Badanie energoelektronicznego układu napędowego z silnikiem obcowzbudnym prądu stałego.

Transkrypt

1 1 z8 Pracownia energoelektroniczna energoelektronicznego ZST Radom 2006/2007 Badanie energoelektronicznego układu napędowego z silnikiem obcowzbudnym prądu stałego. W wyniku badań i analizy wyników uczeń powinien umieć: 1. Narysować schematy połączeń uzwojeń i opisać budowę silników DC (szeregowy, równoległy, obcowzbudny, z magnesami trwałymi.). 2. Objaśnij zasadę działania silnika prądu stałego. 3. Co to jest prądnica tachometryczna i jaka jest jej rola w układzie badanym? 4. Narysować i objaśnić schemat blokowy układu zasilania i regulacji prędkości obrotowej silnika badanego w ćwiczeniu. 5. Wyjaśnić jakie rodzaje przekształtników energoelektronicznych zastosowano do zasilania silnika badanego. Z jakich źródeł energii korzystano dla zasilania tego silnika. 6. Wyjaśnić blokowo jak należy budować układ sterowania i zasilania silnika DC dla uzyskania stabilizacji prędkości obrotowej pomimo zmian obciążenia! 7. Podać i uzasadnić przebiegi charakterystyk mechanicznych n=f(mo) silnika badanego w przypadkach bez sprzężenia i ze sprzężeniem zwrotnym w układzie. 8. Opisać rolę spełnia sprzężenia zwrotnego w badanym układzie napędowym? Jak wytwarzany jest sygnał sprzężenia zwrotnego i do czego jest on wykorzystywany? 9. Podać definicję i jednostki miary momentu obciążenia i momentu rozruchowego silnika.. 1

2 2 z8 Regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego. Silniki prądu stałego umożliwiają płynną regulację prędkości obrotowej w szerokim zakresie (nawet 100:1),dzięki czemu znajdują one zastosowanie w układach napędowych o regulowanej prędkości. Najczęściej są to silniki obcowzbudne lub bocznikowe. Silniki szeregowe stosowane są głównie w napędach trakcyjnych trakcja kolejowa i tramwajowa, ze względu na silną zależność prędkości od momentu obciążenia. Układy połączeń i charakterystyki różnych rodzajów silników prądu stałego zestawione są poniżej oraz w [1],rozdział 3. Schematy połączeń różnych typów silników prądu stałego pokazane są na rys W ćwiczeniu badany jest układ zasilania i regulacji prędkości obrotowej silnika obcowzbudnego. Silnik obcowzbudny posiada oddzielne obwody zasilania (źródła) dla twornika i wzbudzenia. Rys.1.Schemat połączeń silnika bocznikowego. Rys.2.Schemat połączeń silnika szeregowego Zasady regulacji prędkości obrotowej silników prądu stałego wynikają z wzoru opisującego zależność prędkości obrotowej (n) od innych wielkości występujących w obwodzie silnika. Wzór na prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika Rar ma postać: U I t Rt n = c Φ gdzie: U napięcie zasilające obwód twornika, I t prąd twornika, Rt rezystancja twornika (obwodu wirnika), Φ strumień magnetyczny wytworzony przez obwód wzbudzenia (stojana). Z zależności tej widać, że na prędkość wirowania wirnika mają wpływ: napięcie U zasilania twornika, rezystancja R t obwodu twornika, oraz strumień Φ wywołany przez obwód wzbudzenia. Oznacza to, że prędkość obrotową można regulować przez: h zmianę napięcia zasilania twornika U, Rys.3. Schemat połączeń obcowzbudnego silnika prądu stałego. 2

3 3 z8 h zmianę rezystancji w obwodzie twornika Rt, h zmianę strumienia magnetycznego Φ, wytworzonego przez obwód wzbudzenia. Dobór sposobu regulacji zależy od wymagań układu napędowego. W zależności od rodzaju silnika można stosować opisane niżej sposoby regulacji prędkości kątowej. 1. Regulacja szeregowa Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji regulacyjnej Rar w szereg z obwodem twornika co daje efekt zwiekszenia rezystancji obwodu twornika i regulacji prędkości w dół od wartości największej przy Rar=0. Przebieg charakterystyk silnika przy różnych wartościach rezystancji szeregowej pokazane są na rys.4. Sposób ten stosuje się zarówno w silnikach bocznikowych, jak i szeregowych. Włączając dodatkową rezystancję w obwód twornika, możemy regulować prędkość obrotową w dół, a więc poniżej prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce neutralnej. Zakres regulacji zawiera się więc w granicach od prędkości znamionowej do zera. Regulacja szeregowa jest nieekonomiczna. Przy zmniejszeniu prędkości obrotowej do połowy, w oporniku regulacyjnym jest tracone dodatkowo 50% mocy pobieranej z sieci. Z tego względu regulacji szeregowej nie stosuje się w silnikach dużej mocy i w silnikach średniej mocy, jeżeli układ napędowy pracuje ze zmniejszoną prędkością przez dłuższy czas. Regulator prędkości musi być tak wykonany pod względem cieplnym, aby wytrzymywał pracę ciągłą. Z tego względu do regulacji prędkości nie można wykorzystywać rozruszników. Rys. 4. Szeregowa regulacja prędkości obrotowej w silniku bocznikowym. 2.Regulacja bocznikowa Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia strumienia przez zmniejszanie prądu wzbudzenia. W silnikach bocznikowych i obcowzbudnych rezystancję regulacyjną Rfr ( rys.1 i 3.) w celu regulacji prądu wzbudzenia włączamy w szereg z obwodem wzbudzenia, a w silniku szeregowym bocznikujemy obwód wzbudzenia. Włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wzbudzenia powoduje zmniejszenie strumienia i przy określonym prądzie powoduje wzrost prędkości. Zwiększa się przy tym prędkość biegu jałowego n o, oraz nachylenie charakterystyki mechanicznej. Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości n do ok. 3n, a przy tym jest regulacją ekonomiczną. Straty powstałe w rezystancji Rfr są pomijalnie małe w bilansie energetycznym maszyny. Prowadząc regulacje prędkości przez zmianę strumienia, należy mieć świadomość, jakie skutki może wywołać nadmierne osłabienie pola lub zanik prądu w obwodzie wzbudzenia silnika. Jeżeli przy biegu jałowym strumień zmaleje do wartości strumienia szczątkowego, a silnik nie zatrzyma się, to prędkość obrotowa wielokrotnie wzrośnie ( silnik rozbiega się ). Z tego powodu nie wolno rozwierać obwodu wzbudzenia silnika obcowzbudnego i bocznikowego (w silniku szeregowym nie wolno zwierać obwodu wzbudzenia ). Regulator wzbudzenia powinien być tak wykonany, aby jego rozwarcie było niemożliwe. Charakterystyki mechaniczne silników szeregowego i bocznikowego przy bocznikowej regulacji prędkości obrotowej przedstawione są na rys.5 i 6. 3

4 4 z8 Rys.5.Charakterystyki bocznikowej regulacji silnika szeregowego. Rys. 6. Charakterystyki silnika bocznikowego 3.Regulacja przez zmianę napięcia zasilania twornika. Zmieniając napięcie zasilające twornik, można przy znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do wartości większej od prędkości znamionowej. W całym zakresie regulacji prąd twornika nie ulega zmianie i zależy tylko od obciążenia. Przy regulacji prędkości przez zmianę napięcia twornika ( przy stałym strumieniu ) charakterystyka regulacyjna jest liniowa co ilustruje rys. 7. Taki sposób regulacji stosowany jest w silniku badanym podczas ćwiczenia do zasilania i sterowania prędkością silnika obcowzbudnego Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika można uzyskać przez zastosowanie tyrystorowych regulatorów napięcia co ilustruje rys.8. Przy wyborze sposobu regulacji prędkości silnika powinny być brane pod uwagę następujące kryteria: hzakres regulacji hpłynność regulacji hstabilność pracy przy danej prędkości kątowej hdopuszczalne obciążenie silnika przy danym zakresie regulacji hekonomiczność regulacji Zakres regulacji przy obciążeniu znamionowym silnika określa współczynnik: kr = ωmax/ωmin. Zakres regulacji podajemy liczbami: 2:1, 5:1, 100:1. Kierunek regulacji określamy w stosunku do prędkości znamionowej w górę lub w dół. Stabilność pracy zależy między innymi od sztywności charakterystyki mechanicznej silnika. Możliwość płynnej regulacji prędkości kątowej w szerokich granicach 0< ω< ωmax Rys.7. Charakterystyki mechaniczne silnika przy zmianach napięcia zasilania twornika jest wielką zaleta silników obcowzbudnych i decyduje o ich szerokim zastosowaniu w układach napędowych. Najkorzystniejsza jest płynna zmiana wartości napięcia zasilania obwodu twornika Ut lub prądu wzbudzenia ( zmiana strumienia Φ ). [Nm] 4

5 5 z8 Schemat układu regulacji prędkości silnika sterowanego przekształtnikami zasilającymi oddzielnie obwody twornika i wzbudzenia przedstawia rys.8. Dwa przekształtniki tyrystorowe zasilają tu niezależnie obwody wzbudzenia i twornika. Regulacja przez zmianę napięcia twornika Ua jest możliwa tylko dla wartości napięcia U<Un, jest to więc regulacja w dół. Przy znacznym zmniejszeniu prędkości kątowej silnika może zajść konieczność redukcji momentu obciążenia ze względu na pogarszanie się chłodzenia silnika. Omówione wyżej sposoby regulacji prędkości obrotowej nadają się realizacji automatycznej regulacji i stabilizacji prędkości obrotowej silnika, z zastosowaniem sprzężenia zwrotnego. Problem ten omawiany jest w punkcie poniżej. 4. Automatyczna regulacja obrotów silnika obcowzbudnego. Na rys. 9[3] pokazany jest schemat blokowy układu automatycznej regulacji prędkości kątowej silnika obcowzbudnego prądu stałego. Na schemacie tym brak obwodu wzbudzenia silnika, który zasilany jest z oddzielnego źródła energii i nie podlega tu regulacji. Utrzymanie stałej prędkości zapewniane jest tu dzięki obecności obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego. Sygnał sprzężenia zwrotnego niosący informację o prędkości wirowania pochodzi z prądnicy tachometrycznej (PT). Jest on wprowadzany do węzła sumacyjnego i sumowany jest z sygnałem zadajnika prędkości ω z. Wychodzący z węzła sygnał jest sygnałem błędu charakteryzującym różnicę pomiędzy prędkością zadaną (ω z ) i prędkością zmierzoną (ω). Po przetworzeniu go w regulatorze prędkości (Rω) otrzymujemy sygnał zadający wartość prądu twornika (i z ). Sygnał ten w kolejnym punkcie sumacyjnym spotyka się z sygnałem sprzężenia zwrotnego, charakteryzującym wartość prądu twornika (i). Sygnał z tego węzła przetwarzany jest w regulatorze prądu (R i ) i steruje pracą układu sterowania przekształtnika (US), z którego sygnał wyjściowy wpływa bezpośrednio na wysterowanie przekształtnika energoelektronicznego (PS) i na wartość napięcia twornika Ud. Napięcie to wpływa bezpośrednio na węzeł sumacyjny Rys. 8. Schemat blokowyukładu regulacji dwustrefowej sygnał zadajnika prędkości czujnik pomiaru prądu twornika sygnał sprzężenia zwrotnego z ukł. pomiaru prędkości Rys. 9. Schemat układu regulacji prędkości kątowej silnika prędkość obrotową silnika. Na ile stabilna może być wartość prędkości obrotowej przy zmianach obciążenia w obecności sprzężenia zwrotnego i przy braku sprzężenia, przekonujemy wykonując ćwiczenie. Prędkość kątowa w teorii napędu: definicja: jest to liczba radianów lub stopni (kąt) jaką poruszający się po okręgu punkt zakreśla w czasie jednej sekundy, oznaczenie. ω=2πn, jednostki: radian na sekundę [ ] lub stopnie na sekundę [ o ٠s -1 ] n- liczba obrotów w czasie jednej sekundy Bibliografia: 1. Januszewski S., Pytlak A., Nowaczyk M.R,. Świątek H -Napęd elektryczny, WSiP Januszewski S., Pytlak A.,.-Nowaczyk M.R,. Świątek H -Urządzenia energoelektroniczne, WSiP, W-wa Kaźmierkowski M, Wójciak A. -Układy sterowania i pomiarów w elektronice przemysłowej, WKiŁ W- wa

6 6 z8 Badanie energoelektronicznego układu napędowego z silnikiem obcowzbudnym prądu stałego 1. Zapoznanie się z urządzeniem: Zapoznaj się z instrukcją obsługi, danymi technicznymi urządzenia, zagrożeniami związanymi z pracą przy badanym urządzeniu by świadomie i z rozwagą wykonywać program ćwiczenia. 2. Z tabliczki z danymi znamionowymi zanotuj wartości parametrów znamionowych maszyn współpracujących. Podaj oznaczenia, pełne nazwy i znaczenie zanotowanych parametrów znamionowych. 3.Schemat blokowy stanowiska pomiarowego. Narysuj schemat blokowy stanowiska pomiarowego z zaznaczeniem połączeń między maszynami oraz blokami tworzącymi tyrystorowe urządzenie regulacji. Propozycję schematu blokowego przedstawiamy osobie prowadzącej zajęcia do akceptacji podczas zajęć. Rys.1 1. Nastawnik wartości zadanej ( obrotów ) 2. Nastawnik czasu wzrostu prędkości obrotowej i czasu hamowania 3. Ogranicznik kąta sterowania prostowników zasilających twornik maszyny 4. Sumator wytwarzający unipolarną wartość zadaną i sterowany jest przez układ logiczny 5. Generator (zadajnik) impulsów spustowych (zapłonowych) dla tyrystorów 6. Przełącznik impulsu spustowego (dla wyboru kierunku wirowania maszyny) 7. Podwójny przekształtnik-prostownik sterowany dla pracy nawrotnej 4. Pomiar napięcia i prądu wzbudzenia maszyny zasilającej. Po ustawieniu przełącznika nr. 5 ( instrukcja osługi ) w pozycję ( od )V, zadajnika obrotów ( n soll ) w pozycję środkową, wykonujemy pomiar napięcia i prądu wzbudzenia silnika w układzie na rys. 2 Prąd wzbudzenia : I wzb =.A; Napięcie wzbudzenia: U wzb = V 5. Badanie charakterystyki sterowania przekształtnika oraz charakterystyki prędkości obrotowej silnika w funkcji napięcia zadajnika na biegu jałowym. Rys.2. 6

7 7 z8 Wykonaj pomiary napięcia wyjściowego przekształtnika ( U 2 =U tw ) na zaciskach A 1, A 2 oraz prędkości obrotowej,, n w zależności od napięcia U 1 nastawnika obrotów ( punkt 42 ), w układzie jak na rys. 2 dla biegu jałowego silnika. Podobne pomiary i tabelę sporządzamy dla lewego i prawego kierunku wirowania. Rysunek 3. Obroty w lewo Lp U1 Utw (V) n(obr) Obroty w prawo Lp U1 Utw (V) n(obr) Wykreśl uzyskane przebiegi charakterystyk, podaj ich uzasadnienie. Wymagane nastawy regulatorów układu (sformułowania na podstawie dostarczonego tłumaczenia z j.niem.): n zadane = 0V; -zadana prędkość obrotowa T H = 10Vs 1 nastawnik czasu wzrostu prędkości obrotowej i czasu hamowania; K PN = 3 x 1 nastawnik zgrubny i dokładny współczynnik proporcjonalności; T NN = 0.2 x 1s nastawnik zgrubny i dokładny czas cofania; I Max1 = 2.2A ograniczenie prądu względem momentu obrotowego; I Max2 = 2.2A ograniczenie prądu względem momentu obrotowego; Vn = 5 nastawialny współczynnik wzmocnienia dopasowania wartości rzeczywistej prędkości obrotowej; K pi = 0.3 x 1 nastawnik zgubny i dokładny współczynnik proporcjonalności; T Ni = 30 x 1 nastawnik zgubny i dokładny czas; α G = 15 o nastawnik granicy kroku prostownika; α W = 165 o nastawnik granicy kroku falownika; I wzb = 0.47A U wzb = 210V 6. Badanie charakterystyk prędkości obrotowej w zależności od momentu obciążenia silnika w układzie bez sprzężenia zwrotnego. Zbadaj zależność n(m O ) dla ustalonej wartości napięcia zadajnika, rejestruj jednocześnie wartość napięcia twornika. Wykreśl i uzasadnij uzyskane przebiegi charakterystyk n(m o ). M 0 n U tw Obroty w lewo Obroty w prawo 7

8 8 z8 7.Badanie charakterystyk mechanicznych silnika podczas pracy w układzie automatycznej regulacji prędkości obrotowej (ze sprzężeniem zwrotnym). Bloki układu. 1. Nastawnik wartości zadanej ( obrotów ) 2. Nastawnik czasu wzrostu prędkości obrotowej i czasu hamowania 3. Ogranicznik kąta sterowania prostowników zasilających twornik maszyny 4. Sumator wytwarzający unipolarną wartość zadaną i sterowany jest przez układ logiczny 5. Generator (zadajnik) impulsów spustowych (zapłonowych) dla tyrystorów 6. Przełącznik impulsu spustowego (dla wyboru kierunku wirowania maszyny) 7. Podwójny przekształtnik-prostownik sterowany dla pracy nawrotnej 8. Regulator prędkości obrotowej ze wskazaniem przesterowania 9. Ogranicznik wartości prądu względem momentu obrotowego 10. Adapcyjny regulator prądu ze wskaźnikiem przeregulowania 11. Układ logiczny zezwalający/zabraniający sterowania 12. Układ logiczny z wskazywaniem 4 kwadrantów pracy napędu Zmieniając wartość momentu obciążenia silnika zbadaj zachowanie się prędkości obrotowej silnika (przy ustalonej wartości napięcia zadajnika jak w punkcie 5). Nm M o Rys.4. Schemat blokowy układu. n min -1 U tw V Obroty w prawo Obroty w lewo 8. Porównaj i uzasadnij zachowanie się napięcia twornika oraz prędkości obrotowej silników przy zmianach obciążenia w punktach 6 i 7 pomiarów. Wyjaśnij różnice! 8