POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Laboratorium Napędu Elektryczego Kieruek studiów: EZ Przedmiot: Napęd elektryczy Ćwiczeie Nr 5 Temat: Badaie charakterystyk mechaiczych silika asychroiczego pierścieiowego Ćwiczeie Nr 6 Temat: Badaie silika asychroiczego pierścieiowego w staach hamowaia elektryczego Białystok 004

2 Ogóle zasady bezpieczeństwa Przed przystąpieiem do zajęć ależy zapozać się z istrukcją dydaktyczą staowiska laboratoryjego. Dokoać oględzi urządzeń i przyrządów używaych w ćwiczeiu, a o zauważoych ieprawidłowościach bezzwłoczie powiadomić prowadzącego. Zabraia się samodzielego załączaia staowiska bez zgody prowadzącego. Zmia astaw parametrów lub kofiguracji, możliwych przy użyciu dostępych maipulatorów (potecjometrów, przełączików), ależy dokoywać po przeaalizowaiu skutków takich działań. Zmia kofiguracji obwodów elektryczych, możliwych jedyie poprzez zmiay połączeń przewodów, ależy dokoywać za zgodą prowadzącego po uprzedim wyłączeiu zasilaia staowiska. Po załączeiu staowiska wykoywaie przełączeń (p. wymiaa przyrządu) w układzie zajdującym się pod apięciem jest iedozwoloe. W w/w staowisku dostępe są części czye obwodu elektryczego o apięciu przekraczającym apięcie bezpiecze, dlatego przed uruchomieiem ależy zachować odpowiedie oddaleie od tych części czyych w celu uikięcia porażeia prądem elektryczym. Stosowaie sposobów sterowaia, ustawień lub procedur iych iż opisae w istrukcji może spowodować ieprzewidziae zachowaie obiektu sterowaego a awet uszkodzeie staowiska. Nie ależy podłączać urządzeń ie przezaczoych do współpracy z tym staowiskiem laboratoryjym. Przekroczeie dopuszczalych parametrów prądów, apięć sygałów sterujących może doprowadzić do przegrzaia się iektórych podzespołów, pożaru lub porażeia prądem.

3 W przypadku pojawieia się symptomów ieprawidłowego działaia (p. swąd spaleizy) atychmiast ależy wyłączyć staowisko i odłączyć przewód zasilający. Demotaż osło staowiska oraz wszelkie aprawy i czyości serwisowe, oprócz opisaych w istrukcji, powiy być wykoywae przez wykwalifikoway persoel po wyłączeiu staowiska. Należy stosować tylko bezpiecziki o parametrach omialych podaych w istrukcji lub a obudowie urządzeia. Urządzeie powio być czyszczoe przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie ależy stosować do tych celów rozpuszczalików. Podczas korzystaia z aparatury laboratoryjej (oscyloskopy, geeratory, zasilacze itp.) ależy przestrzegać ogólych zasad bezpieczeństwa tj.: - Do zasilaia przyrządu ależy stosować tylko kable zalecae do daego wyrobu. - Nie ależy podłączać lub odłączać sod i przewodów pomiarowych, gdy są oe dołączoe do źródła apięcia. - Przyrząd powiie być połączoy z uziemieiem przez przewód ochroy w kablu zasilającym. Aby uikąć porażeia przewód te powiie być podłączoy do przewodu ochroego sieci. - Przewód uziemiający sody ależy podłączać tylko do uziemieia ochroego. Nie ależy podłączać go do puktów o wyższym potecjale. - Aby uikąć porażeia prądem podczas używaia sody, ależy trzymać palce ad pierścieiem zabezpieczającym. Nie wolo dotykać metalowych części grotu, gdy soda jest podłączoa do źródła apięcia - Nie dotykać końcówek przewodów łączeiowych w trakcie wykoywaia pomiarów. 3

4 Opis staowiska laboratoryjego Studeci wykoujący ćwiczeie mają do swojej dyspozycji zestaw apędowy składający się z badaego silika klatkowego oraz sprzężoej mechaiczie obcowzbudej prądicy prądu stałego pozwalającej obciążać baday silik. iędzy wałami tych maszy jest włączoy mometomierz pozwalający bezpośredio odczytywać aktualą wartość mometu a wale badaego silika. W celu zmiay obciążeia badaego silika studeci wykorzystują układ obciążający. Obwód zasilaia badaego silika oraz prądicy obciążającej jest połączoy a stałe. W trakcie badań studeci samodzielie projektują i łączą wg potrzeb jedyie obwód wirika badaego silika. Staowisko laboratoryje jest zasilae, poprzez autotrasformator, z szafki zajdującej się przy staowisku. Ze względu a możliwość porażeia prądem elektryczym wszystkie połączeia, przełączeia czy sprawdzaie łączoego obwodu bezwzględie muszą się odbywać przy wyłączoej szafce zasilającej. Studeci po wykoaiu badań i przedstawieiu wyików badań prowadzącemu zajęcia rozłączają połączoe przez siebie układy pomiarowe, porządkują przyrządy a stołach laboratoryjych i wieszają przewody łączeiowe a wieszaku. 1. Obsługa staowiska badawczego Na rys.1 przedstawioy jest widok płyty czołowej staowiska badawczego. Studeci powii we własym zakresie, przed zajęciami, przeaalizować zasadę pracy układu sterowaia i zasilaia staowiska badawczego. Przyciski: W wyłączeie, ZP załącz w prawo, ZL załącz w lewo, HD hamowaie dyamicze, HJ hamowaie jedofazowe. ieriki: I p prąd przewodowy w stjaie silika, I hd prąd stały przy hamowaiu dyamiczym, U p apięcie zasilające przewodowe, P moc czya pobieraa przez silik, prędkość obrotowa badaego silika.. Obsługa układu obciążającego Na rys. przedstawioy jest widok płyty czołowej układu obciążającego. Zwykle układ obciążający jest podłączoy a stałe i studeci jedyie obsługują te układ. Załączeie układu odbywa się poprzez aciśięcie przycisku Z, wyłączeie zaś przy pomocy przycisku W. Podłączeie obciążeia odbywa się przez aciśięcie przycisku Z1 lub Z. Odłączeie obciążeia dokoujemy aciskając przycisk WP. Zalecae jest przed aciśięciem przycisku W acisąć uprzedio przycisk WP. Wartość mometu obciążeia zmieiamy za pomocą potecjometru Iz (przełączik sprzężeie apięciowe w położeiu wył. ). Jeśli ustawimy przełączik sprzężeie apięciowe w położeiu zał., uzyskujemy możliwość apędzaia układu apędowego od stroy maszyy obciążającej. W tym przypadku za pomocą potecjometru Iz zadajemy wartość apięcia zasilającego obwód tworika prądicy obciążającej. 4

5 3. Obsługa wskaźika mometu Na rys.3 przedstawioy jest widok płyty czołowej wskaźika mometu obrotowego. Przed przystąpieiem do pomiarów ależy wskaźik wygrzać co ajmiej w ciągu 15 miut a astępie przyrząd skalibrować wciskając przycisk KAL i przy pomocy potecjometru KALIBRACJA ustawić wskazówkę a czerwoą kreskę. Kalibrację przyrządu sprawdzać co około 30 miut. Odczyty mometu ależy przeprowadzać przy wciśiętym przycisku x0,5. 4. Obsługa regulatora apięcia Na rys.4 przedstawioy jest widok płyty czołowej regulatora apięcia używaego w ćwiczeiu. Załączeie regulatora odbywa się przy pomocy przycisku Z, wyłączeie przy pomocy przycisku W. Następie załączamy układ przyciskiem Z (AC) i za pomocą przycisków Z3 ustawiamy żądae apięcie. Wykaz dostępych przyrządów i aparatury 1. Wskaźik mometu 1szt.. Laboratoryjy rezystor drutowy, suwakowy (0 3,5Ω, 5A) 3szt. 3. ostek do pomiaru rezystacji 1szt. 4. Oscyloskop cyfrowy 1szt. Parametry użytych maszy: Baday silik pierścieiowy: Typ: SZUe 44b, P=4,0kW, U=0/380V ( /Υ), I=14,8/8,6A, =145obr/mi, Uw=103V, Iw=8A Prądica obciążająca: Typ: PZOb 3a, P=6,5kW, Ut=30V, It=8,3A, =1450obr/mi Wzbudzeie obce 0V, 1,8A Ozaczeia zacisków maszy prądu stałego: A1,B obwód tworika E1, E obwód wzbudzeia (obcego) 5

6 N ZP W HD HJ PZ3 ZL SL SP HD3 HJ3 SP1 ZP PZ4 ZL SP SL SL1 HD PZ1 HJ1 HD HD1 SL3 SP3 PZ HJ HD HJ HJ1 PP 1SR1 SR1 3SR1 PZ P1 ZP HJ4 HD4 P P SP4 1PC 1PC1 SL4 PC 1SR PC PC1 3PC SR 3PC 3PC1 3SR L1 L L3 V A HD Nm 3~ G W L1 L L3 A A A 3SR SR 1SR RN SP SL HJ L1 L L3 1PC PC 3PC Rys.1. Widok płyty czołowej staowiska laboratoryjego 6

7 Rys.. Widok płyty czołowej układu obciążającego Rys.3. Widok płyty czołowej wskaźika mometu Rys.4. Widok płyty czołowej regulatora apięcia 7

8 ateriały pomocicze do realizacji ćwiczeń 5, 6 1. Charakterystyka mechaicza Charakterystyka mechaicza aturala jest to zależość ω = f(), przy zachowaiu waruków: U = U, f = f, R d1 = R d = 0, X d1 = X d = 0. Schemat układu pomiarowego przedstawia rys. 1. W czasie laboratoryjego wyzaczaia charakterystyki mechaiczej ależy dokoać pomiaru prędkości i mometu obrotowego dla obc zmieiaego w zakresie od biegu jałowego do z krokiem około 0,1. Wyiki pomiarów charakterystyki ależy ująć tabelaryczie i graficzie oraz porówać je z charakterystyką obliczoą przy pomocy wzoru Klossa: k =, (1) s sk + sk s w którym: k = λ m - zamioowy momet obrotowy krytyczy, k λ m = - zamioowa przeciążalość mometem, = P ω - momet zamioowy, s k = s ( λ + λ m 1 ) - poślizg krytyczy zamioowy, m ω s ω s s = = ω s s - poślizg zamioowy, sp R = 3I (1 s ) - rezystacja fazowa uzwojeia wirika, gdzie: U, I zamioowe wartości apięcia i prądu wirika,. Wyzaczaie przeciążalości mometem Przy wyzaczaiu przeciążalości mometem korzystamy z defiicji k λ m = () W aszym przypadku chodzi o przeciążalość w warukach zamioowych, czyli o λ m. Przy zamioowym apięciu pomiar mometu krytyczego jest utrudioy, gdyż przy takim obciążeiu jest pobieraa przez silik stosukowo duża wartość prądu I 1, a to prowadzi do szybkiego przeciążeia cieplego silika. Pod względem cieplym jest to szkodliwe rówież dla pozostałych elemetów układu apędowego, które przeoszą eergię od sieci do układu obciążającego. W ćwiczeiu do wyzaczeia k ie stosujemy metody oscylograficzej. Jedą z prostszych metod jest pomiar mometu przy obiżoym apięciu zasilającym. Wówczas możemy dobrać taką wartość apięcia, przy której wymuszeie mometu krytyczego jest stosukowo łatwe i ie stwarza dużych zagrożeń dla układu. Charakterystyki mechaicze przy różych apięciach i stałej wartości częstotliwości i przy zerowej wartości R d ilustruje rysuek 5. 8

9 k r U =cost f=cost kp rp U P ω Rys. 5. Charakterystyki mechaicze przy różych wartościach apięcia i stałej wartości częstotliwości. Zwiększając obciążeie silika wymuszamy wzrost mometu aż do wartości kp. Dalsze zwiększeie obciążeia spowoduje tzw. utyk silika. Dla uikięcia iebezpieczeństwa rozbiegaia się układu ależy w chwili szybkiego zatrzymaia się silika zmiejszyć momet wytwarzay przez hamowicę. Wyzaczaie laboratoryje wartości krytyczej mometu ależy wykoać dla U p około 150V. Otrzymae wyiki przeliczyć dla wartości U = U i porówać z wartością katalogową. Przeliczeie realizujemy przy pomocy wzoru: kobl = kp U, (3) U p w którym: U p, kp wartości pomiarowe apięcia i mometu obrotowego krytyczego. ω k ω ω s 3. Obliczaie rezystacji wirikowych potrzebych do uzyskaia zadaych właściwości regulacyjych. Charakterystyka mechaicza silika pierścieiowego zależy od rezystacji dodatkowej wtrącoej w obwód wirika. W celu wyzaczeia poślizgu krytyczego charakterystyki sztuczej (przy założeiu że częstotliwość jest stała) ależy skorzystać ze wzoru: R + Rd1 sk = sk (4) R oża zaobserwować, że momet krytyczy ie zależy od rezystacji dodatkowej wtrącoej w obwód wirika (przy założeiu że apięcie i częstotliwość jest stała). Aby wyzaczyć rezystację wirikową potrzebą do uzyskaia zadaych właściwości regulacyjych musimy przekształcić wzór (4) i otrzymujemy: sk Rd1 = ( 1) R (5) s k 9

10 R d3 k R d R R d1 d0 U=cost f=cost Rys. 6. Charakterystyki mechaicze przy różych wartościach rezystacji dodatkowej w obwodzie wirika i stałej wartości częstotliwości. s 4. Obliczaie rezystacji rozruszika symetryczego Rozruszik rezystorowy projektuje się tak aby wartość poślizgu krytyczego dla pierwszego stopia rozruchowego wyosiła s k >1, co ozacza, że przy s=1 silik pracuje w pukcie zajdującym się a prostoliiowej, stateczej części charakterystyki mechaiczej. omet obrotowy silika zmieia się od wartości maksymalej max do wartości mometu przełączeia mi, większego od mometu obciążeia obc podczas rozruchu. Ze względu a zależość mometu silika od kwadratu apięcia sieci zasilającej, zazwyczaj przyjmuje się max 0,85 k. O wyborze wartości max decydują poadto: rodzaj rozruchu (lekki, średi, ciężki), dopuszczala wartość współczyika ierówomierości rozruchu, dopuszczale przy spieszeie chwilowe układu oraz wymagaia sieci zasilającej ze względu a dopuszczalą wartość prądu. R d3 max R d Rd1 Rd0 mi obc 1 3 u Rys. 7. Charakterystyki mechaicze silika idukcyjego pierścieiowego z rozruszikiem rezystorowym trzystopiowym. Wartość mometu mi przyjmuje się a poziomie mi 1,1 1,obc, co ozacza, że przełączeie a kolejy stopień rozruchowy astępuje przed osiągięciem przez układ apędowy stau ustaloego a stopiu poprzedim. Aby wyzaczyć momet maksymaly ależy skorzystać ze wzoru: k = max, (6) s sk + s s k s 10

11 Aby wyzaczyć poślizg, przy którym astępuje przełączeie a kolejy stopień rozruchowy ależy skorzystać ze wzoru: k k s = s k 1, (7) max max 5. Hamowaie przeciwwłączeiem Hamowaie przeciwwłączeiem może wystąpić wówczas, gdy wirik silika obraca się w przeciwym kieruku iż pole magetycze w stojaie, to zaczy gdy silik pracuje z poślizgiem większym od jedości (s>1). Są dwie możliwości uzyskaia takiego stau pracy silika. 1. Hamowaie przeciwwłączeiem za pomocą silika w czasie poprzedzającym zatrzymaie mechaizmu, gdy przy pracującym siliku zostaie mu zmieioy kieruek wirowaia strumieia magetyczego (zostaie przełączoa kolejość zasilających apięć dwóch uzwojeń faz stojaa silika; pole mając prędkość sychroiczą p. + s zmieia ją a s ). momet silika staje się mometem hamującym, pod działaiem którego mechaizm zwalia i zatrzymuje się. Jeżeli silik ie zostaie odłączoy od sieci przy prędkości =0, to może astąpić w dalszej kolejości rozruch w przeciwym kieruku. Zmusza to do stosowaia przekaźików prędkościowych, których zestyki rozwierają się przy prędkości zerowej i powodują odłączeie zasilaia silika. Przy stosowaiu silika pierścieiowego istieje możliwość włączeia dodatkowej rezystacji do obwodu wirika. Umożliwia to odpowiedie kształtowaie charakterystyk hamowaia silika. R 1 - s 0 6 R b h u s 3 R d3 5 4 R d1 R d - k Rys. 6. Charakterystyki mechaicze dla hamowaia przeciwwłączeiowego silika pierścieiowego przy bierym momecie oporowym oraz przy przełączeiu kolejości zasilaia uzwojeń faz stojaa: 1-charakterystyka silika przy pracy silikowej; -charakterystyka urządzeia apędzaego; 3,4,5,6,-charakterystyki silika przy pracy hamulcowej z różymi rezystacjami w obwodzie wirika: 3 R d, s k = 1,5; 4 R d1, s k = 1, 5 R d3, s k > ; 6 R d = 0. Hamowaie przeciwwłączeiem uzyskiwae od czyego, potecjalego mometu b, który działając a wał silika powoduje obracaie się wirika w kieruku 11

12 przeciwym iż kieruek wirowaia pola magetyczego w stojaie silika. Sta taki występuje często w apędach wciągarkowych przy opuszczaiu ładuku. Koiecze jest przy tym, aby w obwodzie wirika była rezystacja R d (która daje poślizg krytyczy silika s k przekraczający wartość ) tak duża, aby moża było uzyskać stateczy sta pracy silika bez obawy jego admierego przegrzaia. Praca silika bez rezystacji (char. 1) może także umożliwić zrówaie mometu silika i obciążeia b przy prędkości 1, ale te pukt pracy jest puktem iestateczym co uiemożliwia opuszczaie ładuku z ustaloą prędkością. s b k - op b R d h Rys. 7. Charakterystyki mechaicze hamowaia przeciwwłączeiowego silika idukcyjego pierścieiowego przy czyym momecie oporowym: 1- charakterystyka silika przy R d =0 R d = 0 ; - charakterystyka mometu oporowego wciągarki; 3- charakterystyka hamowaia przeciwprądowego silika przy dużej rezystacji w obwodzie wirika (sk >), op - prędkość ustaloa opuszczaia ( b = h ). 6. Hamowaie dyamicze Hamowaie dyamicze (ze wzbudzaiem prądem stałym) uzyskuje się wówczas, gdy po odłączeiu od sieci prądu przemieego, przy obracającym się wiriku silika idukcyjego, uzwojeia stojaa zasiloe zostaą prądem stałym I st. W obwodzie magetyczym stojaa powstaje ieruchome w przestrzei pole magetycze. W uzwojeiach wirującego wirika idukuje się siła elektromotorycza E = E = E = jx ki st 1, (8) która przy zamkiętym obwodzie wirika o rezystacji ( R + R prądu I d ) wywołuje przepływ 1

13 I = R + R σ X d ki + st ( X + X ). (9) Oddziaływaie wzajeme prądu wirika i strumieia stojaa powoduje powstaie mometu, który działa przeciwie do kieruku wirowaia wirika powodując jego wyhamowaie. Prąd wirika zmiejsza się w miarę spadku prędkości silika i przy ieruchomym wiriku zarówo momet hamujący jak i prąd wirika zaikają. Poieważ pole magetycze w obwodzie stojaa jest typu stojącego (ieruchome), więc obrotowi wirika w dowola stroę towarzyszy powstawaie zawsze mometu hamującego. Charakterystyka mometu hamującego jest symetrycza względem początku układu współrzędych (rys.8, charakterystyka ). Wartość mometu moża określić z zależości hd 3 ( R + R ) d = I, (10) ω sσ z której, po uwzględieiu (9), otrzymuje się wzór: R + Rd 3X k I st = σ hd, (11) R + Rd ω + ( + ) s X X σ k 1 σ k σ k 0 σ Rys. 8. Charakterystyka mechaicza obcowzbudego hamowaia dyamiczego i charakterystyka pracy silikowej 1 13

14 Z rówaia (11) przy pochodej d hd /ds.=0 otrzymuje się wzór a momet krytyczy przy hamowaiu omet te występuje przy poślizgu 3X k I st khd = ω ( X + X s. (1) ) σ khd = R + R X R d = R X + R d + X, (13) przy czym poślizg σ przy hamowaiu określa się jako ω σ = = (14) ωs s Przy zwartych pierścieiach silika rezystacja R jest zaczie miejsza iż reaktacja X R, skutkiem czego prędkość obrotowa, przy której występuje momet krytyczy, jest bardzo mała. Wpływa to iekorzystie a wartość średiego mometu hamującego. Przez dołączeie rezystacji dodatkowej R d do obwodu wirika oraz przez zmiaę prądu stałego I st moża w dowoly sposób kształtować charakterystykę mometu hamującego (patrz rys. 9). 0 3 s 4 1 Rys. 9. Wpływ rezystacji R d i wartość prądu I st a kształt charakterystyk hamowaia dyamiczego: 3,4 charakterystyki ze zwiększoą rezystacją R d ; 1, charakterystyki dla większych wartości prądu I st Prąd stały I st dla określoego układu połączeń powiie mieć wartość I 1 /k, przy czym współczyik k określa stosuek rówoważego magesującego prądu przy zasilaiu trójfazowym o wartości I 1, do prądu stałego I st wytwarzającego strumień o tej samej wartości. 14

15 Program ćwiczeń: Badaie charakterystyk mechaiczych silika asychroiczego pierścieiowego Ćwiczeie 5 1. Wyzaczyć liiową część charakterystyki mechaiczej aturalej.. Wyzaczyć przeciążalość silika. 3. Obliczyć rezystacje wirikowe potrzebe do uzyskaia zadaych właściwości regulacyjych. 4. Wyzaczyć charakterystyki mechaicze z rezystacjami obliczoymi w p.3. Badaie silika asychroiczego pierścieiowego w staach hamowaia elektryczego Ćwiczeie 6 Wyzaczyć statycze i dyamicze charakterystyki mechaicze silika przy: 1. - hamowaiu dyamiczym,. - hamowaiu przeciwwłączeiem, W waruki pomiaru i rejestrowae wielkości wskaże prowadzący zajęcia. Wykaz literatury 1. H. Bitel: Laboratorium apędu elektryczego. PWN, Warszawa Różycki: Laboratorium apędów przekształtikowych. WUPL, Lubli J. Sidorowicz, A. Ruda, Z. Szulc: Laboratorium apędu elektryczego. OWPW, Warszawa T. Orłowska-Kowalska: Napęd elektryczy-ćwiczeia laboratoryje. OWPW Z. Gogolewski, Z. Kuczewski: Napęd elektryczy. Warszawa WNT S. Bielawski: Teoria apędu elektryczego. WNT, Warszawa