Badanie własności prądnic tachometrycznych. Prądnica indukcyjna dwufazowa, prądnica magnetoelektryczna.

Transkrypt

1 Badanie własności prądnic tachometrycznych. Prądnica indukcyjna dwufazowa, prądnica magnetoelektryczna. Budowa i zasada działania. Prądnice tachometryczne (PTM) są to specjalne maszyny elektryczne słuŝące do pomiaru prędkości obrotowej lub przetwarzania ruchu obrotowego na wielkość elektryczną. Podstawowym wymaganiem stawianym PTM jest utrzymanie proporcjonalności wytwarzanego przez nie napięcia do prędkości wirowania (przy zachowaniu stałego strumienia magnetycznego). ZaleŜność tę wyraŝa wzór: E siła elektromotoryczna k współczynnik proporcjonalności φ - strumień wzbudzenia n prędkość obrotowa E = k φ n PowyŜszy wzór określa charakterystykę zewnętrzną prądnicy tachometrycznej, która w przypadku idealnej PTM jest linią prostą. Jednak w wyniku przepływu prądu przez uzwojenie twornika, napięcie na tym uzwojeniu obniŝa się i charakterystyka zagina się. Konstrukcja PTM powinna być taka, aby wpływ spadku napięcia na prostoliniowość charakterystyki był moŝliwie mały. Prostoliniowość charakterystyki zaleŝy równieŝ od wartości rezystancji obciąŝenia i polepsza się wraz z jej wzrostem. JeŜeli uzwojenie robocze umieszczone jest na wirniku to dalszym źródłem błędu moŝe być komutator i szczotki. Rezystancja przejścia szczotek i komutatora zmienia się w zaleŝności od prędkości wirowania i dlatego uzwojenie robocze w miarę moŝliwości jest umieszczane na stojanie. Prędkość kątowa obrotowa wirnika moŝe być wyraŝona jako pierwsza pochodna kąta obrotu. Stąd PTM mogą być z powodzeniem stosowane w układach liczących jako elementy róŝniczkujące. Dalsze wymagania stawiane PTM są następujące: mała elektromechaniczna stała czasowa pewność pracy cichobieŝność nie wytwarzanie zakłóceń radiowych moŝliwie małe wymiary mały cięŝar stałość parametrów w czasie (dotyczy prądnic z magnesami trwałymi) Prądnice tachometryczne prądu stałego W prądnicy samowzbudnej pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes trwały. W tym polu obraca się wirnik. Pakiet wirnika jest wykonany z blach krzemowych. Uzwojenie wirnika jest przyłączone do komutatora. Napięcie indukowane w uzwojeniu wirnika podczas jego wirowania jest doprowadzone z komutatora do tabliczki zaciskowej za pośrednictwem szczotek. Budowa prądnicy obcowzbudnej prądu stałego nie róŝni się niczym od budowy obcowzbudnego silnika prądu stałego. Pakiet stojana i wirnika tej prądnicy są wykonane z blach krzemowych. Stojan ma wydatne bieguny, na których jest umieszczone uzwojenie wzbudzenia. Wirnik jest wykonany podobnie jak w samowzbudnej prądnicy tachometrycznej. W obcowzbudnych PTM decydujący wpływ na wartość napięcia wyjściowego ma wartość napięcia wzbudzenia. Wahania tego napięcia mogą spowodować powaŝny uchyb pomiaru.

2 Cecha ta czasem moŝe być zaletą, np. jeŝeli prądnica stanowi element sprzęgający pomiędzy członami zasilanymi z tej samej sieci co uzwojenie wzbudzenia prądnicy. Wtedy wszystkie człony podlegają tym samym wahaniom napięcia sieci i spowodowane nimi uchyby kompensują się. Podstawową przyczyną niestabilności pracy obcowzbudnej PTM jest nagrzewanie się uzwojeń wzbudzenia w czasie pracy. Nagrzewanie powoduje wzrost rezystancji uzwojeń, co z kolei zmniejsza wartość prądu płynącego przez uzwojenia i odpowiednio zmniejsza strumień magnetyczny. PodwyŜszenie temperatury miedzianego uzwojenia o 25 C powoduje wzrost rezystancji o około 10%. Stąd zmiana temperatury moŝe bardzo powaŝnie wpłynąć na wartość napięcia wyjściowego. W celu zwiększenia stabilności obcowzbudnej PTM stosuje się silne nasycenie obwodu magnetycznego. W niektórych układach naleŝy zachować proporcjonalność między prądem wzbudzenia a napięciem wyjściowym PTM (złoŝone układy sprzęŝenia zwrotnego). W tych przypadkach naleŝy stosować PTM o słabo nasyconym obwodzie magnetycznym. Wpływ przyrostu temperatury uzwojeń wzbudzenia usuwa się wtedy za pomocą odpowiednich boczników, wykonanych z materiału zmieniającego swą przewodność magnetyczną pod wpływem temperatury. Część φ B strumienia głównego φ przepływa przez bocznik B. Czynny strumień zimnej maszyny wynosi: φ tz = φ - φ B φ tz strumień całkowity prądnicy φ - strumień czynny twornika φ B strumień przepływający przez bocznik Po nagrzaniu się prądnicy przewodność magnetyczna boczników zmniejsza się proporcjonalnie do przyrostu temperatury. Część strumienia φ B przepływającego przez boczniki równieŝ zmaleje o φ t. Strumień czynny maszyny nagrzanej wynosi: gdzie: φ = (φ B - φ r ) + (φ + φ t ) φ tg = φ tz + φ t φ tg strumień czynny maszyny nagrzanej φ - strumień główny φ t spadek strumienia w bocznikach przy nagrzaniu Dobierając odpowiednio materiał na boczniki moŝna tą metodą uzyskać prawie całkowitą kompensacje wpływu nagrzewania się uzwojeń wzbudzenia na charakterystykę zewnętrzną obcowzbudnej PTM, gdyŝ zwiększenie strumienia skompensuje zwiększenie rezystancji uzwojeń zarówno twornika jak i magneśnicy. Prądnice tachometryczne prądu przemiennego Najprostszą i najtańszą prądnicą tachometryczną prądu przemiennego jest synchroniczna prądnica tachometryczna o trwałym magnesie w wirniku (rys.1)

3 (rys.1) Wewnątrz stojana wykonanego z blach krzemowych wiruje trwały magnes o wydatnych biegunach. W Ŝłobkach stojana jest umieszczone uzwojenie robocze. W czasie obracania się wirnika, w uzwojeniu roboczym indukuje się siła elektromotoryczna, której wartość określa się równaniem: p n E =,44 k z φ 4 1 E sem indukowana w uzwojeniu roboczym k 1 współczynnik uzwojenia z liczba zwojów p liczba par biegunów n prędkość obrotowa (obr/min) φ - strumień magnetyczny Indukowana siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika. JednakŜe PTM tego typu ma powaŝną wadę. Mianowicie, częstotliwość wytwarzanego napięcia zmienia się proporcjonalnie do prędkości wirowania. PoniewaŜ reaktancja X L jest zaleŝna od częstotliwości, w czasie pracy wartość jej ulegnie zmianie. Powoduje to zmianę spadku napięcia na tworniku nawet przy niezmiennej wartości czysto czynnego obciąŝenia zewnętrznego. JeŜeli impedancja obciąŝenia zewnętrznego zawiera składową bierną, wpływ zmian częstotliwości jest jeszcze większy. Zmiany te uniemoŝliwiają uzyskanie w prądnicach tego typu liniowej charakterystyki zewnętrznej, co z kolei powaŝnie ogranicza moŝliwości stosowania synchronicznych PTM. Prądnice tego typu nadają się jedynie do mierzenia prędkości obrotowej, w połączeniu z odpowiednio wyskalowanym woltomierzem. W układach automatycznego sterowania synchroniczna PTM nie znajduje na ogół zastosowania. W automatyce często wykorzystuje się asynchroniczne prądnice prądu przemiennego. Budowa takiej prądnicy niczym nie róŝni się od budowy dwufazowego silnika asynchronicznego o wirniku klatkowym lub kubkowym. Zasada działania prądnicy tego typu jest następująca: 60

4 (rys. 2) Przy zasilaniu uzwojenia wzbudzenia dwufazowej maszyny (rys. 2) napięciem Ux wytwarza się strumień φ x skierowany zgodnie z osią x maszyny. Strumień ten oscyluje z częstotliwością sieci. JeŜeli dla uproszczenia przyjmuje się część zwartego wirnika jako zezwój B-B, to w zezwoju będzie się indukowała sem transformacji. PoniewaŜ zezwój ten jest zwarty, to popłynie w nim strumień φ B skierowany przeciwnie do strumienia głównego. Strumień wypadkowy φ B = (φ X - φ B ) wytwarza sem elektromotoryczną E B o wartości: EB = 4,44 k1 E B siła elektromotoryczna k 1 współczynnik uzwojenia z liczba zwojów urojonego uzwojenia wirnika f częstotliwość napięcia zasilającego φ B strumień magnetyczny f z φ B JeŜeli wirnik nie obraca się, to w zezwoju A-A przesuniętym o 90 w stosunku do osi x nie indukuje się Ŝadna sem i na zaciskach uzwojenia y traktowanego jako uzwojenie wtórne sprzęŝone ze zwartym uzwojeniem A-A nie występuje napięcie. Gdy wirnik zacznie się obracać, wówczas będzie się w nim indukowała sem rotacji, którą moŝna sobie wyobrazić jako siłę elektromotoryczną, indukowaną w zezwoju A-A prostopadłym do strumienia. Wartość chwilowa tej siły elektromotorycznej wyrazi się wzorem: ea = l υ BB sinωt l czynna długość przewodów υ - prędkość obrotowa wirnika B B sinωt wartość chwilowa indukcji wytworzonej przez strumień φ B e A siła elektromotoryczna Ze względu na proporcjonalność indukcji do strumienia moŝna napisać: e A = a n φ sinωt B

5 czyli wartość sem wirowania w osi y przy stałym strumieniu φ X jest proporcjonalna do prędkości obrotowej. PowyŜszy proces odbywa się w zwartym wirniku, więc sem wirowania wzbudza strumień φ Y skierowany prostopadle do φ B. W uzwojeniu y będzie więc indukowała się sem o wartości EB = 4,44 k2 f z Y φy zakładając, Ŝe 4,44 k f z = 2 Y const oraz strumień φ Y jest proporcjonalny do prędkości obrotowej, otrzymamy: E Y = c n Z powyŝszego uproszczonego rozwaŝania wynika, Ŝe w uzwojeniu wtórnym dwufazowej prądnicy asynchronicznej powstaje sem proporcjonalna do prędkości wirowania wirnika. Jej częstotliwość nie jest zaleŝna od tej prędkości i równa się częstotliwości napięcia zasilającego. Stanowi to najpowaŝniejszą zaletę asynchronicznych PTM. Prądnica taka ma jednak szereg wad, z których podstawową jest trudność usunięcia błędów fazy i amplitudy napięcia wyjściowego. Osie elektryczne i magnetyczne uzwojeń wzbudzenia wtórnego nie są do siebie idealnie prostopadłe. Powoduje to indukowanie się w uzwojeniu wtórnym oprócz sem wirowania równieŝ sem transformacji. Stąd powstaje dodatkowy błąd w amplitudzie i fazie. Błąd ten daje się odczuć zwłaszcza przy małych prędkościach obrotowych wirnika, gdy wartość sem jest niewielka (rys 3) (rys. 3) (rys. 4) Ten uchyb PTM moŝna zrównowaŝyć łącząc uzwojenia stojana w układzie przedstawionym (rys. 4) Budowa asynchronicznych PTM wymaga bardzo starannego doboru materiałów konstrukcyjnych i nadzwyczaj starannego wykonania. JeŜeli jednak wymagania te zostaną spełnione moŝna uzyskać PTM najwyŝszej klasy. Ma to duŝe znaczenie przy stosowaniu prądnic jako elementów róŝniczkujących.

6 1.Badanie prądnicy tachometrycznej indukcyjnej dwufazowej. Dane znamionowe: U N =110[V], I N =0,3[A], n=1050[obr/min], f=50[hz], U W =110[V] Schemat układu pomiarowego Badaną prądnice podłączamy do układu napędowego. Dla dwóch wartości napięcia wzbudzenia np. U W = U WN oraz U W = 90%U WN naleŝy wyznaczyć charakterystyki wyjściowe prądnicy pracującej bez obciąŝenia oraz przy obciąŝeniu rezystancją o wartości 10 i 20[kΩ]. 2.Badanie prądnicy prądu magnetoelektrycznej. Schemat układu pomiarowego jak wyŝej. NaleŜy wyznaczyć charakterystyki wyjściowe zarówno prądnicy nieobciąŝonej jak równieŝ prądnicy pracującej przy obciąŝeniu rezystancją 10 i 20 [kω]. 3. Analiza błędów Na podstawie pomiarów dla obydwu prądnic naleŝy dokonać analizy błędów tzn. wyznaczyć nachylenie k u charakterystyki U=f(n), uchyb napięciowey oraz strefę nieczułości 4. Wnioski: