Technika wyznaczania charakterystyk statycznych przekształtnikowych układów napędowych

Transkrypt

1 Ćwiczenie: Technika wyznaczania charakterystyk statycznych przekształtnikowych układów napędowych Cel i program ćwiczenia 1. Nauka uruchamiania tyrystorowego napędu prądu stałego i wstępnego nastawiania jego charakterystyk 2. Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu przemiennego obciążonego tyrystorowym zespołem napędowym prądu stałego 3. Nauczenie się uruchamiania i wstępnego nastawiania charakterystyk zespołu: silnik indukcyjny - falownik ALSPA 4. Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu stałego obciążonego zespołem: silnik indukcyjny - falownik napięcia ALSPA Wiadomości wprowadzające 2.1. Równanie równowagi momentów mechanicznych, konwencje oznaczeń zmiennych Podstawowymi zmiennymi opisującymi ruch układu napędowego są: kątowa prędkość wirowania wału i momenty obrotowe m działające na wał silnika. Zamiast prędkości kątowej, wyrażanej w radianach na sekundę, używa się też często równoważnej prędkości obrotowej n, wyrażanej w obrotach wału silnika na minutę: = n 2π 60 (2-0) Aby uniknąć niejednoznaczności trzeba przyjąć umowy dotyczące określenia dodatniego kierunku (zwrotu) prędkości i poszczególnych momentów. W Laboratorium przyjęto, że dodatnim kierunkiem wirowania zespołu maszynowego jest kierunek, przy którym wał silnika indukcyjnego zasilanego normalnie, napięciami o zgodnej kolejności faz, obraca się w prawo, tzn. zgodnie z ruchem wskazówek zegara patrząc na silnik od strony sprzęgła. Nie zmienia się

2 tej umowy w przypadku ćwiczeń, w których zespół napędzany jest od strony maszyny prądu stałego. Określenia "w prawo", "prędkość dodatnia" mają wówczas to samo znaczenie jak w ćwiczeniach w których badany jest silnik indukcyjny. Równanie równowagi momentów obrotowych na wale silnika można zapisać w następującej postaci: m e _ s mstr _ s mw = m (2-1) d _ s d md _ s = J s (2-2) dt gdzie: m e_s - moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik [Nm] m str_s - moment strat mechanicznych w silniku [Nm] m w m d_s - moment obciążający wał silnika i sprzęgło [Nm] - moment dynamiczny potrzebny do zmiany prędkości silnika [Nm] J s - moment bezwładności silnika [kgm 2 ] - prędkość kątowa silnika [rad/s] Znaki minus w równaniu (2-1) są wyrazem umowy, że dodatni moment elektromagnetyczny m e działa zgodnie z przyjętym za dodatni zwrotem prędkości silnika, a dodatnie wartości momentu strat m str_s i momentu obciążenia m w oznaczają działanie w kierunku przeciwnym. W momencie obciążającym wał m w można wyróżnić kilka składowych: m w = m ob + m str _ ob + J ob d dj + dt 2 dt ob (2-3) Pierwsza składowa, użyteczny moment obciążenia m ob, wyraża tę część momentu, która w procesie technologicznym wykonuje użyteczną pracę. Drugi składnik uwzględnia straty w układzie przeniesienia mocy mechanicznej od wału silnika do miejsca gdzie jest wykorzystywana. Trzeci i czwarty składnik to momenty dynamiczne związane ze zmianą prędkości i zmianą momentu bezwładności układu napędzanego. Parametr J ob wyraża sprowadzony do wału silnika zastępczy moment bezwładności wszystkich elementów ruchomych związanych z wałem silnika. Takie sprowadzenie jest możliwe przy założeniu idealnej sztywności wszystkich elementów przeniesienia napędu i tylko wtedy wzór (2-3) jest 2

3 słuszny. Przy założeniu sztywności połączeń momenty strat i momenty dynamiczne tak w silniku jak i w maszynie roboczej zależą od tej samej prędkości. Istnieje więc naturalna tendencja, aby łączyć je ze sobą i rezygnując z określania momentu obciążenia wału silnika m w zastąpić równanie (2-1) bardzo podobnie wyglądającym równaniem (2-4): m m m = m e _ s str ob d (2-4) gdzie: m e_s m str m ob m d - moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik - łączny moment strat mechanicznych w silniku i układzie przeniesienia napędu - moment obciążenia użytecznego - łączny moment dynamiczny potrzebny do zmiany prędkości silnika sztywno sprzęgniętego z obciążeniem Przy założeniu, że moment bezwładności obciążenia jest stały, można wyrazić łączny moment dynamiczny następującym wzorem : m d d = J (2-5) dt gdzie: J = J s + J ob - zastępczy łączny moment bezwładności silnika i maszyny napędzanej [kgm 2 ] Na rysunku 2.1a pokazano schemat kinematyczny odpowiadający równaniom 2-1 do 2-3. Równaniom 2-4, 2-5 odpowiada schemat kinematyczny pokazany na rys.2.1b. Moment obciążenia użytecznego m ob. powiększony o moment strat m str nazywany jest momentem oporowym m op : m = m + m (2-6) op ob str W Laboratorium jedna z dwóch sprzęgniętych ze sobą maszyn elektrycznych pracuje jako silnik w badanym układzie napędowym, a druga stanowi obciążenie zastępując maszynę roboczą. Równanie (2-4) pozostaje ważne, przy odpowiedniej interpretacji poszczególnych składników: m e_s : moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik w badanym układzie napędowym m str : łączny moment strat mechanicznych zestawu maszynowego 3

4 m dyn : moment dynamiczny potrzebny do zmiany prędkości zestawu maszynowego m ob : moment obciążenia równy wartości momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej, po zmianie znaku: m ob = -m e_ob Potrzeba zmiany znaku momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej wynika z przyjętej dla wszystkich maszyn w Laboratorium silnikowej konwencji zwrotów momentu względem prędkości. a b J s J ob J 4 me_s mstr_s md_s m w = m d_ob. +m str_ob +m ob m e_s m d m str +m ob =m op Rys.2.1. Schemat kinematyczny układu napędowego: a) wyjściowy, b) zredukowany (1- silnik, 2- sprzęgło, 3- maszyna robocza, 4- strzałki kierunkowe) 2.2. Charakterystyki mechaniczne napędu w stanie ustalonym W ustalonym stanie równowagi układu napędowego wał silnika wiruje ze stałą prędkością, moment dynamiczny jest równy zeru, a moment elektromagnetyczny silnika m e_s jest równy momentowi oporowemu m op. Właściwości napędu w stanach ustalonych można przedstawiać m.in. w postaci charakterystyk mechanicznych pokazujących zależność prędkości od momentu oporowego m op lub momentu obciążenia użytecznego m ob. Przy pominięciu strat mechanicznych charakterystyki te są identyczne z charakterystykami prędkości w funkcji momentu elektromagnetycznego silnika napędowego m e_s. Kształt charakterystyk = f(m e_s ) zależy od struktury i parametrów układów regulacyjnych i pomiarowych, charakterystyk przekształtnika, a także - zwłaszcza dla napędów nieregulowanych - od typu i parametrów silnika. Charakterystyki typowego napędu regulowanego, zdolnego do oddawania energii do sieci, przedstawiono na rysunku 2.2b. Idealizowana charakterystyka składa się z trzech odcinków: środkowego odpowiadającego pracy w zakresie stabilizacji prędkości i dwóch skrajnych, odpowiadających pracy w zakresie stabilizacji momentu elektromagnetycznego silnika. 4

5 Środkowy odcinek jest niemal poziomy; mówimy o małym nachyleniu lub dużej sztywności charakterystyki na tym odcinku. Napęd jest wówczas nieustępliwy, tzn. moment obciążenia w bardzo niewielkim stopniu wpływa na prędkość. Niezależność prędkości od momentu obciążenia zapewnia regulator prędkości, na który podawana jest różnica między prędkością zadaną i zmierzoną, czyli uchyb regulacji prędkości. Regulator tak steruje przebiegiem momentu elektromagnetycznego silnika, dopasowując go do aktualnego momentu obciążenia, aby w stanie ustalonym uchyb regulacji prędkości był bliski zera. Położenie środkowego odcinka charakterystyki można łatwo nastawiać poprzez zmianę wartości zadanej prędkości. z M z_max m z m e M z_min a I I III IV b m e Rys Typowa struktura regulacyjna układu napędowego: a- schemat blokowy, b- charakterystyki statyczne (1-regulator prędkości, 2- regulator momentu, 3- przekształtnik, silnik i układy pomiarowe) Dwa skrajne odcinki charakterystyki są niemal pionowe; mówimy w tym wypadku o dużej miękkości lub ustępliwości charakterystyki mechanicznej. Niewielkie nawet zmiany momentu obciążenia wywołują bardzo duże zmiany prędkości napędu, ponieważ moment elektromagnetyczny nie jest już sterowany w funkcji uchybu prędkości, ale jest utrzymywany na stałym poziomie przez regulator momentu. Przechodzenie od jednego do drugiego typu charakterystyki odbywa się automatycznie, dzięki pokazanej na rys. 2.2a strukturze regulacji z pętlą regulacji momentu podporządkowaną pętli regulacji prędkości. Jak długo sygnał wyjściowy regulatora prędkości mieści się w zadanych granicach momentu maksymalnego M z_max i minimalnego M z_min, tak długo moment elektromagnetyczny dostosowywany jest do momentu obciążenia i napęd pracuje w strefie stabilizacji prędkości. Gdy sygnał wyjściowy regulatora prędkości osiągnie jedną z granic, wówczas pętla regulacji prędkości zostaje przerwana i moment elektromagnetyczny silnika jest utrzymywany przez regulator momentu na stałym poziomie, zależnym od nastaw M z_max, M z_min ogranicznika napięcia wyjściowego regulatora prędkości. W przedstawionym wyżej uproszczonym opisie kształtowania charakterystyk kluczową rolę odgrywają regulatory i układy pomiarowe dostarczające sygnałów prędkości i momentu, 5

6 a parametry obwodów mocy zdają się nie mieć żadnego znaczenia. Taki uproszczony obraz jest bliski rzeczywistości, ale tylko w pewnych granicach zmian momentu i prędkości, poza którymi mechanizmy regulacyjne nie mogą działać. Parametry sieci, przekształtnika i silnika narzucają szereg ograniczeń na osiągalny obszar pracy napędu. Przykładowo, napędy niezdolne do pracy prądnicowej, tzn. oddawania energii z maszyny do przekształtnika (i dalej do sieci lub do innego odbiornika energii), nie mogą pracować w II i IV ćwiartce układu m str m e_s m ob a b c Rys.2.3. Wpływ momentu strat mechanicznych na charakterystyki statyczne napędu: a- wykres prędkości w funkcji momentu elektromagnetycznego silnika b- zależność momentu strat od prędkości, c-wykres prędkości w funkcji momentu obciążenia współrzędnych (m e, ). Niektóre typy napędów nie umożliwiają rewersji (zmiany znaku) momentu; ich zakres pracy jest ograniczony do ćwiartek I i IV. Wartości maksymalne prędkości i momentu nie mogą (nie powinny) przekraczać wartości dopuszczalnych wynikających z parametrów sieci, przekształtnika i silnika. W przypadku wielu napędów zakres regulacji prędkości jest również poważnie ograniczony od dołu. Napędy nieregulowane lub nie w pełni regulowane mogą mieć charakterystyki znacznie odbiegające od idealizowanej trójodcinkowej charakterystyki pokazanej na rys. 2-2b. Moment strat mechanicznych, pominięty w dotychczasowych rozważaniach, powoduje że kształt charakterystyki mechanicznej w funkcji momentu obciążenia (m ob ) nieznacznie odbiega od charakterystyk w funkcji momentu oporowego lub elektromagnetycznego (m e_s ). Różnice są widoczne przede wszystkim na odcinkach charakterystyki o dużym nachyleniu. Moment strat działa zawsze w kierunku przeciwnym do prędkości. Powoduje to przesunięcie charakterystyki (m ob ) w lewo dla prędkości dodatnich i w prawo dla prędkości ujemnych (rys.2.3). Skokowa zmiana momentu przy prędkości zerowej jest wywołana tarciem suchym. 6

7 Punkt pracy na charakterystyce mechanicznej napędu zależy od aktualnego obciążenia. W przypadku, gdy moment obciążenia jest funkcją prędkości, najdogodniej jest wyznaczyć punkt pracy z przecięcia się charakterystyki mechanicznej napędu =f(m ob ) z odwróconą charakterystyką zależności momentu obciążenia od prędkości. W Laboratorium moment obciążenia jest w większości ćwiczeń kształtowany przez regulowany układ napędowy o trójodcinkowych charakterystykach zbliżonych kształtem do przedstawionych na rys Moment obciążenia jest wówczas równy momentowi elektromagnetycznemu maszyny obciążającej po zmianie znaku (m ob = -m e_ob ). Oznacza to, że dla wykreślenia charakterystyki prędkości w funkcji momentu obciążenia trzeba obrócić względem osi pionowej charakterystykę prędkości w funkcji momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej, pokazaną na rys.2.4b. Aby zmieniać punkt pracy badanego napędu możemy się posłużyć zarówno możliwością przemieszczania środkowego odcinka charakterystyki układu obciążającego, jak i jej odcinków skrajnych. Punkt pracy można nastawić łatwiej i precyzyjniej, gdy charakterystyki: badana i obciążenia przecinają się pod możliwie dużym kątem. Wynika z tego, że przemieszczając punkt pracy po stromo nachylonych częściach charakterystyki badanej korzystniej jest zmieniać wartość zadaną prędkości układu obciążeniowego (rys. 2.4c), a przy zdejmowaniu sztywnej części charakterystyki lepiej operować poziomem ograniczenia momentu maksymalnego (rys.2.4d). Pierwszy sposób m ob m e_o a b m ob m ob c d Rys.2.4. Wyznaczanie charakterystyki mechanicznej napędu: a-badana charakterystyka, b- charakterystyka momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej przy zerowej prędkości zadanej układu obciążającego. c- zmiana obciążenia przez zmianę prędkości zadanej, d- zmiana obciążenia przez zmianę momentu ograniczenia M z_max przy ujemnej wartości prędkości zadanej 7

8 (zmiana prędkości zadanej) pozwala zdjąć całą charakterystykę, drugi tylko jej część; aby zdjąć pozostałe części trzeba zmienić wartość zadaną prędkości Uproszczony schemat zespołu: przekształtnik DML maszyna prądu stałego i sposoby wpływania na jego charakterystyki Uproszczony schemat obwodów mocy i sterowania napędem prądu stałego z dwukierunkowym 2-pulsowym przekształtnikiem tyrystorowym DML pokazano na rys Przekształtnik składa się z diodowego prostownika wzbudzenia (9), oraz tyrystorowego prostownika w obwodzie twornika (8). Prostownik wzbudzenia jest pod napięciem od chwili załączenia zasilania sieciowego przekształtnika DML, natomiast prostownik w obwodzie twornika dopiero po załączeniu dodatkowego stycznika (7). W obwód wzbudzenia można włączyć dodatkowe rezystancje, pozwalające obniżyć poziom prądu i strumienia wzbudzenia. W podstawowej konfiguracji połączeń, widocznej na rys.2.4, wykorzystywany jest opornik tak dobrany, aby napęd mógł pracować w obu kierunkach wirowania przy prędkościach przekraczających o około 10% prędkość znamionową. W obwód twornika może być włączony dodatkowy dławik zmniejszający tętnienia prądu. Struktura regulacyjna przekształtnika odpowiada mniej więcej ogólnej strukturze przedstawionej na rysunku 2.2a. W maszynie obcowzbudnej prądu stałego pracującej przy stałym strumieniu wzbudzenia moment elektromagnetyczny jest proporcjonalny do prądu twornika. Dlatego rolę regulatora momentu może pełnić regulator prądu twornika (6), podporządkowany regulatorowi prędkości (4). Ogranicznik sygnału wyjściowego regulatora prędkości zapewnia utrzymywanie prądu twornika w dopuszczalnych granicach ±I a_ogmax. Granice te można zawężać wstawionym między regulator prędkości a regulator prądu dodatkowym, zewnętrznym potencjometrem P2 (5). Nadmierne zawężenie tych granic spowodowałoby utratę sterowalności napędu, dlatego zastosowano szeregowo włączone z potencjometrem diody, uniemożliwiające zmniejszenie prądu ograniczenia do zera. Zakres prądu ograniczenia ±I a_og, możliwy do osiągnięcia nastawianiem potencjometru P2 wynosi orientacyjnie ±( )I a_ogmax dla napędów bez dławika 8

9 wygładzającego i ±( )I a_ogmax dla napędów z dławikiem w obwodzie twornika. Zależność prądu ograniczenia I a_og od nastawy potencjometru P2 nie jest liniowa. Zależnie od pozycji umieszczonego na płycie czołowej przekształtnika przełącznika (3), do regulatora prędkości jako sygnał sprzężenia zwrotnego może być doprowadzony jeden z dwóch sygnałów: napięcie prądniczki tachometrycznej sygnał proporcjonalny do napięcia na zaciskach wyjściowych przekształtnika. 3x220V, 3x230V, 50Hz Rys.2.5. Schemat zespołu napędowego DML-maszyna prądu stałego ( 1- przełącznik 'lewoprawo' zadanego kierunku prędkości, 2- potencjometr P1 zadawania prędkości, 3 przełącznik u/n rodzaju sprzężenia zwrotnego, 4- regulator prędkości, 5-potenjometr P2 ogranicznania momentu maksymalnego, 6- regulator prądu twornika, 7- stycznik zasilania przekształtnika w obwodzie twornika, 8 przekształtnik w obwodzie twornika, 9- prostownik wzbudzenia, 10- pole łączeniowe tablicy mocy, 11- prądnica tachometryczna, 12- maszyna obcowzbudna prądu stałego 9

10 W przypadku sprzężenia napięciowego regulator przestaje regulować prędkość, ale stara się stabilizować napięcie na wyjściu przekształtnika. Powoduje to, że wskutek spadków napięcia na rezystancjach twornika, środkowy odcinek charakterystyk mechanicznych napędu staje się bardziej ustępliwy niż w przypadku sprzężenia prędkościowego. Jest to cecha raczej niekorzystna przy ocenie właściwości układu jako badanego napędu, natomiast pożądana przy wykorzystywaniu układu jako obciążenia. Dzięki niej możliwe jest w miarę wygodne ustalanie punktu pracy na całej charakterystyce obciążenia badanego napędu przy wykorzystywaniu jednego tylko potencjometru P1. Nachylenie Rys. 2.6 Widok pola łączeniowego DML na tablicy sterowania i pomiarów: a- przed połączeniem, b- po połączeniu podstawowej konfiuracji charakterystyk mechanicznych zespołu DML - maszyna prądu stałego można radykalnie zwiększyć włączając w obwód twornika dodatkowe rezystancje wyprowadzone na tablicę łączeniową obwodów mocy. Zewnętrzne elementy sterujące i sygnalizacyjne przekształtnika DML są umieszczone na tablicy sterowania i pomiarów. Widok fragmentu pola DML tej tablicy przed i po połączeniu pokazano na rys Oprócz omówionych dotychczas elementów sterujących znajdują się tam: przełącznik 'lewo-prawo' do zadawania kierunku wirowania, 10

11 przełącznik 'blokada-start' do blokowania i odblokowywania impulsów sterujących przekształtnikiem, przycisk 'reset' do kwitowania stanu awaryjnego wyłączenia (zablokowania impulsów) napędu, łącznik 'zero-p1' do zadawania prędkości Łącznik do zadawania prędkości łączy wyjście potencjometru P1 z jednym z trzech wejść zadających regulatora. Wejście oznaczone napisem 'łagodne' jest de facto wejściem dodatkowego członu ograniczającego pochodną sygnału zadanego prędkości. Dwa pozostałe wejścia doprowadzają sygnał bezpośrednio do regulatora. a N b c m ob N Rys.2.7. Trzy typy charakterystyk zespołu obciążającego: a- moment bierny imitujący charakterystykę tarcia suchego, b- moment czynny c-moment zależny od prędkości Sugerowany sposób postępowania przy wykorzystywaniu zespołu DML-maszyna prądu stałego jako zespołu obciążającego dla wyznaczania charakterystyk statycznych badanego napędu: połączyć obwody mocy sterowania zgodnie z programem ćwiczenia, kierując się wskazówkami do ćwiczenia 1. nastawić potencjometry P1 i P2 na minimum uruchomić badany napęd i sprawdzić jego działanie na biegu jałowym odblokować przekształtnik załączając przełącznik START/Blokada. Spowoduje to obciążenie napędu momentem nie przekraczającym połowy momentu znamionowego. 11

12 zwiększać obciążenie zwiększając nastawę potencjometru P2 dla zmniejszenia obciążenia ustawić przełącznik 'lewo-prawo' w pozycji zgodnej z kierunkiem wybranym dla badanego napędu i zwiększać nastawę potencjometru P1, aż do zaobserwowania zmiany (zmniejszenia) obciążenia. Dla precyzyjnego ustawienia punktu pracy użyć potencjometru P2. Powyższy sposób postępowania jest odpowiedni dla wyznaczenia punkt po punkcie charakterystyki statycznej badanego napędu. Podczas badania zachowania się napędu w stanach nieustalonych, np. przy rozruchu lub nawrocie pod obciążeniem istotne jest, aby ukształtować charakterystyki układu obciążającego zgodnie z jedną z typowych charakterystyk maszyn roboczych. Podstawowa konfiguracja połączeń zespołu DMLmaszyna prądu stałego daje możliwość realizacji następujących typów charakterystyk obciążenia, pokazanych na rys.2.7 : a) Charakterystyka z dominującym momentem biernym wywołanym tarciem suchym. Moment obciążenia zmienia skokowo swą wartość przy zmianie kierunku wirowania (rys.2.7a). Dla realizacji tej charakterystyki potencjometr P1 nastawiany jest na zero, a potencjometrem P2 ustawia się żądaną wartość momentu obciążenia. Dla usztywnienia środkowej części charakterystyki przełącznik 'u/n' można przełączyć w pozycję 'n'. b) Charakterystyka z dominującym momentem czynnym (aktywnym). Moment nie zmienia znaku przy zmianie kierunku wirowania. Dla realizacji tej charakterystyki potencjometr P1 nastawia się na maksimum a przełącznik 'lewo-prawo' odpowiednio do żądanego znaku momentu obciążenia. Przełącznik ustawiony w pozycji 'lewo' daje moment obciążenia m ob. dodatni (rys 2.7b), a ustawiony w pozycji 'prawo' moment obciążenia ujemny. Dla prędkości mieszczących się w zakresie roboczym (około ±1700 obr/min) utrzymywana jest stała wartość momentu obciążenia, zależna od nastawienia potencjometru P2. W przypadku przekroczenia prędkości znamionowej i osiągnięcia granicy obszaru roboczego moment jest zmniejszany i utrzymywana jest stała, bezpieczna prędkość. Zakres prędkości roboczych można zawęzić zmniejszając nastawę potencjometru P1. c) Charakterystyka z dominującym momentem biernym zależnym od prędkości. Moment zmienia znak przy zmianie kierunku wirowania ale przy prędkościach bliskich zera jest znikomy (brak tarcia suchego). Ten typ charakterystyki można zrealizować włączając dodatkową rezystancję w obwód twornika maszyny obciążającej, przy nastawieniu 12

13 potencjometru P1 na zero, a przełącznika 'u/n' w pozycję 'u'. Trójodcinkowy przebieg charakterystyki (rys.2.7c) może służyć jako zgrubne przybliżenie często spotykanych charakterystyk wentylatorowych. Charakterystyki tego typu stwarzają znacznie lżejsze warunki rozruchu w porównaniu z poprzednimi przypadkami. Opisane metody kształtowania charakterystyk układu obciążającego dotyczą podstawowej konfiguracji połączeń, w której elementami kształtującymi są ręcznie ustawiane potencjometry i przełączniki. Szersze możliwości kształtowania charakterystyk powstają po zastąpieniu potencjometrów elementami sterowanymi analogowo lub cyfrowo. Będącymi do dyspozycji elementami sterowanymi sygnałem analogowym są mnożarki, których gniazda są dostępne w dolnej części tablicy sterowania i pomiarów. Włączając mnożarkę zamiast potencjometru P2 między regulator prędkości lub napięcia a regulator prądu twornika, uzyskuje się możliwość uzależnienia prądu ograniczenia I a_ogr i momentu ograniczenia M ogr od sygnału analogowego, np., prędkości. W stanowiskach wyposażonych w komputer z kartą pomiarowo-sterującą zamiast mnożarki można wykorzystać mnożący przetwornik cyfrowo analogowy. Cyfrowy sygnał sterujący jest wówczas generowany programowo, co stwarza znacznie szersze możliwości kształtowania charakterystyk obciążenia a ponadto umożliwia częściową automatyzację i rejestrację charakterystyk statycznych badanych napędów. W chwili pisania skryptu programy sterująco-rejestrujące i dodatkowe układy sprzętowe (filtry antyaliasingowe) nie są jeszcze gotowe. Po uruchomieniu ćwiczeń z częściową automatyzacją pomiarów ich opisy znajdą się w plikach dyskowych komputera na danym stanowisku Obliczanie momentu obrotowego na podstawie pomiarów zmiennych elektrycznych W przypadku gdy moment obciążenia wytwarzany jest przez maszynę prądu stałego, jego przybliżoną średnią wartość M ob. w stanie ustalonym można obliczyć z następującego wzoru: M ob M _ = kφ I (2-7) e ob a gdzie: kφ - stała wzbudzenia [Wb] 13

14 Ia - średnia wartość prądu twornika maszyny obciążającej [A] Prąd twornika Ia jest wyznaczany z pomiarów. Strumień wzbudzenia zależy od napięcia zasilania i parametrów (m.in. rezystancji) obwodu wzbudzenia, a także w pewnym stopniu od prądu twornika. Proponuje się obliczać strumień z następującego wzoru, aproksymującego reakcję twornika funkcją kwadratową: 2 I a kφ = kφ f kφa (2-8) IaN Parametry kφ f, kφ a wyznaczone z szczegółowych pomiarów identyfikacyjnych każdego zespołu obciążającego będą podane ćwiczącym przed rozpoczęciem zajęć, a także dostępne wraz z formułami obliczeń w arkuszach kalkulacyjnych przygotowanych dla każdego stanowiska. Aktualność parametru kφ f należy zweryfikować przed rozpoczęciem serii pomiarów, mierząc prędkość n i napięcie twornika U a maszyny obciążającej przy otwartym obwodzie twornika (i a =0), aby następnie obliczyć kφ f z wzoru (2-9): Ua kφ f = (2-9) n 2 π 60 Dla zmniejszenia wpływu błędów pomiarowych należy utrzymywać prędkość nie mniejszą niż 500 obr/min oraz uśrednić wynik obliczeń z pomiarów dla kilku prędkości dodatnich i kilku ujemnych. W niektórych ćwiczeniach, w których badany jest napęd prądu stałego, jako obciążenie wykorzystywany jest sterowany wektorowo silnik indukcyjny współpracujący z przemiennikiem częstotliwości. Program sterujący przekształtnikiem wylicza m.in. moment elektromagnetyczny silnika, na podstawie wzoru analogicznego do 2-7. Strumień magnetyczny i składowa prądu stojana odpowiedzialna za moment są wyliczane w sztucznym układzie współrzędnych wirujących synchronicznie z polem magnetycznym w maszynie. Nie należy przeceniać dokładności tak obliczonego przez program momentu, tym nie mniej wynik udostępniany przez program jest znacznie dokładniejszy niż wynik uzyskany z obliczeń na podstawie zewnętrznych pomiarów prędkości, napięć i prądów stojana. 14

15 W celu wyznaczenia momentu oporowego M op do momentu obciążenia M ob. należy dodać moment strat mechanicznych. Dla każdego zespołu maszynowego zostały wyznaczone charakterystyki momentu strat mechanicznych w funkcji prędkości obrotowej. Charakterystyki te zostały aproksymowane następującym wzorem: M str 2 = M sign( ) M M 2 sign( ) (2-10) ΩN ΩN Parametry M 0, M 1, M 2 wyznaczone z dokładnych pomiarów identyfikacyjnych każdego zespołu są dostępne w arkuszu Dane maszyn w Laboratorium.xls. Sposób wykonania ćwiczenia 2.1. Nauka uruchamiania i wstępnego nastawiania charakterystyk tyrystorowego napędu prądu stałego Wywołać i wystartować symulator. Połączyć stanowisko do pracy w strukturze: maszyna prądu stałego zasilana z prostownika DML, bez dławika i bez rezystorów dodatkowych w obwodzie twornika, z rezystorem dodatkowym 500 om w obwodzie wzbudzenia (struktura 'e2' z poprzedniego ćwiczenia). Przełącznik rodzaju sprzężenia zwrotnego 'u/n' w przekształtniku DML ustawić w pozycji 'u'. Potencjometr P1 w polu DML tablicy sterowania ustawić na 5 obrotów, a łącznik kierunku wirowania 'lewo/prawo' w prawo; pozostałe elementy nastawcze pozostawić w pozycjach wyjściowych. Załączyć łącznik ZASILANIE oraz stycznik przekształtnika DML, po czym odblokować przekształtnik przełącznikiem 'blok/start' i załączyć sygnał zadanego napięcia twornika łącznikiem 'zadawanie bezpośrednie'. Podczas rozruchu i w stanie ustalonym obserwować wskazania przyrządów mierzących napięcie i prąd twornika Ua, Ia oraz prędkość. Zmienić nastawę potencjometru P1. Sprawdzić, czy istnieje proporcjonalność między nastawą tego potencjometru a napięciem twornika i prędkością na biegu jałowym. Sprawdzić, jakie są 15

16 wartości maksymalne napięcia i prędkości przy potencjometrze P1 nastawionym na maksimum (10 obrotów). Dokonać nawrotu napędu przełączając łącznik kierunku 'lewo/prawo' w lewo. Sprawdzić zależność napięcia i prędkości od nastawy potencjometru P1 przy zmienionym kierunku wirowania zespołu. Sprawdzić napięcie i prędkość maksymalną (co do wartości bezwzględnej) przy zmienionym kierunku wirowania. W bloku 'y(x)' włączyć tryb 'trajektorie' nad oknem wykresów prędkości w funkcji momentu silnika prądu stałego, po czym wrócić do schematu głównego. Zaobserwować wartości prądu twornika jakie są utrzymywane przez przekształtnik podczas nawrotów prawo-->lewo i lewo- ->prawo. Zmienić (zmniejszyć) nastawę potencjometru P2 i ponownie obserwować wartości prądów twornika podczas nawrotów. Powtórzyć obserwacje dla kilku nastaw potencjomeru P2. Wyciągnąć wnioski odnośnie do zależności maksymalnych prądów rozwijanych przez napęd tyrystorowy od nastaw P2, P1 i od aktualnej prędkości napędu. Zastanowić się nad przybliżonym przebiegiem charakterystyk Ia = f(n) dla różnych nastaw potencjometrów P1 i P2. Naszkicować te charakterystyki w układzie współrzędnych: n = f (Me), zakładając że moment elektromagnetyczny Me silnika prądu stałego jest proporcjonalny do prądu twornika Ia. Porównać wyniki rozważań z kształtami trajektorii n=f(me2) zarejestrowanymi w bloku y(x). Jak będą wyglądały charakterystyki w odwróconym układzie współrzędnych n = f(mob), jeżeli potraktujemy maszynę prądu stałego nie jako silnik, a jako obciążenie (Mob= -Me)? Zatrzymać napęd łącznikiem zadawania prędkości (napięcia). Zablokować przekształtnik i wyłączyć zasilanie stanowiska. Połączyć ponownie obwód wzbudzenia bez dodatkowej rezystancji. Uruchomić napęd i sprawdzić jakie rozwija maksymalne prędkości w obu kierunkach wirowania. Uzasadnić, dlaczego są one mniejsze niż poprzednio. Sprawdzić, czy zmieniły się nastawiane potencjometrem P2 wartości maksymalne prądu twornika, obserwowane podczas rozruchu lub nawrotów napędu. Wyłączyć napęd i przywrócić poprzedni układ połączeń oraz pierwotne nastawy potencjometrów i łączników Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu przemiennego obciążonego tyrystorowym zespołem napędowym prądu stałego 16

17 Połączyć silnik indukcyjny do zasilania bezpośrednio z sieci, kierunek wirowania w prawo. Silnik prądu stałego pozostawić połączony jak w poprzednim punkcie. Załączyć zasilanie i dokonać bezpośredniego rozruchu silnika indukcyjnego. Załączyć stycznik przekształtnika DML i odblokować układ sterowania przekształtnikiem, bez załączania łącznika zadawania prędkości. Przeanalizować zachowanie się napędu po tej operacji. Naszkicować przybliżony przebieg charakterystyk mechanicznych silnika: n=f(ms) oraz charakterystyki zespołu obciążającego n=f(mob). Przy nastawie potencjometru P1=5 obrotów i przełączniku kierunku ustawionym w prawo zamknąć łącznik zadawania bezpośredniego. Wyjaśnić, dlaczego nie obserwuje się żadnej reakcji napędu na tę operację? Jak zmieniła się charakterystyka obciążenia n=f(mob) po zamknięciu łącznika? Sprawdzić, w jakim zakresie można zmieniać punkt pracy ustalonej napędu (Mob,n) zmieniając nastawę potencjometru P2. Moment obciążenia wyliczać jako iloczyn prądu twornika ze zmienionym znakiem ( -Ia ) przez stałą strumienia kfi=1.4vs. Na tle charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego n=f(ms) naszkicować charakterystyki zespołu obciążającego n=f(mob) przy skrajnych nastawach potencjometru P2. Nastawić potencjometr P2 na maksimum i zwiększać nastawę potencjometru P1 od wartości P1=5 obrotów aż do wartości przy której zaobserwuje się reakcję napędu (zmniejszenie momentu obciążenia). Zwrócić uwagę na znak i wartość prądu twornika Ia oraz mocy Ps pobieranej przez jedną fazę silnika indukcyjnego. Sprawdzić, w jakim zakresie nastaw potencjometru P1 można zmieniać obciążenie, oraz jaki jest zakres zmian tego obciążenia i prędkości. Zarejestrować kilka punktów charakterystyki mechanicznej silnika naciskając klawisz '1x' (przed naciśnięciem odczekać chwilę do osiągnięcia stanu ustalonego). Wyniki obejrzeć w bloku y(x) na wykresie n=f(me1). Przy nastawie P1 odpowiadającej pracy generatorowej silnika indukcyjnego zmienić położenie łącznika kierunku z 'prawo' na 'lewo'. Przeanalizować zachowanie się napędu po tej operacji. Wypróbować możliwości skokowego zadawania momentu obciążenia (dodatniego lub ujemnego) poprzez blokowanie i odblokowywanie przekształtnika DML łącznikiem blok/start. Za zgodą prowadzącego powtórzyć wybrane punkty programu na stanowisku fizycznym 17

18 2.2. Nauczenie się uruchamiania i wstępnego nastawiania charakterystyk zespołu: silnik indukcyjny - falownik ALSPA Połączyć stanowisko do pracy w strukturze (d): silnik indukcyjny zasilany przez przemiennik częstotliwości ALSPA. Załączyć ZASILANIE i obserwować wskazania przyrządów i wyświetlaczy w panelu ALSPA. Nastawić potencjometr P1 na około 5 obrotów, przełącznik kierunku w 'prawo'. Odblokować przekształtnik łącznikiem 'blok/zezwol', po czym załączyć sygnał zadany łącznikiem 'stop/start'. Obserwować wskazania przyrządów oraz przebiegi prędkości, prądu i napięcia silnika: n, iab, uab. Odczytać wskazania pomiarów dostępnych za pośrednictwem panelu sterującego przekształtnikiem. Sprawdzić, czy istnieje proporcjonalność między nastawą potencjometru P1 i prędkością n. Ustawić wyświetlacz ALSPy na odczyt momentu silnika i dokonać nawrotu przez przełączenie łącznika kierunku 'lewo/prawo'. Powtórzyć nawroty dla kilku wartości nastaw potencjometru P2. Sprawdzić, czy istnieje proporcjonalność między tymi nastawami, a momentem rozwijanym przez silnik podczas nawrotu (Uwaga: zadawanie prędkości w ALPSPIe jest zawsze 'łagodne', tzn. maksymalne przyspieszenie podczas nawrotów jest ograniczane przez zadajnik prędkości). Zatrzymać i wyłączyć napęd w kolejności odwrotnej do załączania. Za zgodą prowadzącego uruchomić i sprawdzić działanie napędu na stanowisku fizycznym Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu stałego obciążonego zespołem: silnik indukcyjny - falownik napięcia ALSPA Połączyć stanowisko jak w punktach 1 i 3 łącznie. Uruchomić napęd od strony przekształtnika DML. Potencjometrem P1 nastawić napięcie Ua=220V. W polu sterowania ALSPĄ ustawić P1=5obrotów, P2=1obrót, kierunek prawo. Odblokować ALSPĘ.. Zamknąć łącznik 'start' i postępować dalej analogicznie jak w punkcie 3.2, jednak tym razem zmieniając ustawienia ALSPA a nie DML. Zanotować podobieństwa i różnice. Porównać moment maszyny indukcyjnej (tym razem traktowany jako moment obciążenia ze 18

19 zmienionym znakiem, -Mob) z momentem elektromagnetycznym silnika prądu stałego wyliczanym ze wzoru Me=kFi*Ia. Zawartość sprawozdania W sprawozdaniu należy: Wymienić i krótko opisać wykonane w trakcie ćwiczenia zadania Zamieścić szkice charakterystyk wykonane podczas ćwiczeń. Bardziej szczegółowo opisać te punkty programu które sprawiły trudności, były niejasne, lub zbyt pracochłonne. Przedstawić i uzasadnić propozycje zmian w programie ćwiczenia. Przedstawić szczegółowe uwagi dotyczące działania symulatora, opisać zauważone błędy, zgłosić propozycje udoskonaleń. 19