowa i moment obrotowy, można modyfikować poprzez projektowanie pola elektrycznego. Na przykład prędkość jest związana z napięciem wytwarzanym przez silnik, zwanym siłą silnika elektrycznego lub EMF. Podobnie moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu. Cechy te różnią się w zależności od konstrukcji silnika i wpływają na konstrukcję silnika wybraną do określonych zastosowań. Cztery podstawowe konfiguracje elektroniczne maszyn prądu stałego to oddzielnie wzbudzone, bocznikowe, szeregowe i złożone. Oddzielnie wzbudzone silniki wykorzystują oddzielne zasilacze dla pola i twornika, co pozwala na niezależne sterowanie w celu obsługi różnych obciążeń. W konstrukcji bocznikowej, najczęstszej konfiguracji, uzwojenia polowe są połączone równolegle do obciążenia twornika, ze wspólnym zasilaniem prądem stałym. Zapewnia to regulowaną prędkość przy zmiennym obciążeniu, co jest przydatne w obrabiarkach i pompach odśrodkowych. W konfiguracji szeregowej zasilacz prądu stałego zasila pole i twornik szeregowo. Zapewnia to wyższy moment rozruchowy do pokonywania obciążeń międzysystemowych w urządzeniach, takich jak pociągi, windy lub wciągniki. Silniki o konstrukcji złożonej wykorzystują zarówno obwody bocznikowe, jak i szeregowe zarówno do regulacji wysokiego momentu rozruchowego, jak i prędkości. Pole bocznikowe może być ładowane przed lub po polu serii. Teraz, po nakreśleniu konfiguracji silników prądu stałego, zostanie zademonstrowana analiza relacji prądu, napięcia i obciążenia w bocznikowych silnikach prądu stałego. Dane zebrane w testach DC można w razie potrzeby wykorzystać do budowy równoważnych modeli obwodów. Przed pomiarem charakterystyki elektrycznej silnika prądu stałego należy ustawić zasilanie prądem stałym małej mocy na 0.8 amps i podłączyć zaciski zasilania do twornika maszyny. Następnie zapisz napięcie i prąd zasilania. Następnie użyj multimetru do pomiaru napięcia i prądu na tworniku, uzwojając pole bocznikowe i pole szeregowe. Na podstawie tych danych można oszacować rezystancję w każdym komponencie. Po zmierzeniu podstawowych charakterystyk generatora silnika prądu stałego, ustaw wbudowany reostat polowy na maksymalne ustawienia i zmierz jego rezystancję. Na koniec ustaw reostat pola zewnętrznego szeregu na jego górną granicę i zmierz jego rezystancję. Po testach silnika prądu stałego, maszyna synchroniczna jest używana do obracania twornika maszyny prądu stałego. W ten sposób maszyna prądu stałego jest uruchamiana jako generator, bez wzbudzenia pola, a następnie bez obciążenia. W tych warunkach napięcie na zaciskach jest równe EMF. Prędkość obrotowa generatora jest mierzona i wykorzystywana do obliczenia magnetyzmu utrzymywanego przez twornik przy braku wzbudzenia cewki, zwanego magnetyzmem szczątkowym. Najpierw sprawdź, czy rozłącznik trójfazowy, silnik synchroniczny i silnik prądu stałego są wyłączone. Następnie przymocuj mały kawałek taśmy do zewnętrznego wirnika silnika prądu stałego. Po sprawdzeniu, czy wariak jest ustawiony na zero procent, podłącz wariak do gniazdka trójfazowego. Następnie podłącz konfigurację, jak pokazano. Następnie sprawdź, czy przełącznik start run znajduje się w pozycji startowej. Po dostosowaniu wariaka upewnij się, że wszystkie połączenia są wolne od zacisków zasilających. Dopiero wtedy włącz rozłącznik trójfazowy. Następnie włącz wysokonapięciowe zasilanie prądem stałym, naciśnij przycisk wyświetlacza VI, aby wyświetlić prąd końcowy pracy i ustaw pokrętło napięcia na 125 woltów. Nie naciskaj przycisku start przed regulacją objętościtage pokrętło. Naciśnij przycisk start na panelu zasilania prądem stałym i włącz urządzenie. Następnie powoli zwiększaj moc wyjściową variac, aż napięcie na zacisku wskaże 120 woltów. Gdy silnik synchroniczny osiągnie prędkość obrotową w stanie ustalonym, przestaw przełącznik start, aby uruchomić. Zwróć uwagę na zmiany dźwięku maszyny. Dźwięk maszyny staje się monotonny w stanie ustalonym. Użyj światła stroboskopowego, aby zamrozić ruch silnika, synchronizując częstotliwość stroboskopu z prędkością obrotową silnika. Taśma przymocowana do wirnika będzie wyglądać nierucho, gdy światło stroboskopowe zostanie zsynchronizowane. Upewnij się, że ta szybkość jest prędkością silnika, powoli zwiększając częstotliwość stroboskopu, aby zsynchronizować wentylator z następną najwyższą szybkością. Jeśli to prawda, będzie to dwukrotność pierwszej zaobserwowanej szybkości synchronizacji stroboskopu. Ta sekwencja rozruchowa będzie powtarzana przed każdym kolejnym uruchomieniem testowym. Po uruchomieniu zapisz prędkość obrotową silnika i napięcie twornika. Następnie wykorzystaj te dane do obliczenia szczątkowego natężenia pola magnetycznego. Maszyny prądu stałego są używane w różnych zastosowaniach. Po scharakteryzowaniu parametrów pracy różnych maszyn można je dobrać na podstawie specyfikacji konstrukcyjnej dla konkretnego urządzenia. Generator prądu stałego można scharakteryzować w różnych konfiguracjach, takich jak konfiguracja bocznikowa. Przy otwartym przełączniku S1, w celu przeprowadzenia próby bez obciążenia, rezystory obciążenia po stronie pola są ustawione na maksimum. Następnie rejestrowana jest prędkość wału i napięcie zacisków, jak opisano wcześniej. Rezystancja bocznika jest zmniejszana w pięciu krokach, aż do osiągnięcia minimalnej rezystancji. Zmierzono napięcie i prąd na zaciskach na rezystorze bocznikowym. Silnik może być mierzony za pomocą symulowanych obciążeń za pomocą rezystorów obciążenia, zgodnie z tym samym protokołem. Każdy typ generatora prądu stałego ma własne wyjście napięciowo-prądowe. Generatory bocznikowe mogą dostarczać napięcie dla szerokiego zakresu obciążenia prądowego, podczas gdy generatory szeregowe zapewniają rosnące napięcie wraz z obciążeniem prądowym. W różnych zastosowaniach, w których preferowane jest bezprzewodowe źródło zasilania, takich jak protezy z napędem silnikowym, preferowanym siłownikiem są silniki prądu stałego. W protetyce kończyn dolnych sterowanych nerwowo do wysyłania sygnałów do zmotoryzowanych stawów w kończynie zastępczej, podobnie jak w nienaruszonej nodze, stosuje się czujniki powierzchniowe lub przezskórne. Ugięcie bramki i stopy jest kontrolowane bardziej naturalnie i intuicyjnie, niż byłoby to możliwe w przypadku sztywnej wymiany kończyny. Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do silników prądu stałego. Powinieneś teraz zrozumieć, jak działa silnik prądu stałego i jak scharakteryzować jego parametry. Dzięki za oglądanie.

Education

JoVE Science Education

Engineering

Inżynieria

Electrical Engineering

Elektrotechnika

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

Tags

More videos by Standards