POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH. Ćwiczenie Nr 2

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Laboratorium Napędu Elektrycznego Kierunek studiów: EZ Przedmiot: Napęd elektryczny Ćwiczenie Nr 2 Temat: Badanie charakterystyk mechanicznych silnika szeregowego prądu stałego Białystok 2007

2 Ogólne zasady bezpieczeństwa Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną stanowiska laboratoryjnego. Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego. Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego. Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich działań. Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania stanowiska. Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone. W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym. Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska. Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem laboratoryjnym. Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem. 2

3 W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający. Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu stanowiska. Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na obudowie urządzenia. Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników. Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.: - Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu. - Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone do źródła napięcia. - Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu ochronnego sieci. - Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy podłączać go do punktów o wyższym potencjale. - Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda jest podłączona do źródła napięcia - Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów. 3

4 Opis stanowiska laboratoryjnego Studenci wykonujący ćwiczenie mają do swojej dyspozycji dwa zestawy maszyn elektrycznych. Pierwszy zestaw składa się z badanego obcowzbudnego silnika oraz sprzężonej mechanicznie obcowzbudnej prądnicy prądu stałego pozwalającej obciążać badany silnik. Drugi zestaw składa się z obcowzbudnej prądnicy prądu stałego oraz napędzającego ją trójfazowego silnika indukcyjnego. W celu zmiany obciążenia badanego silnika studenci wykorzystują układ obciążający. Studenci w oparciu o wykaz dostępnych na stanowisku przyrządów projektują, a następnie samodzielnie łączą układy pomiarowe pozwalające realizować program ćwiczenia. Stanowisko laboratoryjne jest zasilane z szafki znajdującej się przy stanowisku. Ze względu na możliwość porażenia prądem elektrycznym wszystkie połączenia, przełączenia czy sprawdzanie łączonego obwodu bezwzględnie muszą się odbywać przy wyłączonej szafce zasilającej. Studenci po wykonaniu badań i przedstawieniu wyników badań prowadzącemu zajęcia rozłączają połączone przez siebie układy pomiarowe, porządkują przyrządy na stołach laboratoryjnych i wieszają przewody łączeniowe na wieszaku. Wykaz dostępnych przyrządów i aparatury 1. Multimetr elektroniczny 1szt. 2. Amperomierz magnetoelektryczny wielozakresowy 4szt. 3. Woltomierz magnetoelektryczny 2szt. 4. Autotransformator 1szt. 5. Prostownik prądu wzbudzenia 2szt. 6. Laboratoryjny rezystor drutowy, suwakowy ( ,5A) 1szt. 7. Laboratoryjny rezystor drutowy, suwakowy ( ,5A) 1szt. 8. Laboratoryjny rezystor drutowy, suwakowy (0 3. 7,5A) 1szt. 9. Mostek do pomiaru rezystancji 1szt. 10. Zasilacz stabilizowany prądu stałego 24V, 5A 1szt. 4

5 Parametry użytych maszyn: Badany silnik szeregowy: Typ: PZOb 22a; P n =0,5 kw; U tn =220 V; I tn =I w =3,0 A; n n =2280 obr/min Prądnica prądu stałego: Typ: PZOb 44a, P n =1,2kW, U tn =230V, I tn =5,2A, n n =1450obr/min Wzbudzenie obce 220V, 0,37A Hamownica: Typ: PZOb 22b, P 0 =0,8kW, U tn =230V, I tn =3,48A, n n =2850obr/min Wzbudzenie obce 220V, 0,22A Prądniczka tachometryczna: 55V przy 3000obr/min Oznaczenia zacisków maszyn prądu stałego:, B2 obwód twornika F1, F2 obwód wzbudzenia (obcego) D1, D2 obwód wzbudzenia (szeregowego) Charakterystyki elektromechaniczne szeregowego silnika prądu stałego, doświadczalnie można wyznaczyć w układzie Leonarda wg schematu przedstawionego na poniższym rysunku. L1 L2 L3 L1 L2 Układ obciążający F1 F2 SSz L3 D2 D1 N B2 B2 PT V H A 220V Rys.1. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk elektromechanicznych Oznaczenia na rysunku: SA 3-fazowy silnik indukcyjny, SSz szeregowy silnik prądu stałego, P prądnica prądu stałego, H hamownica, PT prądniczka tachometryczna Na rys.2 przedstawiony jest widok płyty czołowej układu obciążającego. Zwykle układ obciążający jest podłączony na stałe i studenci jedynie obsługują ten układ. Załączenie układu odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku Z, wyłączenie zaś V R d F1 A I wp F2 P B2 SA 5

6 przy pomocy przycisku W. Podłączenie obciążenia odbywa się przez naciśnięcie przycisku Z1 lub Z2. Odłączenie obciążenia dokonujemy naciskając przycisk WP. Zalecane jest przed naciśnięciem przycisku W nacisnąć uprzednio przycisk WP. Wartość momentu obciążenia zmieniamy za pomocą potencjometru Iz (przełącznik sprzężenie napięciowe w położeniu wył. ). Jeśli ustawimy przełącznik sprzężenie napięciowe w położeniu zał., uzyskujemy możliwość napędzania układu napędowego od strony maszyny obciążającej. W tym przypadku za pomocą potencjometru Iz zadajemy wartość napięcia zasilającego obwód twornika prądnicy obciążającej. Rys.2. Widok płyty czołowej układu obciążającego Rys.3. Widok płyty czołowej układu stycznikowego 6

7 Materiały pomocnicze do realizacji ćwiczenia 2 Pomiar rezystancji uzwojenia twornika jak i uzwojenia wzbudzenia należy przeprowadzić metodą techniczną. Jako źródło prądu stałego można wykorzystać występujący w ćwiczeniu zespół maszynowy składający się z prądnicy obcowzbudnej prądu stałego P i silnika asynchronicznego SA. Przykładowy schemat układu pomiarowego w tym przypadku przedstawia rys.4. D1 D2 B2 F1 SSz P SA I wp A R d V U p I p A W F2 B2 L1 L2 L3 220V Rys.4. Schemat układu do wyznaczania rezystancji wzbudzenia i twornika silnika szeregowego Oznaczenia występujące na rys.4: SSz - silnik szeregowy prądu stałego, P - prądnica obcowzbudna prądu stałego, SA - 3-fazowy silnik asynchroniczny. UWAGA: 1) W czasie pomiaru rezystancji twornika przy przekroczeniu pewnej wartości prądu, wirnik może zacząć się obracać. Dzieje się tak dlatego, gdyż w maszynie występuje magnetyzm szczątkowy, a tym samym w czasie pomiaru powstaje moment elektromagnetyczny. Może zatem wystąpić potrzeba mechanicznego hamowania wirnika. 2) Wyłącznik W należy zamykać przy najniższej wartości sem wytwarzanej przez prądnicę P, co oznacza, że I wp =0. Pomiary należy przeprowadzić dla trzech wartości prądu pomiarowego I p zbliżonych do wartości I tns. Wyniki pomiarów i obliczeń należy zestawić tabelarycznie. Wartości średnie z pomiarów należy porównać z wynikami obliczeń ze wzoru R H Un = 0,75 (1 ηn ). (9) I n gdzie: U n, I n - wartości znamionowe napięcia i prądu, η n - sprawność znamionowa, R tc =R tc +R w Charakterystykę E=f(I w ) należy wyznaczyć wykorzystując układ pomiarowy jak na rys. 5. 7

8 L1 L2 L3 N Układ obciążający F1 F2 H B2 I w SSz A D1 B2 D2 PT V V 220V Rys.5. Schemat układu do wyznaczenia charakterystyki magnesowania silnika szeregowego W układzie na rys. 5. hamownica H jest wykorzystywana do napędzania silnika SSz. Wykorzystując pracę układu obciążającego przy załączeniu sprzężenia napięciowego uzyskujemy ułatwione utrzymywanie stałej prędkości obrotowej hamownicy H, a więc silnika SSz. Pomiary należy zrealizować przy ciągle narastających i malejących wartościach I w, gdyż przy dalszych rozważaniach wykorzystuje się I wśr. Wyniki pomiarów i obliczeń należy zestawić tabelarycznie i graficznie. Naturalna charakterystyka mechaniczna ω=f 1 (M) lub ω=f 2 (I) dla silnika szeregowego prądu stałego występuje wówczas, gdy U=U n, I=I n, R d =0. Wówczas zapis analityczny tej charakterystyki przyjmuje postać: gdzie: R tc =R t +R w. U n I t R = kφ I ) tc ω. (10) ( t Ze wzoru (10) wynika, że do obliczenia charakterystyki ω=f(i t ) potrzebne są wartości U n, R tc, kφ(i t )=kφ śr (I t ). kφ śr (I t ) znajdujemy wykorzystując charakterystykę E śr =f(i w ), gdyż istnieje między tymi charakterystykami związek: E śr = kφω. (11) n Zgodnie ze wzorem (10) znamionowy punkt pracy wystąpi wówczas, gdy przy U=U n, R d =0 osiągniemy przez obciążenie hamownicą prąd znamionowy silnika. Dla takiego stanu należy odczytać prędkość silnika i przyjąć ją jako znamionową. Schemat układu pomiarowego przedstawia rysunek 1. Należy mieć na uwadze, że silnik szeregowy na biegu jałowym nie powinien pracować, gdyż może przekroczyć dopuszczalną wartość prędkości obrotowej. W układzie laboratoryjnym w pierwszej chwili rozruchu SSz hamownica nie może być załączona, gdyż pracuje ona przy stałej wartości momentu obrotowego i dlatego mogłaby spowodować nabranie prędkości przeciwnej do wywołanej przez silnik. Postępowanie przy uruchomieniu silnika SSz w układzie przedstawionym na rysunku 1 powinno być następujące: 8

9 1. załączamy do sieci silnik SA przy zerowej wartości prądu I wp ; prądnica P zacznie wytwarzać sem E szcz, pod wpływem której w obwodzie silnika SSz popłynie prąd i silnik może zacząć się obracać; 2. zwiększamy stopniowo wartość prądu I wp do wartości wywołujących wzrost prędkości silnika SSz w granicach kilkuset obr / min (należy obserwować wartość U PT ); 3. załączamy do sieci układ obciążający ; 4. ustawiamy potencjometr I z w lewym skrajnym położeniu; odpowiada to zerowej wartości prądu I H w obwodzie twornika hamownicy H; 5. załączamy hamownicę do układu obciążającego (naciskamy przycisk Z1 lub Z2); 6. stopniowo zwiększamy wartość prądu I H i obserwujemy zachowanie się silnika SSz; jeżeli prędkość silnika zmniejszy się, oznacza to że hamownica wytwarza moment obrotowy przeciwny do momentu wytwarzanego przez silnik; w przypadku wzrostu prędkości SSz mamy wspomaganie silnika przez hamownicę. Druga sytuacja jest niewłaściwa dla rozruchu. W tym przypadku musimy zmniejszyć wartość I H do zera, wyłączyć obciążenie przez naciśnięcie przycisku WP, a następnie nacisnąć ten przycisk załączający (Z1 lub Z2), który dotąd nie był wykorzystany. 7. po wybraniu właściwego kierunku I H, a tym samym i momentu wytwarzanego przez hamownicę, należy stopniowo zwiększać napięcie U podane z prądnicy P utrzymując przy tym odpowiednią wartość momentu hamującego na wale silnika SSz; po osiągnięciu żądanej wartości U można przystąpić do zdejmowania charakterystyki mechanicznej ω=f(i t ). Należy więc zmieniać wartość prądu I H w takich granicach, aby prąd I t płynący w tworniku silnika SSz był mniejszy od 1,3I tn i większy od wartości przy której prędkość mogłaby być większa niż 1,2n n. Charakterystyka ω=f(i t ) należy do tak zwanych charakterystyk miękkich. Moment elektromagnetyczny silnika zależy od kwadratu prądu twornika. W przypadku znacznych przeciążeń momentem silnik szeregowy jest zatem korzystniejszy od bocznikowego (obcowzbudnego), gdyż wówczas pobiera z sieci prąd o mniejszym natężeniu. Tę cenną zaletę silników szeregowych wykorzystuje się w układach napędowych o ciężkim rozruchu, np. w trakcji, urządzeniach transportowych, a z uwagi na miękkość swojej charakterystyki mechanicznej silnik automatycznie zwiększa prędkość obiektu napędzanego (lub skraca czas transportu). a) b) Rys.7. Charakterystyki elektromechaniczne silnika szeregowego dla różnych wartości: napięcia U t a) oraz rezystancji dodatkowych R d b) 9

10 Program ćwiczenia 2 1. Dokonać pomiaru rezystancji uzwojenia twornika oraz wzbudzenia silnika. 2. Wyznaczyć charakterystykę magnesowania E=f(I w ) przy ω=ω n =const. i I t =0. 3. Ustalić doświadczalnie znamionowy punkt pracy oraz dokonać pomiaru elektromechanicznej charakterystyki naturalnej ω=f(i). 4. Dokonać pomiaru elektromechanicznej charakterystyki ω=f(i) dla dwóch różnych napięć zasilających. 5. Dokonać pomiaru charakterystyki ω=f(i) dla dwóch różnych rezystancji R d wtrąconej w obwód twornika silnika. Wykaz literatury 1. P. Drozdowski: Wprowadzenie do napędów elektrycznych. Skrypt Politechniki Krakowskiej, Kraków T. Orłowska Kowalska: Napęd Elektryczny Ćwiczenia Laboratoryjne. OWPW, Wrocław H. Bitel: Laboratorium napędu elektrycznego. PWN, Warszawa M. Różycki: Laboratorium napędów przekształtnikowych. WUPL, Lublin J. Sidorowicz, A. Ruda, Z. Szulc: Laboratorium napędu elektrycznego. OWPW, Warszawa Z. Gogolewski, Z. Kuczewski: Napęd elektryczny. Warszawa WNT S. Bielawski: Teoria napędu elektrycznego. WNT, Warszawa