Losses In A DC Generator And DC Motor
• A dc generator converts mechanical power into electrical power and a dc motorconverts 
electrical power into mechanical power. Thus, for a dc generator, input power is in the 
form of mechanical and the output power is in the form of electrical. 
• On the other hand, for a dc motor, input power is in the form of electrical and output 
power is in the form of mechanical. In a practical machine, whole of the input power can 
not be converted into output power as some power is lost in the process. 
• This causes the efficiency of the machine to be reduced. Efficiency is the ratio of output 
power  to  the  input  power. Thus,  in  order  to  design  rotating  dc  machines  with  higher 
efficiency, it is important to study the losses occurring in them. 
• Various losses in a rotating DC machine (DC generator or DC motor) can  be 
characterized as follows:
Testing of dc motor
Losses In A Rotating DC Machine
• Copper losses
– Armature Cu loss
– Field Cu loss
– Loss due to brush contact resistance
• Iron Losses
– Hysteresis loss
– Eddy current loss
• Mechanical losses
– Friction loss
– Windage loss
• The above tree categorizes various types of losses that occur in a dc 
generator or a dc motor. Each of these is explained in details below.
COPPER LOSSES
• These losses occur in armature and field copper windings. Copper losses consist 
of  Armature  copper  loss,  Field  copper  loss  and  loss  due  to  brush  contact 
resistance.
• Armature copper loss = Ia2Ra         
                              (where, Ia = Armature current and Ra = Armature resistance)
This loss contributes about 30 to 40% to full load losses. The armature copper loss is 
variable and depends upon the amount of loading of the machine.
• Field copper loss = If2Rf               
                                            (where, If  = field current and Rf  = field resistance)
In  the  case  of  a  shunt  wounded  field,  field  copper  loss  is  practically  constant.  It 
contributes about 20 to 30% to full load losses.
• Brush contact resistance also contributes to the copper losses. Generally, this loss 
is included into armature copper loss.
IRON LOSSES (CORE LOSSES)
• As the armature core is made of iron and it rotates in a magnetic field, a small current 
gets  induced  in  the  core  itself  too.  Due  to  this  current,  eddy  current  loss  and 
hysteresis loss occur in the armature iron core. Iron losses are also called as  Core
losses or magnetic losses.
• Hysteresis loss is due to the reversal of magnetization of the armature core. When the 
core passes under one pair of poles, it undergoes one complete cycle of magnetic 
reversal. The frequency of magnetic reversal if given by, f=P.N/120 
                                           (where, P = no. of poles and N = Speed in rpm)
The  loss  depends  upon  the  volume  and  grade  of  the  iron,  frequency  of  magnetic 
reversals and value of flux density. 
• Hysteresis loss is given by, Steinmetz formula:
           Wh=ηBmax1.6fV (watts)
where, η = Steinmetz hysteresis constant
             V = volume of the core in m3
• Eddy current loss: When the armature core rotates in the magnetic field, an emf is also induced in 
the  core  (just  like  it  induces  in  armature  conductors),  according  to  the 
Faraday's law of electromagnetic induction.
• Though  this  induced  emf  is  small,  it  causes  a  large  current  to  flow  in  the  body  due  to  the  low 
resistance of the core. This current is known as eddy current. The power loss due to this current is 
known as eddy current loss.
• Eddy current loss Pe = Ke Bmax f2 t2 V
where Ke = Constant depending upon the electrical resistance of core and system of
units used
Bmax = Maximum flux density in Wb/m2
f = Frequency of magnetic reversals in Hz
t = Thickness of lamination in m
V = Volume of core in m3
It may be noted that eddy current loss depends
upon the square of lamination thickness.
For this reason, lamination thickness
should be kept as small as possible.
Mechanical Losses
• Mechanical losses consist of the losses due to friction in bearings and commutator. 
Air  friction  loss  of  rotating  armature  also  contributes  to  these.
These losses are about 10 to 20% of full load losses.
• These losses are due to friction and windage.
(i) friction loss e.g., bearing friction, brush friction etc.
(ii) windage loss i.e., air friction of rotating armature.
• These losses depend upon the speed of the machine. But for a given speed, 
they are practically constant.
Note. Iron losses and mechanical losses together are called stray losses.
Stray Losses
• In addition to the losses stated above, there may be small losses present which are 
called as stray losses or miscellaneous losses. These losses are difficult to account. 
They are usually due to inaccuracies in the designing and modeling of the machine. 
Most of the times, stray losses are assumed to be 1% of the full load.
Power Flow Diagram
• The most convenient method to understand these losses in a dc generator 
or a dc motor is using the power flow diagram. 
• The diagram visualizes the amount of power that has been lost in various 
types of losses and the amount of power which has been actually converted 
into  the output. Following  are  the typical  power  flow  diagrams for a dc 
generator  and  a  dc  motor.
Testing of dc motor
Efficiency of D.C. Machines:
Generator:
Testing of dc motor
Testing of dc motor
Testing of dc motor
Testing of dc motor
Testing of dc motor
• Thus the efficiency increases with increase in load current, reaches a maximum value
when load current equals the value given by eqn. (27) and then starts decreasing,
• Efficiency curve: The efficiency of a machine is different at different values of power
output. As the output increases, the efficiency increases till it reaches a maximum value.
• As the output is further increased, the efficiency starts decreasing. A graph of efficiency
vs. output is called efficiency curve. A typical efficiency curve is shown in Fig. 96.
• The machines are so designed as to give maximum efficiency at or near the rated output
of the machine. Since the generators operate at a constant terminal voltage V, the
efficiency curve of a generator can be drawn between efficiency and load current I:
BRAKE TEST ON DC SHUNT MOTOR
• Another method of testing the d.c. motor is brake test method. This is a
direct method of testing the motor.
• In this method, the motor is put on the direct load by means of a belt and
pulley arrangement. Brake adjusting the tension of belt, the load is adjusted
to give the various values of currents. The load is finally adjusted to get
full load current.
• The power developed gets wasted against the friction between belt and
shaft. Due to the braking action of belt the test is called brake test.
• The Fig. 1(a) shows the experimental setup for performing brake test on a
d.c. shunt motor while the Fig. 1(b) shows the belt and pulley arrangement
mounted on the shaft of the motor.
Testing of dc motor
Testing of dc motor
 The tension in the belt can be adjusted using the handle. The tension in kg can be
obtained from the spring balance readings.
Let R = Radius of pulley in meter
N = Speed in r.p.m.
W1 = Spring balance reading on tight side in kg
W2 = Spring balance reading on slack side in kg
So net pull on the belt due to friction at the pulley is the difference between the two
spring balance readings.
As radius R and speed N are known, the shaft torque developed can be obtained 
as,
Hence the output power can be obtained as,
 Now let, V = Voltage applied in volts
                     I = Total line current drawn in amps.
 Thus if the readings are taken on full load condition then the efficiency can be obtained 
as,
 Adjusting the load step by step till full load, number of readings can be obtained. The 
speed can be measured by tachometer. Thus all the motor characteristics can be plotted.
Advantages 
The advantages of brake test,
1. Actual efficiency of the motor under working conditions can be found out.
2. The method is simple and easy to perform.
3. Can be performed on any type of d.c. motor.
 Disadvantages
The disadvantages of brake test,
1. Due to friction, heat generated and hence there is large dissipation of energy.
2. Some type of cooling arrangement is necessary
3. Convenient only for small machines due to limitations regarding heat 
dissipation arrangements.
4. The power developed gets wasted hence method is expensive.
5. The efficiency observed is on lower side.
Swinburne Test of DC Machine
• This method is an indirect method of testing a dc machine. It is named after 
Sir  James  Swinburne.  Swinburne's  test  is  the  most  commonly  used  and 
simplest  method  of  testing  of  shunt  and  compound  wound  dc  machines 
which have constant flux. 
• In this test the efficiency of the machine at any load is pre-determined. We 
can run the machine as a motor or as a generator. In this method of testing 
no load losses are measured separately and eventually we can determine 
the efficiency.
• The circuit connection for Swinburne's test is shown in figure below. The 
speed of the machine is adjusted to the rated speed with the help of the 
shunt regulator R as shown in fig.
Testing of dc motor
Calculation of Efficiency:
Let, I0 is the no load current ( it can be measured by  ammeter A1 ) Ish is the 
shunt field current ( it can be measured by ammeter A2 )
Then, no load armature current = (I0 - Ish) Also let, V is the supply voltage. 
Therefore, No load power input = VI0 watts. 
In Swinburne's test no load power input is only required to supply the losses. 
The losses occur in the machine mainly are: Iron losses in the core Friction and 
windings losses Armature copper loss. 
Since the no load mechanical output of the machine is zero in Swinburne's test, 
the no load input power is only used to supply the losses. The value of armature 
copper loss = (I0 - Ish)2 Ra Here, Ra is the armature resistance.
 Now, no to get the constant losses we have to subtract the armature copper loss 
from the no load power input. Then, Constant losses WC = VI0 -(I0 - Ish)2 Ra 
After  calculating  the  no  load  constant  losses  now  we  can  determine  the 
efficiency at any load.
 Let, I is the load current at which we have to calculate the efficiency of the 
machine.  Then,  armature  current  (Ia)  will  be  (I  -  Ish),  when  the  machine  is 
motoring. And Ia = (I + Ish), when the machine is generating.
Calculation of Efficiency When the Machine is Motoring on
Load:
Power input = VI Armature copper loss, PCU = I2 Ra = (I - 
Ish)2Ra Constant losses, WC = VI0 -(I0 - Ish)2 Ra Total losses = 
PCU + WC   Efficiency of the motor:∴
Calculation of Efficiency When the Machine is Generating on
Load:
Power input = VI Armature copper loss, PCU = I2 Ra = (I + Ish)2 Ra 
Constant losses, WC = VI0 - (I0 - Ish)2 Ra Total losses = PCU + WC   ∴
Efficiency of the generator:
Advantages of Swinburne's Test:
The main advantages of this test are : 
1.This test is very convenient and economical as it is required very less power 
from supply to perform the test.
2.Since constant losses are known, efficiency of Swinburne's test can be pre-
determined at any load.
Disadvantages of Swinburne's Test
The main disadvantages of this test are :
•Iron loss is neglected though there is change in iron loss from no load to full 
load due to armature reaction.
•We cannot be sure about the satisfactory commutation on loaded condition 
because the test is done on no-load.
•We can’t measure the temperature rise when the machine is loaded. Power 
losses can vary with the temperature. 
•In DC series motors, the Swinburne’s test cannot be done to find its 
efficiency as it is a no load test.
Field’s Test for Series Motor
• This is one of the methods of testing the d.c. series motors. Unlike shunt 
motors, the series motor can not be tested by the methods which area 
available for shunt motors as it is impossible to run the motor on no load. It 
may run at dangerously high speed on no load. In case of small series motors 
brake test may be employed.
•   The series motors are usually tested in pairs. The field test is applied to two 
similar series motors which are coupled mechanically. The connection 
diagram for the test is shown in the Fig. 1.
• As shown in the Fig. 1 one machine is made to run as a motor while the other 
as a generator which is separately excited. The field of the two machines are 
connected in series so that both the machines are equally excited. This will 
make iron losses same for the two machines. The two machines are running at 
the same speed. The generator output is given to the variable resistance R.
•        The resistance R is changed until the current taken by motor reaches full 
load  value.  This  will  be  indicated  by  ammeter  A1.  The  other  readings  of 
different meters are then recorded.
 Let      V = Supply voltage
                 I1  = Current taken by motor
                 I2 = Load current
                 V2 = Terminal p.d. of generator
                Ra, Rse = Armature and series field resistance of each machine
      Power taken from supply = VI1 
      Output obtained from generator = V2  I2 
      Total losses in both the machines, WT  = VI1  - V2  I2 
      Armature copper and field losses, WCU  = ( Ra + 2 Rse ) I12   +   I22 Ra
      Total stray losses = WT  - WCU  
Since the two machines are equally excited and are running at same speed the stray 
loses are equally divided.
FOR MOTOR :
       Input to motor = V1  I1 
       Total losses = Armature Cu loss + Field Cu loss + Stray loss
                         = I12 ( Ra + Rse) + Ws
       Output of motor = Input - Total losses = V1  I1  -  [ I12  ( Ra + Rse) + Ws ]
For Generator :
       Efficiency of generator is of little importance because it is running under 
conditions of separate excitation. Still it can be found as follows.
      Output of generator = V2  I2 
       Field Cu loss =  I12  Rse
       Armature Cu loss = I22  Ra
       Total losses = Armature Cu loss + Field Cu loss + Stray loss
                        = I22  Ra +  I12  Rse + Ws
       Input to generator = Output + Total losses = V2  I2  + [ I22  Ra + I12  Rse + 
Ws ]
The important point to be noted is that this is not regenerative method though the 
two  machines  are  mechanically  coupled  because  the  generator  output  is  not  fed 
back to the motor as in case of Hopkinson's test but it is wasted in load resistance.
HOPKINSON TEST
• Hopkinson's Test is another useful method of testing the efficiency of a 
DC machine. It is a full load test and it requires two identical machines 
which are coupled to each other.
•   One  of  these  two  machines  is  operated  as  a  generator  to  supply  the 
mechanical  power  to  the  motor  and  the  other  is  operated  as  a  motor  to 
drive the generator. For this process of back to back driving the motor and 
the  generator,  Hopkinson's test  is  also  called  back-to-back  test  or 
regenerative  test.If  there  are  no  losses  in  the  machine,  then  no  external 
power supply would have needed. 
• But  due  to  the  drop  in  the  generator  output  voltage  we  need  an  extra 
voltage source to supply the proper input voltage to the motor. Hence, the 
power drawn from the external supply is therefore used to overcome the 
internal losses of the  motor-generator set. Hopkinson’s test is also called 
regenerative test or back to back test or heat run test.
Connection Diagram of Hopkinson's Test:
• Here  is  a  circuit  connection  for  the  Hopkinson's test  shown  in  figure 
below. A motor and a generator, both identical, are coupled together. When 
the machine is started it is started as motor. 
• The shunt field resistance of the machine is adjusted so that the motor can 
run  at  its  rated  speed.  The  generator  voltage  is  now  made  equal  to  the 
supply voltage by adjusting the shunt field resistance connected across the 
generator.
•  This equality of these two voltages of generator and supply is indicated by 
the voltmeter as it gives a zero reading at this point connected across the 
switch. The machine can run at rated speed and at desired load by varying 
the field currents of the motor and the generator. 
Testing of dc motor
Calculation of Efficiency by Hopkinson's
Test
• Let, V = supply voltage of the machines.
• Then, Motor input = V(I1 + I2) I1 = The current from the generator I2 = 
The  current  from  the  external  source  And,  Generator  output  = 
VI1..................(1) Let, both machines are operating at the same efficiency 
'η'. Then, Output of motor = η x input = η x V(I1 + I2) Input to generator = 
Output of the motor = η X V(I1 + I2) Output of generator = η x input = η x 
[η x V(I1 + I2)] = η2 V(I1 + I2)..................(2) From equation 1 an 2 we 
get, VI1 = η2 V(I1 + I2) 
or I1 = η2 (I1 + 
I2) 
• Now, in case of motor,
• armature copper loss in the motor = (I1 + I2 - I4)2 Ra. Ra is the armature 
resistance of both motor and generator. I4 is the shunt field current of the 
motor. Shunt field copper loss in the motor will be = VI4
• Next, in case of generator armature copper loss in generator = (I1 + I3)2Ra 
I3 is the shunt field current of the generator. Shunt field copper loss in the 
generator  =  VI3  Now,  Power  drawn  from  the  external  supply  =  VI2 
Therefore, the stray losses in both machines will be W = VI2 - (I1 + I2 - I4)2 
Ra + VI4 + (I1 + I3)2 Ra + VI3 Let us assume that the stray losses will be 
same for both the machines. Then, Stray loss / machine = W/2 
Efficiency of Generator:
• Total losses in the generator, WG = (I1 + I3)2 Ra + VI3 + W/2
•  Generator output = VI1 
• Then, efficiency of the generator, 
Efficiency of Motor:
• Total losses in the motor, WM = (I1 + I2 - I4)2 Ra + VI4 + W/2 
• Motor input = V(I1 + I2) 
• Then, efficiency of the motor, 
Advantages of Hopkinson's Test
The merits of this test are… 
1. This  test  requires  very  small  power  compared  to  full-load 
power of the motor-generator coupled system. That is why it 
is  economical.  Large  machines  can  be  tested  at  rated  load 
without much power consumption.
2. Temperature  rise  and  commutation  can  be  observed  and 
maintained  in  the  limit  because  this  test  is  done  under  full 
load condition.
3. Change in iron loss due to flux distortion can be taken into 
account due to the advantage of its full load condition.
4. Efficiency at different loads can be determined.
Disadvantages of Hopkinson's Test
The demerits of this test are 
1. It is difficult to find two identical machines needed for 
Hopkinson's test.
2. Both machines cannot be loaded equally all the time.
3. It is not possible to get separate iron losses for the two 
machines though they are different because of their 
excitations.
4. It is difficult to operate the machines at rated speed because 
field currents vary widely.

More Related Content

PDF
Fundamentals of Signals and systems (Ganesh Rao Signals and systems)
PDF
Testing of dc machines_I
PPT
UNIT-III-Testing of DC Machines.ppt
PPTX
MX3084 DISASTER RISK REDUCTION AND MANAGEMENT.pptx
PPTX
Three phase transformer
PDF
AC AC converters
PPTX
Electromagnetic Interference & Electromagnetic Compatibility
PPT
Thévenin’s Theorems
Fundamentals of Signals and systems (Ganesh Rao Signals and systems)
Testing of dc machines_I
UNIT-III-Testing of DC Machines.ppt
MX3084 DISASTER RISK REDUCTION AND MANAGEMENT.pptx
Three phase transformer
AC AC converters
Electromagnetic Interference & Electromagnetic Compatibility
Thévenin’s Theorems

What's hot (20)

PPTX
Thyrstors turn off methods
PPT
Dc Choppers
PDF
Power Electronics Chopper (dc – dc converter)
PPTX
testing of dc machine
PPTX
Protection Of Generator
PPTX
Synchronous machines
PPTX
Dc generator characteristics
PPT
Dc motor starters
PPTX
Automatic Generation Control
PPTX
Dc motor
PPTX
Pmmc instrument
PDF
Synchronous machines
PPTX
Power Electronics-DC-DC Converters/Choppers.pptx
PPTX
Tap changer
PPTX
measurement of high voltage and high currents
PPTX
Faults on Power System
PPTX
Braking methods of induction motor
PPT
Current Transformer and Potential Transformer
PPT
Transformer basic
PPTX
Receiving end circle diagram
Thyrstors turn off methods
Dc Choppers
Power Electronics Chopper (dc – dc converter)
testing of dc machine
Protection Of Generator
Synchronous machines
Dc generator characteristics
Dc motor starters
Automatic Generation Control
Dc motor
Pmmc instrument
Synchronous machines
Power Electronics-DC-DC Converters/Choppers.pptx
Tap changer
measurement of high voltage and high currents
Faults on Power System
Braking methods of induction motor
Current Transformer and Potential Transformer
Transformer basic
Receiving end circle diagram
Ad

Viewers also liked (20)

PPTX
Powerpoint Presentation For Ct
PDF
Dc motor
PPT
Electrical machines
PPTX
Current transformers
PPTX
Electric machine
PPTX
Ppt of current transformer
PPT
Final presentation
PPTX
Losses in dc shunt machine
PPT
Losses dc machines
PPTX
Testing of DC Motors
PPTX
Method of voltage control
PPT
Instrument transformer CT & PT
PPTX
Induction type measuring instrument (energy meter)
PPTX
Shaper
PDF
Current transformer
PPTX
F:\Ac Generator Ppt
PDF
Current transformer requirements for protection 1
PDF
Optical Current Transformer (OCT)
PPT
instrument transformer
PPSX
dc Generator Ppt
Powerpoint Presentation For Ct
Dc motor
Electrical machines
Current transformers
Electric machine
Ppt of current transformer
Final presentation
Losses in dc shunt machine
Losses dc machines
Testing of DC Motors
Method of voltage control
Instrument transformer CT & PT
Induction type measuring instrument (energy meter)
Shaper
Current transformer
F:\Ac Generator Ppt
Current transformer requirements for protection 1
Optical Current Transformer (OCT)
instrument transformer
dc Generator Ppt
Ad

Similar to Testing of dc motor (20)

PDF
performance of dc machine especially dc gen
PPTX
Chapter-9 DC Motors and Generators-s.pptx
PDF
Dc machines1
PPT
DC motor equipment with diagram and speed
PDF
STRAY LOSS ESTIMATION IN INDUCTION MOTOR
PPTX
chapter 3- DC motor.pptx
PDF
Design of Induction Motors - Prime AC Motors
PPTX
Dc motor
PPTX
01 dc motors
PPTX
PDF
Brushed how to select a dc motor wp
PDF
Ch-3 Induction Motor-1.pdfvvvvvvvvvvv
PDF
induction motor design detailed introduction
PPTX
Presentation induction motors 2
PPTX
Induction motor speed control using solid state drives.pptx
PPTX
Machines électriques a courant continu.pptx
PPTX
vnd.openxmlformats-officedocument.presentationml.presentation&rendition=1deep...
PPT
Generator 2
PPTX
Electric motors
PDF
DC Motors Explanation 1.pdf
performance of dc machine especially dc gen
Chapter-9 DC Motors and Generators-s.pptx
Dc machines1
DC motor equipment with diagram and speed
STRAY LOSS ESTIMATION IN INDUCTION MOTOR
chapter 3- DC motor.pptx
Design of Induction Motors - Prime AC Motors
Dc motor
01 dc motors
Brushed how to select a dc motor wp
Ch-3 Induction Motor-1.pdfvvvvvvvvvvv
induction motor design detailed introduction
Presentation induction motors 2
Induction motor speed control using solid state drives.pptx
Machines électriques a courant continu.pptx
vnd.openxmlformats-officedocument.presentationml.presentation&rendition=1deep...
Generator 2
Electric motors
DC Motors Explanation 1.pdf

Recently uploaded (20)

PPTX
A powerpoint presentation on the Revised K-10 Science Shaping Paper
PDF
My India Quiz Book_20210205121199924.pdf
PPTX
Education and Perspectives of Education.pptx
PDF
Journal of Dental Science - UDMY (2021).pdf
PDF
MBA _Common_ 2nd year Syllabus _2021-22_.pdf
PDF
IP : I ; Unit I : Preformulation Studies
PPTX
ELIAS-SEZIURE AND EPilepsy semmioan session.pptx
DOCX
Cambridge-Practice-Tests-for-IELTS-12.docx
PDF
BP 704 T. NOVEL DRUG DELIVERY SYSTEMS (UNIT 1)
PDF
LEARNERS WITH ADDITIONAL NEEDS ProfEd Topic
PPTX
Introduction to pro and eukaryotes and differences.pptx
PDF
FORM 1 BIOLOGY MIND MAPS and their schemes
PDF
English Textual Question & Ans (12th Class).pdf
PDF
AI-driven educational solutions for real-life interventions in the Philippine...
PDF
Skin Care and Cosmetic Ingredients Dictionary ( PDFDrive ).pdf
PDF
LIFE & LIVING TRILOGY- PART (1) WHO ARE WE.pdf
PDF
Τίμαιος είναι φιλοσοφικός διάλογος του Πλάτωνα
PPTX
Unit 4 Computer Architecture Multicore Processor.pptx
PDF
HVAC Specification 2024 according to central public works department
PDF
Myanmar Dental Journal, The Journal of the Myanmar Dental Association (2013).pdf
A powerpoint presentation on the Revised K-10 Science Shaping Paper
My India Quiz Book_20210205121199924.pdf
Education and Perspectives of Education.pptx
Journal of Dental Science - UDMY (2021).pdf
MBA _Common_ 2nd year Syllabus _2021-22_.pdf
IP : I ; Unit I : Preformulation Studies
ELIAS-SEZIURE AND EPilepsy semmioan session.pptx
Cambridge-Practice-Tests-for-IELTS-12.docx
BP 704 T. NOVEL DRUG DELIVERY SYSTEMS (UNIT 1)
LEARNERS WITH ADDITIONAL NEEDS ProfEd Topic
Introduction to pro and eukaryotes and differences.pptx
FORM 1 BIOLOGY MIND MAPS and their schemes
English Textual Question & Ans (12th Class).pdf
AI-driven educational solutions for real-life interventions in the Philippine...
Skin Care and Cosmetic Ingredients Dictionary ( PDFDrive ).pdf
LIFE & LIVING TRILOGY- PART (1) WHO ARE WE.pdf
Τίμαιος είναι φιλοσοφικός διάλογος του Πλάτωνα
Unit 4 Computer Architecture Multicore Processor.pptx
HVAC Specification 2024 according to central public works department
Myanmar Dental Journal, The Journal of the Myanmar Dental Association (2013).pdf

Testing of dc motor

  • 1. Losses In A DC Generator And DC Motor • A dc generator converts mechanical power into electrical power and a dc motorconverts  electrical power into mechanical power. Thus, for a dc generator, input power is in the  form of mechanical and the output power is in the form of electrical.  • On the other hand, for a dc motor, input power is in the form of electrical and output  power is in the form of mechanical. In a practical machine, whole of the input power can  not be converted into output power as some power is lost in the process.  • This causes the efficiency of the machine to be reduced. Efficiency is the ratio of output  power  to  the  input  power. Thus,  in  order  to  design  rotating  dc  machines  with  higher  efficiency, it is important to study the losses occurring in them.  • Various losses in a rotating DC machine (DC generator or DC motor) can  be  characterized as follows:
  • 3. Losses In A Rotating DC Machine • Copper losses – Armature Cu loss – Field Cu loss – Loss due to brush contact resistance • Iron Losses – Hysteresis loss – Eddy current loss • Mechanical losses – Friction loss – Windage loss • The above tree categorizes various types of losses that occur in a dc  generator or a dc motor. Each of these is explained in details below.
  • 4. COPPER LOSSES • These losses occur in armature and field copper windings. Copper losses consist  of  Armature  copper  loss,  Field  copper  loss  and  loss  due  to  brush  contact  resistance. • Armature copper loss = Ia2Ra                                        (where, Ia = Armature current and Ra = Armature resistance) This loss contributes about 30 to 40% to full load losses. The armature copper loss is  variable and depends upon the amount of loading of the machine. • Field copper loss = If2Rf                                                            (where, If  = field current and Rf  = field resistance) In  the  case  of  a  shunt  wounded  field,  field  copper  loss  is  practically  constant.  It  contributes about 20 to 30% to full load losses. • Brush contact resistance also contributes to the copper losses. Generally, this loss  is included into armature copper loss.
  • 5. IRON LOSSES (CORE LOSSES) • As the armature core is made of iron and it rotates in a magnetic field, a small current  gets  induced  in  the  core  itself  too.  Due  to  this  current,  eddy  current  loss  and  hysteresis loss occur in the armature iron core. Iron losses are also called as  Core losses or magnetic losses. • Hysteresis loss is due to the reversal of magnetization of the armature core. When the  core passes under one pair of poles, it undergoes one complete cycle of magnetic  reversal. The frequency of magnetic reversal if given by, f=P.N/120                                             (where, P = no. of poles and N = Speed in rpm) The  loss  depends  upon  the  volume  and  grade  of  the  iron,  frequency  of  magnetic  reversals and value of flux density.  • Hysteresis loss is given by, Steinmetz formula:            Wh=ηBmax1.6fV (watts) where, η = Steinmetz hysteresis constant              V = volume of the core in m3
  • 6. • Eddy current loss: When the armature core rotates in the magnetic field, an emf is also induced in  the  core  (just  like  it  induces  in  armature  conductors),  according  to  the  Faraday's law of electromagnetic induction. • Though  this  induced  emf  is  small,  it  causes  a  large  current  to  flow  in  the  body  due  to  the  low  resistance of the core. This current is known as eddy current. The power loss due to this current is  known as eddy current loss. • Eddy current loss Pe = Ke Bmax f2 t2 V where Ke = Constant depending upon the electrical resistance of core and system of units used Bmax = Maximum flux density in Wb/m2 f = Frequency of magnetic reversals in Hz t = Thickness of lamination in m V = Volume of core in m3 It may be noted that eddy current loss depends upon the square of lamination thickness. For this reason, lamination thickness should be kept as small as possible.
  • 7. Mechanical Losses • Mechanical losses consist of the losses due to friction in bearings and commutator.  Air  friction  loss  of  rotating  armature  also  contributes  to  these. These losses are about 10 to 20% of full load losses. • These losses are due to friction and windage. (i) friction loss e.g., bearing friction, brush friction etc. (ii) windage loss i.e., air friction of rotating armature. • These losses depend upon the speed of the machine. But for a given speed,  they are practically constant. Note. Iron losses and mechanical losses together are called stray losses. Stray Losses • In addition to the losses stated above, there may be small losses present which are  called as stray losses or miscellaneous losses. These losses are difficult to account.  They are usually due to inaccuracies in the designing and modeling of the machine.  Most of the times, stray losses are assumed to be 1% of the full load.
  • 8. Power Flow Diagram • The most convenient method to understand these losses in a dc generator  or a dc motor is using the power flow diagram.  • The diagram visualizes the amount of power that has been lost in various  types of losses and the amount of power which has been actually converted  into  the output. Following  are  the typical  power  flow  diagrams for a dc  generator  and  a  dc  motor.
  • 10. Efficiency of D.C. Machines: Generator:
  • 16. • Thus the efficiency increases with increase in load current, reaches a maximum value when load current equals the value given by eqn. (27) and then starts decreasing, • Efficiency curve: The efficiency of a machine is different at different values of power output. As the output increases, the efficiency increases till it reaches a maximum value. • As the output is further increased, the efficiency starts decreasing. A graph of efficiency vs. output is called efficiency curve. A typical efficiency curve is shown in Fig. 96. • The machines are so designed as to give maximum efficiency at or near the rated output of the machine. Since the generators operate at a constant terminal voltage V, the efficiency curve of a generator can be drawn between efficiency and load current I:
  • 17. BRAKE TEST ON DC SHUNT MOTOR • Another method of testing the d.c. motor is brake test method. This is a direct method of testing the motor. • In this method, the motor is put on the direct load by means of a belt and pulley arrangement. Brake adjusting the tension of belt, the load is adjusted to give the various values of currents. The load is finally adjusted to get full load current. • The power developed gets wasted against the friction between belt and shaft. Due to the braking action of belt the test is called brake test. • The Fig. 1(a) shows the experimental setup for performing brake test on a d.c. shunt motor while the Fig. 1(b) shows the belt and pulley arrangement mounted on the shaft of the motor.
  • 20.  The tension in the belt can be adjusted using the handle. The tension in kg can be obtained from the spring balance readings. Let R = Radius of pulley in meter N = Speed in r.p.m. W1 = Spring balance reading on tight side in kg W2 = Spring balance reading on slack side in kg So net pull on the belt due to friction at the pulley is the difference between the two spring balance readings. As radius R and speed N are known, the shaft torque developed can be obtained  as, Hence the output power can be obtained as,
  • 23. Swinburne Test of DC Machine • This method is an indirect method of testing a dc machine. It is named after  Sir  James  Swinburne.  Swinburne's  test  is  the  most  commonly  used  and  simplest  method  of  testing  of  shunt  and  compound  wound  dc  machines  which have constant flux.  • In this test the efficiency of the machine at any load is pre-determined. We  can run the machine as a motor or as a generator. In this method of testing  no load losses are measured separately and eventually we can determine  the efficiency. • The circuit connection for Swinburne's test is shown in figure below. The  speed of the machine is adjusted to the rated speed with the help of the  shunt regulator R as shown in fig.
  • 25. Calculation of Efficiency: Let, I0 is the no load current ( it can be measured by  ammeter A1 ) Ish is the  shunt field current ( it can be measured by ammeter A2 ) Then, no load armature current = (I0 - Ish) Also let, V is the supply voltage.  Therefore, No load power input = VI0 watts.  In Swinburne's test no load power input is only required to supply the losses.  The losses occur in the machine mainly are: Iron losses in the core Friction and  windings losses Armature copper loss.  Since the no load mechanical output of the machine is zero in Swinburne's test,  the no load input power is only used to supply the losses. The value of armature  copper loss = (I0 - Ish)2 Ra Here, Ra is the armature resistance.  Now, no to get the constant losses we have to subtract the armature copper loss  from the no load power input. Then, Constant losses WC = VI0 -(I0 - Ish)2 Ra  After  calculating  the  no  load  constant  losses  now  we  can  determine  the  efficiency at any load.  Let, I is the load current at which we have to calculate the efficiency of the  machine.  Then,  armature  current  (Ia)  will  be  (I  -  Ish),  when  the  machine  is  motoring. And Ia = (I + Ish), when the machine is generating.
  • 26. Calculation of Efficiency When the Machine is Motoring on Load: Power input = VI Armature copper loss, PCU = I2 Ra = (I -  Ish)2Ra Constant losses, WC = VI0 -(I0 - Ish)2 Ra Total losses =  PCU + WC   Efficiency of the motor:∴ Calculation of Efficiency When the Machine is Generating on Load: Power input = VI Armature copper loss, PCU = I2 Ra = (I + Ish)2 Ra  Constant losses, WC = VI0 - (I0 - Ish)2 Ra Total losses = PCU + WC   ∴ Efficiency of the generator:
  • 27. Advantages of Swinburne's Test: The main advantages of this test are :  1.This test is very convenient and economical as it is required very less power  from supply to perform the test. 2.Since constant losses are known, efficiency of Swinburne's test can be pre- determined at any load. Disadvantages of Swinburne's Test The main disadvantages of this test are : •Iron loss is neglected though there is change in iron loss from no load to full  load due to armature reaction. •We cannot be sure about the satisfactory commutation on loaded condition  because the test is done on no-load. •We can’t measure the temperature rise when the machine is loaded. Power  losses can vary with the temperature.  •In DC series motors, the Swinburne’s test cannot be done to find its  efficiency as it is a no load test.
  • 28. Field’s Test for Series Motor • This is one of the methods of testing the d.c. series motors. Unlike shunt  motors, the series motor can not be tested by the methods which area  available for shunt motors as it is impossible to run the motor on no load. It  may run at dangerously high speed on no load. In case of small series motors  brake test may be employed. •   The series motors are usually tested in pairs. The field test is applied to two  similar series motors which are coupled mechanically. The connection  diagram for the test is shown in the Fig. 1.
  • 29. • As shown in the Fig. 1 one machine is made to run as a motor while the other  as a generator which is separately excited. The field of the two machines are  connected in series so that both the machines are equally excited. This will  make iron losses same for the two machines. The two machines are running at  the same speed. The generator output is given to the variable resistance R. •        The resistance R is changed until the current taken by motor reaches full  load  value.  This  will  be  indicated  by  ammeter  A1.  The  other  readings  of  different meters are then recorded.  Let      V = Supply voltage                  I1  = Current taken by motor                  I2 = Load current                  V2 = Terminal p.d. of generator                 Ra, Rse = Armature and series field resistance of each machine       Power taken from supply = VI1        Output obtained from generator = V2  I2        Total losses in both the machines, WT  = VI1  - V2  I2        Armature copper and field losses, WCU  = ( Ra + 2 Rse ) I12   +   I22 Ra       Total stray losses = WT  - WCU  
  • 31. For Generator :        Efficiency of generator is of little importance because it is running under  conditions of separate excitation. Still it can be found as follows.       Output of generator = V2  I2         Field Cu loss =  I12  Rse        Armature Cu loss = I22  Ra        Total losses = Armature Cu loss + Field Cu loss + Stray loss                         = I22  Ra +  I12  Rse + Ws        Input to generator = Output + Total losses = V2  I2  + [ I22  Ra + I12  Rse +  Ws ] The important point to be noted is that this is not regenerative method though the  two  machines  are  mechanically  coupled  because  the  generator  output  is  not  fed  back to the motor as in case of Hopkinson's test but it is wasted in load resistance.
  • 32. HOPKINSON TEST • Hopkinson's Test is another useful method of testing the efficiency of a  DC machine. It is a full load test and it requires two identical machines  which are coupled to each other. •   One  of  these  two  machines  is  operated  as  a  generator  to  supply  the  mechanical  power  to  the  motor  and  the  other  is  operated  as  a  motor  to  drive the generator. For this process of back to back driving the motor and  the  generator,  Hopkinson's test  is  also  called  back-to-back  test  or  regenerative  test.If  there  are  no  losses  in  the  machine,  then  no  external  power supply would have needed.  • But  due  to  the  drop  in  the  generator  output  voltage  we  need  an  extra  voltage source to supply the proper input voltage to the motor. Hence, the  power drawn from the external supply is therefore used to overcome the  internal losses of the  motor-generator set. Hopkinson’s test is also called  regenerative test or back to back test or heat run test.
  • 33. Connection Diagram of Hopkinson's Test:
  • 34. • Here  is  a  circuit  connection  for  the  Hopkinson's test  shown  in  figure  below. A motor and a generator, both identical, are coupled together. When  the machine is started it is started as motor.  • The shunt field resistance of the machine is adjusted so that the motor can  run  at  its  rated  speed.  The  generator  voltage  is  now  made  equal  to  the  supply voltage by adjusting the shunt field resistance connected across the  generator. •  This equality of these two voltages of generator and supply is indicated by  the voltmeter as it gives a zero reading at this point connected across the  switch. The machine can run at rated speed and at desired load by varying  the field currents of the motor and the generator. 
  • 36. Calculation of Efficiency by Hopkinson's Test • Let, V = supply voltage of the machines. • Then, Motor input = V(I1 + I2) I1 = The current from the generator I2 =  The  current  from  the  external  source  And,  Generator  output  =  VI1..................(1) Let, both machines are operating at the same efficiency  'η'. Then, Output of motor = η x input = η x V(I1 + I2) Input to generator =  Output of the motor = η X V(I1 + I2) Output of generator = η x input = η x  [η x V(I1 + I2)] = η2 V(I1 + I2)..................(2) From equation 1 an 2 we  get, VI1 = η2 V(I1 + I2)  or I1 = η2 (I1 +  I2) 
  • 37. • Now, in case of motor, • armature copper loss in the motor = (I1 + I2 - I4)2 Ra. Ra is the armature  resistance of both motor and generator. I4 is the shunt field current of the  motor. Shunt field copper loss in the motor will be = VI4 • Next, in case of generator armature copper loss in generator = (I1 + I3)2Ra  I3 is the shunt field current of the generator. Shunt field copper loss in the  generator  =  VI3  Now,  Power  drawn  from  the  external  supply  =  VI2  Therefore, the stray losses in both machines will be W = VI2 - (I1 + I2 - I4)2  Ra + VI4 + (I1 + I3)2 Ra + VI3 Let us assume that the stray losses will be  same for both the machines. Then, Stray loss / machine = W/2 
  • 38. Efficiency of Generator: • Total losses in the generator, WG = (I1 + I3)2 Ra + VI3 + W/2 •  Generator output = VI1  • Then, efficiency of the generator,  Efficiency of Motor: • Total losses in the motor, WM = (I1 + I2 - I4)2 Ra + VI4 + W/2  • Motor input = V(I1 + I2)  • Then, efficiency of the motor, 
  • 39. Advantages of Hopkinson's Test The merits of this test are…  1. This  test  requires  very  small  power  compared  to  full-load  power of the motor-generator coupled system. That is why it  is  economical.  Large  machines  can  be  tested  at  rated  load  without much power consumption. 2. Temperature  rise  and  commutation  can  be  observed  and  maintained  in  the  limit  because  this  test  is  done  under  full  load condition. 3. Change in iron loss due to flux distortion can be taken into  account due to the advantage of its full load condition. 4. Efficiency at different loads can be determined.
  • 40. Disadvantages of Hopkinson's Test The demerits of this test are  1. It is difficult to find two identical machines needed for  Hopkinson's test. 2. Both machines cannot be loaded equally all the time. 3. It is not possible to get separate iron losses for the two  machines though they are different because of their  excitations. 4. It is difficult to operate the machines at rated speed because  field currents vary widely.