CWICZ Nr 1 UKŁAD NAPĘDOWY Z SILNIKIEM WYKONAWCZYM PRĄDU STAŁEGO STEROWANYM IMPULSOWO Z PRZEKSZTAŁTNIKA TRANZYSTOROWEGO

Transkrypt

1 WIZ Nr 1 UKŁD NPĘDOWY Z SILNIKIE WYKONWZY PRĄDU STŁEGO STEROWNY IPULSOWO Z PRZEKSZTŁTNIK TRNZYSTOROWEGO 1.1. Program ćwicznia Wykonani ćwiczni objmuj następujący zakrs: - zapoznani się z silnikim wykonawczym jgo budową i podstawowymi paramtrami - omówini przkształtnika tranzystorowgo do strowania nawrotngo silnikim wykonawczym - wyznaczani charaktrystyk mchanicznych silnika w układzi otwartym i z sprzężnim prędkościowym i prądowym - analiza otrzymanych wyników i poznani właściwości ruchowych silnika w zastosowaniach do automatyki i robotyki 1.. Wiadomości podstawow Silnik wykonawczy prądu stałgo znajduj zastosowani w układach napędowych automatyki i robotyki. Od tych układów napędowych żąda się dużj szybkości działania, dokładnj stabilizacji wilkości wyjściowych (prędkość obrotowa, kąt obrotu, momnt) małych wymiarów, trwałości konstrukcji, zwartj budowy. Układ zasilania i strowania silnika wykonawczgo jst konstruowany pod względm jgo zastosowania. Na rys. 1. przdstawiono schmat zastępczy silnika wykonawczgo. Wzbudzni takigo silnika stanowią magnsy trwał co upraszcza ich budowę. Do opisu matmatyczngo przyjęto następując oznacznia: E - siła lktromotoryczna indukowana w tworniku [V] I - prąd twornika [] - momnt lktromagntyczny silnika [Nm] b - momnt obciążnia maszyny roboczj [Nm] ψ - strumiń wzbudznia od magnsów trwałych [Wb] Ω - prędkość kątowa wału silnika [rad/s] n - prędkość obrotowa wału silnika [obr/min] R - rzystancja uzwojnia twornika [ Ω ] L - indukcyjność uzwojnia twornika [H] J - momnt bzwładności silnika lub silnika i maszyny roboczj [kgm ] R maszyna robocza Zastosowany w układzi napędowym silnik wykonawczy jst produkcji krajowj i jgo dan są następując: Typ PZTK88-35TRR omnt długotrwały (dla n = 0) 0,55 Nm Napięci maksymaln zasilania 35 V Prędkość maksymalna 300 obr/min omnt maksymalny,8 Nm Prąd maksymalny 7 Stała momntowa - k ψ = = 0,105 ± 5 % Nm / I

2 E Stała napięciowa - k ψ = = 11V /1000 obr / min n Rzystancja twornika - R = 0,56 Ω Indukcyjność twornika - L = 0,9 mh omnt bzwładności - J = 1, kgm Na wspólnym wal z twornikim silnika jst umiszczona prądnica tachomtryczna o stałj napięciowj idntycznj jak twornika silnika oraz jszcz jdn twornik małj maszyny lktrycznj-rzolwra służącgo do okrślania położnia wirnika. W jdnj obudowi, na jdnym wal oprócz twornika silnika znajduj się więc urządzni do pomiaru prędkości obrotowj i urządzni do pomiaru kąta obrotu wału silnika (położnia). Ułatwia to i upraszcza konstrukcję układu napędowgo z sprężnim prędkościowym i położniowym. Podstawową charaktrystyką układu napędowgo jst zalżność prędkości obrotowj (lub kątowj) wału silnika od momntu rozwijango przz twornik silnika. Z względu na to, ż obi t wilkości opisują mchanikę układu zalżność tę nazwano charaktrystyką mchaniczną. Dla silnika prądu stałgo ma ona postać matmatyczną: U R Ω = (1.1) omnt lktromagntyczny silnika ( ) zalży wprost proporcjonalni od prądu twornika (I ): = (1.) I Na tj podstawi otrzymuj się inną postać charaktrystyki mchanicznj często stosowaną w praktyc U Ω = R I (1.3) Stała jst równa: [ Vs / rad] k ψ [ Nm ] = k ψ = (1.4) E m / Poniważ: πn Ω = (1.5) 30 można charaktrystykę mchaniczną opisywać używając prędkości obrotowj zamiast kątowj po odpowidnim przliczniu stałych. Podstawow zjawiska dynamiczn (zalżność prędkości kątowj i momntu od czasu) można opisać przy pomocy transmitancji: Ω( s) U ( s) = ( s T 1 T + st m m + 1) (1.6)

3 Ω( s) ( s) b = ( s R T (1 + st T m ) + st m + 1) (1.7) Pirwsza, opisuj zalżność pomiędzy przyrostm napięcia U jako wymusznia a wilkością wyjściową w postaci przyrostu prędkości kątowj Ω, przy momnci obciążnia b = 0. Druga transmitancja opisuj zalżność pomiędzy przyrostm prędkości obrotowj jako odpowidzią na zakłócnia b w postaci zmiany momntu obciążnia, przy stałj wartości napięcia zasilającgo twornik, U. Stał czasow T i T m są okrślon następująco: L T = [] s - lktromagntyczna stała czasowa silnika R T JR = [] s - mchaniczna stała czasowa silnika m Z powyższych zalżności wynika, ż silnik wykonawczy prądu stałgo z magnsami stałymi jst lmntm zminiającym nrgię lktryczną na mchaniczną a strowani tj przmiany dokonuj się poprzz strowani napięcim twornika. W warunkach dynamicznych o szybkości rgulowanych wilkości wyjściowych (prędkość kątowa, momnt) dcydują dwi stał czasow których wartości mówią o tym czy silnik jst członm apriodycznym drugigo rzędu, czy tż co w praktyc występuj bardzo rzadko członm oscylacyjnym drugigo rzędu Tranzystorowy przkształtnik jako źródło rgulowango napięcia stałgo. Wymagani stawian układom napędowym stosowanym w automatyc i robotyc doprowadziły do powstania konstrukcji przkształtnika tranzystorowgo, który stał napięci nirgulowan zaminia na stał o rgulowanj śrdnij wartości. Rgulowaną śrdnią wartość napięcia uzyskuj się poprzz okrsow załączani i odłączani napięcia stałgo nirgulowango, do odbiornika. W tym przypadku odbiornikim jst silnik wykonawczy, którgo schmat idowy wraz z schmatm obwodu główngo tranzystorowgo przkształtnika został przdstawiony na rys.. Tranzystor T jst załączony w okrsi czasu o- t 1 i zablokowany w okrsi czasu t 1 -t. Do obwodu twornika doprowadzan jst napięci stał U lub jst on zawirany przz diodę D gdy tranzystor T jst zablokowany a napięci indukowan: jst większ od siły lktromagntycznj: di L (1.8) dt E = k E ψ Ω (1.9)

4 Na rys. 3a został przdstawiony przbig czasowy napięcia doprowadzango do twornika. Śrdnia wartość tgo napięcia wynosi t1 U sr = U = εu (1.10) t Poniważ częstotliwość powtarzania tych impulsów jst stała i wynosi 1 f = (1.11) 1 T i przy czym: T i = t (1.1) a zaminia się czas załącznia tranzystora T w zakrsi więc 0 t 1 T i (1.13) 0 ε 1 (1.14) Wilkość ε nazywa się wypłninim. Wartość U sr zalży od wypłninia i zminia się w granicach 0 U sr U (1.15) Opisana wyżj mtoda strowania napięcim zasilania silnika prądu stałgo nosi nazwę impulsowj i moż polgać takż na przyjęciu stałj wartości ε a rgulacji częstotliwości f i. Jdnak najczęścij stosuj się rgulację szrokości impulsu przy stałj częstotliwości impulsowania. Przbig prądu twornika został przdstawiony na rys. 3b. Zalżność tgo prądu od czasu wynika z różnicy napięć U-E oraz wartość R, L i czasu T i. Wartość okrsu impulsowania dobira się tak aby T i << T (1.16) przy czym nalży pamiętać, ż straty mocy w tranzystorz kluczującym T rosną wraz z wzrostm częstotliwości f i 1 = (1.17) T i Prawidłowo dobrana wartość częstotliwości f i umożliwia ciągłość prądu twornika w całym zakrsi obciążń. Dzięki tmu optymalizuj się straty mocy w silniku a charaktrystyki mchaniczn mają postać:

5 U RI sr Ω = ε (1.18) Przbigi tych charaktrystyk w zalżności od ε zostały przdstawion na rys. 4. omnt lktromagntyczny silnika okrślony jako śrdnia jgo wartość ma postać: = I sr (1.19) Krzywą przrywaną zaznaczono zakrs charaktrystyk mchanicznych kidy prąd twornika ni jst ciągły (w zakrsi czasu t 1 t wartość prądu spada do zra). W zastosowaniach praktycznych w robotyc i automatyc taki charaktrystyki mchaniczn mają wadę, ż z wzrostm obciążnia momntm, prędkość kątowa (obrotowa) malj a prąd silnika moż osiągnąć dużą wartość (większą od dopuszczalnj) przy prędkości równj zru (zatrzymani silnika dużym momntm obciążnia). W clu uniknięcia tych wad stosuj się ujmn sprzężnia zwrotn: prędkościow i prądow. Rgulowany przkształtnik tranzystorowy umożliwia zbudowani układu napędowgo z rgulatorm prędkości i prądu, któr umożliwiają uzyskani charaktrystyk mchanicznych o przbigach jaki zostały przdstawion na rys. 5. Drugą korzyścią z zastosowania sprzężń zwrotnych jst skrócni czasów przjściowych przy zadawaniu prędkości obrotowj i zmianach momntu obciążnia Opis stanowiska laboratoryjngo. Na rys. 6 został przdstawiony schmat idowo-blokowy stanowiska laboratoryjngo. Transformator 1T wraz z prostownikim diodowym PD i filtrm pojmnościowym 1, stanowi źródło napięcia stałgo o wartościach 8V, V, 36 V (rgulowanych skokowo poprzz przłącznik Pr przy pomocy odczpów transformatora 1T). Napięci to zasila czopr P (impulsator tranzystorowy) w którym pracuj zawsz parami tranzystory, co umożliwia dwukirunkow zasilani silnika wykonawczgo. zęstotliwość impulsowania wynosi 8 khz a zmiana kirunku napięcia wyjściowgo jst ralizowana poprzz blokowani tranzystorów kluczujących, chwilową przrwę czasu pracy aby prąd wyjściowy osiągnął wartość równą zru, i rozpoczęci kluczowania przz drugą parę tranzystorów dającą na wyjściu czopra P przciwny kirunk napięcia. Strowani tranzystorów czopra odbywa się z strownika St1 którgo sygnał zadający moż pochodzić z potncjomtrów 1R p i Rp lub z rgulatora prądu RI (układ otwarty przłącznik 1S pozycja 0; układ zamknięty przłącznik 1S pozycja Z). Do obciążnia silnika wykonawczgo służy hamownica mchaniczna (F1, F) lub lktryczna z maszyną prądu stałgo G zasilaną z przkształtnika tyrystorowgo PS strowango potncjomtrm 3 R p. Kirunk obciążnia wybira się przłącznikim 5S. Prądnic tachomtryczn 1 GT i GT służą do sprzężnia prędkościowgo i pomiaru prędkości obrotowj. Bocznik 1 Rb umożliwia tworzni sygnału sprzężnia prądowgo a bocznik Rb służy do obsrwacji. Dławiki L1, L ograniczają stromości narastania prądu twornika silnika. Przłącznik S służy do blokowania rgulatora prędkości (W) lub do pracy z sprzężniami (Z). Przłącznik 3S umożliwia ograniczni prądu twornika (I g ) na poziomi wartości 6 i 11 co daj ograniczni momntu silnika na charaktrystykach mchanicznych układu zamkniętgo ( g ). 1.5 Wykonani ćwicznia. Po zaznajominiu się z stanowiskim pomiarowym wykonać pomiary umożliwiając zdjęci charaktrystyk mchanicznych:

6 1) Silnik bzpośrdnio zasilany jst z źródła napięcia o wartości 8 V, V, 36 V ) Silnik zasilany jst z czopra P, dla dwu kirunków obrotów i kilku wartości ε. 3) Silnik zasilany jst z czopra w układzi zamkniętym z sprzężnim prędkościowym i prądowym. Obciążni silnika zminiać w tn sposób aby wartość prądu twornika zminiała się od 0 do 5 (przynajmnij 5 punktów). Podczas wykonywania pomiarów zaobsrwować przbigi napięcia i prądu twornika silnika dla kilku wartości ε i obciążnia momntm. Przy pomocy przłącznika 4S zaobsrwować czas nawrotu silnika w układzi otwartym i zamkniętym dla tych samych wartości zadanj prędkości w lwo i prawo Sprawozdani. W sprawozdaniu nalży podać: - schmat uproszczony stanowiska pomiarowgo - charaktrystyki mchaniczn Ω = f() - przbigi prądów i napięć jżli były rjstrowan - wnioski dotycząc właściwości statycznych i dynamicznych układu napędowgo Rys. 1. Schmat idowo-blokowy układu napędowgo z silnikim wykonawczym prądu stałgo. Rys.. Schmat idowy silnika wykonawczgo zasilango z jdnokirunkowgo czopra tranzystorowgo.

7 a) b) Rys. 3. Przbig napięcia twornika (a) i prądu twornika (b) silnika wykonawczgo zasilango z czopra. Rys. 4. haraktrystyki mchaniczn silnika wykonawczgo zasilango z czopra. Rys. 5. Schmat idowo-blokowy laboratoryjngo układu napędowgo z silnikim wykonawczym zasilanym z dwukirunkowgo czopra (nawrotngo).

8 Rys. 6. haraktrystyki mchaniczn silnika wykonawczgo z ujmnymi sprzężniami zwrotnymi-prędkościowymi i prądowymi.