Badanie silnika skokowego

Transkrypt

1 Badanie silnika skokowego Badany silnik skokowy jest silnikiem reluktancyjnym z użłobkowanym wirnikiem wykonanym ze stali magnetycznie miękkiej (wirnik bierny). Dane znamionowe silnika skokowego: Typ: TDS 18 Napięcie znamionowe: U n = 12 V Pobór mocy: P 1 = 82 W Prąd pasma fazowego: I ph = 3.4 A Liczba pasm fazowych: m = 4 Skok znamionowy: α n = 3 0 Moment znamionowy: M n = 2,5 Nm Maksymalny moment synchronizujący: M synmax = 7,5 Nm Moment rozruchowy: M r = 5,4 Nm Moment bezwładności: J = 45000*10-7 kg*m 2 Rezystancja pasma fazowego: R ph = 3,5 Ω Impedancja pasma fazowego: Z ph = 25,75 Ω Częstotliwość graniczna: f gr = 105 Hz Masa silnika: m s = 15,5 kg Schemat stanowiska badawczego przedstawiony jest na Rys. 1. Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego. Linią przerywaną za znaczono różne warianty zasilania silnika skokowego podczas eksperymentu

2 Zakres ćwiczenia 1) Wyznaczanie charakterystyki kątowej statycznego momentu synchronizującego M st = f(θ) Schemat połączeń podany jest na Rys. 2. Pasma fazowe należy zasilać napięciem znamionowym. Rys. 2. Schemat połączeń do wyznaczania charakterystyki kątowej statycznego momentu synchronizującego Wał badanego silnika należy zablokować. Ramię pomiarowe oparte na wadze (służącej do pomiaru siły) sprzężone jest z wtedy z wirnikiem. Przekładnia samohamowna umożliwia kątową zmianę położenia wału θ. Kąt θ wyznaczany jest za pomocą laserowego układu pomiarowego (Rys. 3). Rys. 3. Laserowy pomiar kąta wychylenia wału θ

3 Za pomocą przekładni samohamownej ustawiamy położenie wirnika w taki sposób, aby ramię dźwigni znajdowało się tuż ponad szalką wagi. Następnie włączamy laser i regulujemy położenie kątowe lusterka osadzonego na końcu wału w taki sposób, aby promień laserowy padał na liniał pomiarowy w miejscu 0. Uwaga! Należy zachować szczególna ostrożność przy pracy z włączonym laserem. Zmieniając położenie wirnika (za pomocą przekładni samohamownej) aż do momentu, w którym nastąpi przeskok do następnego stabilnego położenia wirnika znajdujemy na liniale kątowy zakres pomiarowy. Pomiaru momentu synchronizującego dokonujemy dla 8 10 kątowych położeń wirnika zawierających się w kątowym zakresie pomiarowym. Pomiaru wykonujemy przy zasilonym paśmie fazowym 1 (komutacja symetryczna ¼) oraz powtarzamy dla szeregowo połączonych pasm fazowych 1 i 2 (komutacja symetryczna ½). Wyniki zapisujemy w Tabeli 1 Tabela 1 L = h= h 0 = h θ = h - x - h 0, θ = (arctan h θ /L)/2 Pasmo fazowe 1 Pasmo fazowe 1 i 2 Lp. x θ F M x θ F M [mm] [deg] [N] [Nm] [mm] [deg] [N] [Nm] Na podstawie otrzymanych wyników wykreślić charakterystyki M syn = f(θ) dla dwóch różnych konfiguracji zasilania pasm fazowych. 2) Wyznaczanie charakterystyki maksymalnego statycznego momentu synchronizującego M synmax = f(i ph ) (pomiar opcjonalny) Korzystamy z układu połączeń jak w punkcie (1). Dla trzech wartości napięcie zasilania pasma fazowe 1 (0.9 U n, 0.8 U n, 0.7 U n ) znajdujemy maksymalną wartość statycznego momentu synchronizującego. Wyniki zapisujemy w Tabeli 2 Tabela 2 U n = Pasmo fazowe 1 U z = 0.9 U n U z = 0.8 U n U z = 0.7 U n F max M max F max M max F max M max [N] [Nm] [N] [Nm] [N] [Nm] pomiar Na podstawie otrzymanych wyników wykreślić charakterystykę M synmax = f(u z ).

4 3) Określenie błędu skoku α Układ pomiarowy przedstawiony jest na Rys. 3. Należy sprawdzić, czy wał silnika został odblokowany, a jego pasma fazowe podłączone do odpowiednich zacisków komutatora elektronicznego oraz prawidłowo połączone jego zasilanie. Komutator wyposażony jest w przełącznik 0 L P, który służy do ustalania kierunku wirowania wirnika silnika krokowego (L - lewo lub P prawo). Położenie 0 jest stanem tak zwanego luzowania pasma fazowe silnika nie są zasilane. Następnie (przełącznik pracy w położeniu L lub P) regulujemy napięcie zasilania silnika skokowego tak, aby prąd zasilania nie przekroczył wartości 2,5 A. Komutator elektroniczny połączony jest z kartą liczników uniwersalnych PCL 830 umieszczoną w komputerze PC. Odpowiednio oprogramowane (programy wywoływane z poziomu systemu operacyjnego DOS pod nadzorem nadrzędnego oprogramowania zrealizowanego w środowisku Matlab w postaci okna interfejsu użytkownika GUI Rys. 4.) liczniki służą zarówno do generowania sygnału taktującego komutator o żądanej częstotliwości oraz zadanej liczbie impulsów (kroków silnika skokowego) jak też pomiaru chwilowego położenia kątowego wirnika podczas wykonywania kolejnych kroków. Rys. 4. Interfejs użytkownika - GUI Po włączeniu zasilania komutatora i wywołujemy w środowisku Matlab programu hashmi (otwarcie okna interfejsu użytkownika). Aby przyspieszyć pracę komputera należy zminimalizować wszystkie pozostałe otwarte okna z wyjątkiem okna Matlab. Następnie włączając przycisk INITIALISATION ( kliknięcie myszą) dokonujemy inicjalizacji karty uniwersalnych liczników. Procedurę tą wywołujemy na samym początku, a także w przypadku gdy pracujemy z zadaną liczbą skoków silnika. Kolejnym krokiem jest wybór (za pomocą odpowiednich przycisków w polu FREQUENCY) częstotliwości pracy silnika skokowego. Wstępnie ustawiona jest wartość 2 Hz. Uwaga! Niemożliwe jest ustawienie ujemnej liczby skoków.

5 Pole STEP NUMBER służy do zadawania żądanej liczby skoków do wykonania. Wstępnie ustawiona jest wartość 2. Ze względu na konstrukcję karty liczników uniwersalnych jest to jednocześnie najmniejsza możliwa do ustawienia ilość skoków. Naciśnięcie przycisku -1 spowoduje przejście do pracy bez ograniczenia liczby skoków (w polu STEP NUMBER pojawia się znak inf infinitive). Po wybraniu żądanej częstotliwości pracy silnika i ilości skoków, które ma wykonać dokonujemy startu włączając w przycisk START. Przycisk STOP służy do zatrzymania pracy silnika. Uwaga! Po wyborze nowej częstotliwości pracy silnika nie występuje konieczność jego zatrzymania (STOP) i ponownego uruchomienia (START). Silnik przechodzi do pracy z nową częstotliwością po włączeniu przycisku START. W wypadku pracy z zadaną liczbą skoków i samoczynnym zatrzymaniu się silnika przed kolejnym uruchomieniem silnika należy dokonać powtórnej inicjalizacji (przycisk INITIALIZATION) Pomiaru błędu skoku dokonujemy przy bardzo małej częstotliwości pracy silnika skokowego (zalecana częstotliwość 0,2 Hz). Uruchamiamy silnik, a następnie po wykonaniu kroku regulując położeniem kątowym lusterka osadzonego na wale silnika w taki sposób, aby promień laserowy padał na liniał pomiarowy w miejscu 0. Następnie po wykonaniu przez silnik kolejnych 4 kroków zaznaczamy każdorazowo położenie promienia lasera. Wyniki pomiaru zapisujemy w Tabeli 3: Nr. kroku Położenie x 1 α 1 x 2 α 2 x 3 α 3 x 4 α 4 promienia (położenie lasera 0 ) [mm] [deg] [mm] [deg] [mm] [deg] [mm] [deg] Na podstawie otrzymanych wyników (kąt skoku α jest różnicą obliczeń wykonanych zgodnie z punktem (2)) wykreślić charakterystykę błędu skoku α = f(skoku 1-4 ) dla dwóch różnych konfiguracji zasilania pasm fazowych. Błąd skoku obliczamy z zależności: α = α α dla i = 1, 2, 3, 4; i i śr gdzie: 4 αi 1 α śr =. i 4) Wyznaczenie częstotliwości granicznej rozruchu. Korzystamy z układu połączeń jak w punkcie (3). Ustawiamy 10 kroków do wykonania zmieniając nastawy w polu STEP NUMBER. Wybieramy małą częstotliwość pracy (zalecane 2 Hz), następnie zatrzymujemy silnik (przycisk STOP). Regulujemy położenie kątowe lusterka osadzonego na wale silnika w taki sposób, aby promień laserowy padał na liniał pomiarowy w miejscu 0. Uruchamiamy silnik (przycisk START). Po automatycznym zatrzymaniu się silnika notujemy położenie plamki świetlnej lasera. W kolejnych etapach powtarzamy całą procedurę dla coraz większej częstotliwości pracy silnika. Wypadnięcie z

6 synchronizmu oznacza inne położenie plamki lasera po wykonaniu zadanej liczby kroków. Zaleca się na początku zwiększanie częstotliwości pracy z przyrostem 10 Hz. Po stwierdzeniu wypadnięcia z synchronizmu wracamy do poprzedniej nastawy i dokładną częstotliwość graniczną wyznaczamy zwiększając tym razem częstotliwość pracy z przyrostem 1 Hz. Pomiar powtarzamy przy obciążeniu silnika momentem hamującym, dla którego suma wskazań obu dynamometrów wynosi 1 kg). 5) Badanie odpowiedzi na skok jednostkowy. Pomiar chwilowego położenia kątowego wału realizowany jest za pomocą specjalnej procedury wywoływanej przyciskiem (START + STORE). Do pomiaru służy przetwornik cyfrowo-obrotowy sprzężony z tarczą o momencie bezwładności J<0,5J silnika osadzoną na wale silnika. Po wykonaniu pomiaru program Matlab przechodzi do obliczeń, a po ich zakończeniu w prawej części paska narzędziowego okna interfejsu uaktywnia się przycisk STEP MPTOR DYNAMICS umożliwiający prezentację wyniku pomiaru. Program Matlab umożliwia także automatyczne wyznaczenie logarytmicznego dekrementu tłumienia drgań oscylacyjnych: An δ = ln, A n= 1 gdzie: A amplituda oscylacji, częstotliwość kątową drgań własnych tłumionych: ω = 2π, T gdzie: T okres drgań, oraz częstotliwość kątową drgań własnych nietłumionych: 2 δ ω = ω 1+ π n 2 Pomiaru należy dokonać dla silnika pracującego w stanie jałowym i obciążonego jak w punkcie 4.Wyniki pomiaru w postaci wykresu (wydrukowane na drukarce) należy umieścić w sprawozdaniu. Pytania 1) W jaki sposób sterujemy zmianą kierunku obrotów w silniku skokowym? 2) Jakie są podstawowe różnice w budowie i sposobie zasilania pomiędzy silnikiem skokowym reluktancyjnym a silnikiem skokowym z magnesami trwałymi? 3) Jakie zjawiska maja wpływ na maksymalną częstotliwość pracy silnika skokowego? Instrukcję opracował Adam Biernat