BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

Transkrypt

1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI I ELEKTROTECHNIKI BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO Opacował: d inŝ. Aleksande Patyk

2 1.Cel i zakes ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, właściwościami uchowymi oaz ze sposobami wyznaczania podstawowych chaakteystyk statycznych silników wykonawczych pądu stałego o wzbudzeniu magnetoelektycznym. Zakes ćwiczenia obejmuje: pomia chaakteystyk: - mechanicznych - egulacyjnych - mocy steowania - mocy uŝytecznej. Wiadomości ogólne..1. Uwagi wstępne. Podstawowym wymogiem stawianym silnikom wykonawczym jest popocjonalność i jednoznaczność odpowiedzi mechanicznej na zadany sygnał elektyczny. Silniki wykonawcze powinny zatem chaakteyzować się następującymi cechami: samohamownością,pzy baku sygnału steującego; liniowym pzebiegiem chaakteystyk mechanicznych i egulacyjnych; duŝą szybkością działania (mała elektomechaniczna stała czasowa); duŝym momentem ozuchowym; stabilnością pacy w całym zakesie zmian pędkości obotowej Analizę zachowania silnika pądu stałego pzepowadza się pzy załoŝeniu, Ŝe oddziaływanie twonika jest znikomo małe, co paktycznie ma miejsce w pzypadku maszyn małej mocy. 1

3 .. Budowa i zasada działania. Silniki wykonawcze pądu stałego budowane są jak klasyczne silniki pądu stałego. Zasada ich działania nie odbiega więc od zasady działania typowej maszyny komutatoowej pądu stałego. Silniki wykonawcze są pzetwonikami elektomechanicznymi pzeznaczonymi do otzymywania jednoznacznej zaleŝności funkcyjnej odpowiedzi mechanicznej od sygnału elektycznego ( napięcia steującego). Ze względu na małe wymiay i moce znamionowe ( od ułamków do kilkudziesięciu watów) zaliczane są do gupy mikomaszyn. Obecnie w silnikach wykonawczych pądu stałego stumień magnetyczny wzbudzenia z eguły wytwazany jest za pomocą magnesów twałych. Z punktu widzenia wykonawstwa, magnesy twałe w pocesie podukcji silnika stwazają dodatkowe komplikacje związane z obóbką mechaniczną badzo twadych i kuchych magnesów oaz zabezpieczeniem ich pzed ozmagnesowaniem podczas montaŝu. Magnesy twałe zapewniają jednak silnikom wykonawczym pzede wszystkim stabilność wzbudzenia, lepszą spawność oaz mniejsze gabayty w zakesie małych mocy. Silniki te najczęściej znajdują zastosowanie w układach automatyki, jako elementy wykonawcze sewomechanizmów..3. Równania opisujące silnik wykonawczy Schemat elektyczny silnika wzbudzanego magnesami twałymi ilustuje poniŝszy ysunek: Rys..1 Schemat ideowy silnika wykonawczego o wzbudzeniu magnetoelektycznym. Równania óŝniczkowe opisujące silnik wykonawczy w stanie dynamicznym:

4 ównanie napięć: U ównanie uchu: di dt = R i + L + Ψ (.1) d M = Ψ i = J + M dt O (.) gdzie: - R - ezystancja winika - L - indukcyjność winika - - pędkość kątowa winika Ψ - stumień wzbudzenia ( magnesów twałych) - - M - moment elektomagnetyczny silnika - J - suma momentów bezwładności układu napędowego - M O - moment obciąŝenia Na podstawie powyŝszych ównań ogólnych wyznacza się ównania w stanie ustalonym (i = const, = const), któe mają następującą postać: (dla odóŝnienia pąd chwilowy i w stanie ustalonym oznaczono duŝą liteą I). o ównanie napięć: U = R I + Ψ (.3) o ównanie uchu: Ψ I = M O (.4) gdzie: I pąd winika w stanie ustalonym ZaleŜności (.3) i (.4) są podstawowymi związkami, słuŝącymi do wyznaczania chaakteystyk statycznych,opisujących pacę silnika wykonawczego pądu stałego w stanie ustalonym. Mechaniczny stan ustalony zespołu napędowego oznacza,iŝ moment obotowy ozwijany pzez silnik wykonawczy jest ówny co do watości statycznemu momentowi obciąŝenia. Chaakteystykę mechaniczną opisuje zaleŝność M f ( ) = pzy U=const. Po pzekształceniu ównania (.3) i podstawieniu do (.4) otzymuje się: 3

5 U Ψ UΨ Ψ M = ΨI = Ψ = (.5) R R R Pzebieg pzykładowych chaakteystyk mechanicznych pzy U = const pzedstawia ys.. Chaakteystykę egulacyjną opisuje zaleŝność = f ( U) pzy M O = const, I=const. Równanie tej chaakteystyki w jednostkach względnych otzymuje się po pzekształceniu ównania (.3) do postaci : U RI U R = = I (.6) Ψ Ψ Ψ pzy czym oznaczenia są takie same, jak dla chaakteystyki mechanicznej. = f U pzy I = const pzedstawia ys..3 Pzykładowe pzebiegi chaakteystyk ( ) 1 pzy M O 0 jest nieciągły. Pzedział pomiędzy punktami ozuchu silnika dla obydwu kieunków wiowania jest stefą nieczułości U, zaleŝną od momentu tacia w łoŝyskach i na komutatoze, co ilustuje ys.4 Pzy pacy ewesyjnej silnika pzebieg chaakteystyki egulacyjnej = f ( U ) Chaakteystyka mocy steowania pzedstawia zaleŝność mocy elektycznej pobieanej pzez silnik w funkcji pędkości kątowej pzy stałym napięciu zasilania. Chaakteystykę tę opisuje następujące ównanie : P S U Ψ R UΨ U = U I = U = (.7) R R Pzebiegi chaakteystyk mocy steowania pzy U = const pzedstawia ys..5 Moc mechaniczna (moc na wale silnika czyli moc pobana z sieci pomniejszona o staty w winiku) okeślona jest zaleŝnością : P = PS I R = UI RI = I( U RI) (.8) ale U RI = Ψ (patz ównanie (.3) ) czyli: 4

6 P U Ψ R 1 = Ψ = ) R ( U Ψ ( Ψ ) (.9) Pzebiegi chaakteystyk P = f ( ) pzy U = const pzedstawia ys..6 Pzebiegi odpowiadające poszczególnym watościom paametu U posiadają maksimum dp funkcji. Odciętą tego punktu oblicza się pzyównując pochodną do zea. d dp ( U Ψ ( Ψ ) ) = 0 = 1 R Po podzieleniu pzez stąd: 1 Ψ oznaczając watość jako R U max Ψ = 0 max otzymuje się: U max = Ψ (.10) M U<U N U=U N U>U N Rys... Chaakteystyki mechaniczne M = f ( ) 5

7 M'' 0 > M' 0 M' 0 M =0 (I=0) 0 Rys..3. Chaakteystyki egulacyjne = f ( U ) ( M O = const, I = const ). pzy stałym momencie obciąŝenia U M =0 O M O=0 U U Rys..4. Stefa nieczułości silnika wykonawczego pądu stałego. 6

8 P S U'' > U N U' > U N U=U N U''' < U N Rys..5. ZaleŜność mocy steowania od pędkości kątowej. P U'' >U' N U' >U N U=U N U"' <U N Rys..6 ZaleŜność mocy mechanicznej od pędkości kątowej. 7

9 3. Pzebieg ćwiczenia. Pzed pzystąpieniem do wykonywania pomiaów naleŝy zapoznać się ze stanowiskiem laboatoyjnym oaz z typem badanego silnika,hamulca i ich danymi znamionowymi. Badany silnik to silnik typu PRMO zaopatzony w pzekładnię mechaniczną typu RU o pzełoŝeniu 1:50. Pędkość obotowa na wyjściu w waunkach znamionowych wynosi 100 ob/min (silnika 5000 ob/min). Całość silnik + pzekładnia twozą tzw. sewomoto pądu stałego (w tej postaci jednostka dostaczona jest do odbiocy). Hamulec stanowi dwufazowy silnik wykonawczy pądu zmiennego typu SA-6A4B zaopatzony w pzekładnie typu RU (sewomoto pądu zmiennego). PzełoŜenie tej pzekładni wynosi 1:5, dzięki czemu następuje dopasowanie pędkości obotowych silnika i hamulca. Wybane dane techniczne badanego silnika : Typ : PRMO napięcie znamionowe 4 [V] - pąd znamionowy 0,98 [A] - znamionowa pędkość ob [ob/min] - znamionowy moment 0,08 [Nm] - stumień wzbudzenia magnesów 0,030 [Wb] - moment bezwładności winika 1,05 *10-6 [kgm ] Pomia wszystkich chaakteystyk statycznych pzepowadza się w układzie pomiaowym, któego schemat ideowy pzedstawia ysunek 3.1. Pomiay paametów silnika naleŝy wykonać wg schematów z ysunków 3. i 3.3. Pomia pędkości dokonywany jest metodą stoboskopową, za pomocą mienika fotoelektycznego np. LUTRON lub podobnego. W czasie pomiaów naleŝy pzestzegać aby nie pzekoczyć znamionowych watości pądu. Dotyczy to zaówno silnika jak i hamulca. Z tych powodów niezbędne są ampeomieze w toze zasilania silnika i hamulca. 8

10 ~30 V AT V ~ V A M M ~ - A + V AT U ~ AT-autotansfomatoy. Rys.3.1. Schemat ideowy układu pomiaowego 3.1 Pomia chaakteystyk mechanicznych. Chaakteystyki mechaniczne silnika wykonawczego pzedstawiają zaleŝność momentu obotowego silnika w funkcji pędkości kątowej M = f ( ) pzy stałej watości napięcia zasilającego winik. Pomiau momentu obotowego badanego silnika pzepowadza się w sposób pośedni, popzez pomia mocy pobieanej pzez silnik. Moc tę okeśla zaleŝność : gdzie: = U I = P + P (3.4) PS P moc mechaniczna silnika P - staty całkowite w silniku 9

11 Staty całkowite okeślone są zaleŝnością: gdzie: ( I R + U I) P = P + (3.5) m P m - staty mechaniczne ( I R + USZ I) = Pel - staty elektyczne R ezystancja winika I pąd winika U SZ - spadek napięcia na szczotkach SZ Pzyjmuje się, Ŝe staty mechaniczne stanowią całkowite staty jałowe silnika, któe są niezaleŝne od obciąŝenia. Staty elektyczne P naleŝy okeślać dla wyznaczonej ezystancji winika oaz pzyjmując el U SZ = 0,7 V. Natomiast staty mechaniczne są zaleŝne od pędkości obotowej silnika. Dla badanego silnika zostały one wyznaczone doświadczalnie i wykes chaakteystyki P = f pzedstawia ysunek m ( ) Na podstawie tego wykesu odczytuje się watości Pm dla kolejnych watości.,5 P m [W] 1,5 1 0, [ad/s] Rys Chaakteystyka stat mechanicznych P = f ( ) Mając okeślone staty silnika PRMO m Pm, moment na wale badanego silnika naleŝy wyznaczać jako : 10

12 U I P M = (3.6) Właściwości i pzebieg pomiaów: Pomiay dokonuje się na stanowisku laboatoyjnym w układzie, któego schemat jest pzedstawiony na ysunku Badany silnik PRMO ma być spzęgnięty z dwufazowym silnikiem indukcyjnym 4V~ typu SA- 6A4B, pacującym w chaakteze hamulca (hamowanie dynamiczne).pomiay naleŝy pzepowadzić dla następujących watości napięcia: U=U N, U=0.75 U N, U=0.5 U N. śądaną watość napięcia zasilającego winik nastawia się za pomocą autotansfomatoa. Napięcie to po wypostowaniu podawane jest na zaciski winika. Silnik indukcyjny zasilany jest z postownika niesteowanego pełnookesowego, ten z kolei z autotansfomatoa. ObciąŜenie eguluje się pzez zwiększanie napięć zasilających uzwojenia silnika indukcyjnego tak aby nie pzekoczyć pądu znamionowego. Wyniki pomiaów i obliczeń naleŝy zamieścić w tabeli 3.1. Tabela 3.1 Lp Wielk. zmiezone Wielkości obliczone I n P S Pel P P M [A] [ob/min] [W] [ad/s] [W] [W] [W] [mnm] dla U=...=const dla U=...=const 11

13 3. Pomia chaakteystyk egulacyjnych Pzed pzystąpieniem do pomiaów naleŝy ozpzęgnąć silniki znajdujące się na stanowisku badawczym. Następnie naleŝy zdjąć chaakteystykę = f (U) z pzekładnią RU co oznacza dla M = const O, i = const (spełnione waunki chaakteystyki egulacyjnej). Właściwości i pzebieg pomiaów: Pomiay pzepowadzić według schematu pomiaowego pzedstawionego na ysunku 3.. Chaakteystykę egulacyjną zdejmuje się dla nieobciąŝonego silnika pacującego samotnie. Dla silnika obciąŝonego momentem opoowym ( M 0), naleŝy okeślić stefę nieczułości powstającą pzy zmianie kieunku wiowania winika. Tabela 3. Wyniki pomiaów zestawić w tabeli 3.. Lp. dla M=0 dla M U I n I n Pomia chaakteystyk mocy steowania. NaleŜy zdjąć chaakteystyki opisane zaleŝnością P f ( ) S = pzy U = const. Właściwości i pzebieg pomiaów: Pomiaów naleŝy dokonać w układzie, któego schemat ideowy pzedstawia ysunek Silnik badany obciąŝa się za pomocą hamulca. Pomiau dokonuje się dla kilku watości napięcia zasilania (U=U N, U=0.75 U N, U=0.5 U N ). Bioąc pod uwagę,iŝ pzebieg pomiau jest identyczny jak pzy wyznaczaniu chaakteystyk mechanicznych, watości mocy P S dla kolejnych punktów pomiaowych moŝna wykozystać z tabeli

14 3.4 Pomia chaakteystyk mocy uŝytecznej. NaleŜy wyznaczyć chaakteystyki mocy na wale ( mocy mechanicznej) w funkcji pędkości kątowej P = f ( ) pzy U = const. Pomiaów dokonuje się w sposób pośedni, mieząc moc elektyczną pobieaną pzez silnik i odejmując od niej całkowite staty w silniku, czyli : P = P P (3.7) S Właściwości i pzebieg pomiaów: = f wyznaczana jest w sposób obliczeniowy, ze względu na pośedni pomia momentu na wale silnika. Wyniki pzeliczeń mocy P naleŝy zestawić w tabeli 3.1, dla kolejnych pomiaów pzepowadzonych w punkcie 3.. Chaakteystyka P ( ) 4. Pytania kontolne : 1. Podać ównanie napięć, ównanie momentu elektomagnetycznego silnika wykonawczego pądu stałego.. Zdefiniować (napisać i naysować) chaakteystyki: - mechaniczne - egulacyjne - mocy steowania - mocy uŝytecznej. 3. Pzedstawić schemat stanowiska pomiaowego. 4. Pzedstawić pomiaowy sposób wyznaczenia momentu na wale silnika. 13