PRACA SILNIKÓW KOMUTATOROWYCH MAŁEJ MOCY ZASILANYCH NAPIĘCIEM NIESINUSOIDALNYM POMIARY NAPIĘCIA, PRĄDU I MOCY CZYNNEJ 1.WSTĘP

Transkrypt

1 Prce Nukowe Instytutu Mszyn, Npędów i Pomirów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocłwskiej Nr 48 Studi i Mteriły Nr Pweł DYBOWSKI*, Zigniew TERTIL* elektrotechnik, mszyny elektryczne komuttorowe, pomiry PRACA SILNIKÓW KOMUTATOROWYCH MAŁEJ MOCY ZASILANYCH NAPIĘCIEM NIESINUSOIDALNYM POMIARY NAPIĘCIA, PRĄDU I MOCY CZYNNEJ Przedstwiono sposoy poprwnych pomirów prądów, npięć i mocy czynnych w owodch z silnikmi komuttorowymi szeregowymi i mgnetoelektrycznymi młej mocy w zleżności od sposou zsilni tych silników. Wskzni przyrządów nlogowych testowno pomirmi cyfrowymi z pomocą progrmu komputerowego L-VIEW. Stwierdzono silnie zmienijące się zleżności między wielkościmi skutecznymi, średnimi. W tkiej sytucji podwne przez producentów dne znmionowe silników są w wielu przypdkch nieprecyzyjne. Proponuje się wprowdzenie dokłdniejszych określeń dnych znmionowych wyżej wymienionych silników. 1.WSTĘP W dziedzinie kontroli prcy i zchowni się silników komuttorowych młych mocy w lortorium KME AGH zwrócono uwgę n sposoy zsilni tych silników. Celem tych prc ył ocen zchowni się silników w różnych wrunkch orz określenie możliwie njlepszego ich wykorzystni pod względem trwłości, sprwności itp. Zgdnieni te zostły omówione w kilku rtykułch opulikownych w ltch uiegłych [1], [3], [4]. W prcch tych nie zjmowno się oceną optymlizcji silników, technologią ich wykonni i oceną stosownych mteriłów (z wyjątkiem mteriłów szczotkowych [1]) przyjmując, że prolemy te są już oecnie cłkowicie ustlone przez producentów. Podczs pró wyżej podnych silników nleży zwrócić uwgę n sposó określni dnych znmionowych. Są one njczęściej podwne w sposó mło precyzyjny w hndlowych ktlogch silników. W szczególności możn spotkć różne określeni dl znmionowych wrtości mocy, prądów i sprwności silników. Informcje n temt pełnych dnych znmionowych silników są zwykle trudno dostępne. Oprócz mło dokłdnych dnych znmionowych silników pojwiją się jeszcze prolemy z włściwym doorem nlogowych (wskzówkowych) przyrządów pomirowych. Jest to szczególnie istotne przy stosowniu różnych sposoów zsilni silników. Oczywiście dw skrjne njprostsze przypdki, tj. zsilnie npięciem stłym i npięciem czysto sinusoidlnym, nie stnowią * Akdemi Górniczo-Hutnicz, Krków.

2 żdnych prolemów i nie m potrzey ich w ogóle omwić. Pewne niejsności mogą powstwć dopiero przy zsilniu silników przez różne ukłdy prostownikowe. Njprostszym i niejko podstwowym ukłdem ędzie tu niesterowny prostownik jednofzowy, pełnookresowy. Zsilnie z jego pomocą silników szeregowych uniwerslnych stnowi jedną z możliwości zsilni, ntomist dl silników mgnetoelektrycznych jest podstwowym sposoem zsilni npięciem stłym, przy jkim te silniki często prcują. W kżdym przypdku zsilnie prostownikowe powoduje pojwinie się w silnikch przeiegów prądów i npięć odiegjących od przeiegów w owodch rezystncyjnych. W szczególności współczynniki ksztłtu prądów i npięć, które w ukłdzie prostownik jednofzowego, dwudrogowego powinny wynosić 1, odiegją zncznie od tych wrtości. W tkiej sytucji możn stwierdzić, że powstje konieczność kontroli prwidłowości pomirów npięć, prądów i mocy czynnej przy różnych ukłdch zsiljących. Ay zpewnić cłkowitą niezleżność pomirów, jko kontrolny ukłd pomirowy przyjęto cyfrową rejestrcję i orókę sygnłów pomirowych z pomocą progrmu pomirowego L-VIEW. Jest on przydtny dl prwidłowego określni m.in. npięć, prądów, szczególnie mocy czynnej ZASADA DZIAŁANIA PROGRAMU L-VIEW 2.1. POMIAR NAPIĘCIA I PRĄDU Przyjęto, że do kontroli nlogowych pomirów npięci i prądu ędzie potrzene wyznczenie wrtości skutecznych orz średnich wyprostownych dwupołówkowo, pełnookresowo npięci i prądu w owodzie. Pomir tych wrtości poległ n rejestrcji sygnłów npięciowych odpowidjących wrtościom mierzonym prądu i npięci. Nstępnym krokiem yło przetworzenie zrejestrownych sygnłów n wrtości skuteczne orz średnie wyprostowne przeiegów. Wrtość średnią oliczno według wzoru [5]: F sk = + T 1 2 T f ( t) dt gdzie: F sk wrtość skuteczn przeiegu, T okres przeiegu mierzonego, t 0 czs początkowy przeiegu, f wrtość poszczególnych próek. Zrówno dl npięci jk i prądu mierzonego. Podonie oliczono wrtości średnie wyprostowne npięci i prądu według wzoru [5]: (1) F śrp 1 = T + T f ( t) dt (2)

3 254 Rejestrcj przeiegów zostł wykonn z pomocą urządzeni rejestrującego DAQ- Pd 1200 [6] orz progrmu nrzędziowego L-VIEW, ędących w posidniu Ktedry Mszyn Elektrycznych [7] WSTĘPNIE USTALONE WARTOŚCI POMIARÓW W celu uzyskni odpowiedniej dokłdności wrtości mierzonych przyjęto nstępujące złożeni procesu pomirowego: złożono wykonnie rejestrcji sygnłów npięci i prądu w czsie 200 ms, czyli przez 10 okresów dl npięci sinusoidlnego o częstotliwości 50 Hz, liczę próek n knł ustlono n 1001, przyjęto czs prókowni jednego knłu: 200 ms, co dje 100 próek n okres 20 ms (50 Hz), ustlono liczę używnych knłów: 2 (pomir prądu i npięci). Rys. 1. Pnel pomirowy progrmu L-VIEW Fig. 1. Front pnel of L-VIEW Rys. 2. Digrm połączeń w L-VIEW Fig. 2. Digrm pnel of L-VIEW 2.3. WYZNACZANIE WARTOŚCI MOCY CZYNNEJ. Pomir wrtości średniej funkcji mocy chwilowej zostł zrelizowny z pomocą funkcji dostępnych w progrmie L-View. Wrtość mocy czynnej zostł oliczon według wzoru [2], [3]: 1 P = T + T p( t) dt (3) gdzie: P moc czynn, T okres przeiegu mierzonego, t 0 czs początkowy przeiegu, p(t) iloczyn chwilowej wrtości prądu i npięci (i u).

4 Przed przystąpieniem do pomirów przecechowno tor pomirowy z pomocą wzorcowych przyrządów pomirowych, zsiljąc ukłd wzorcowym npięciem sinusoidlnym (uzysknym z genertor i wzmocnionym wzmcniczem mocy) orz npięciem stłym (z mszyny komuttorowej prądu stłego) ZESTAWIENIE WYNIKÓW WAŻNIEJSZYCH POMIARÓW Pomiry kontrolne prowdzono głównie n dwóch silnikch o tkich smych w przyliżeniu grytch: średnic ok. 70 mm, długość ok. 100 mm. Jeden silnik ył szeregowy uniwerslny, drugi mgnetoelektryczny. Dokłdne dne znmionowe silników nie yły znne jedynie npięcie zsilni 220 V i prędkość ok or/min. Ziorcze zestwieni otrzymnych wyników liczowych podne są w telch 1 i 2. Pondto niektóre pomiry ilustrowne są jkościowymi wykresmi prądów i npięć, podnymi n rysunkch od 3 do 12 ez liższych dnych liczowych. U sk /U śr = = k u Tel 1. Pomiry silnik szeregowego uniwerslnego I sk /I śr = = k i P[W] U sk I sk P: (U sk I sk ) U śr I śr P: (U śr I śr ) Stn prcy silnik Prędkość Zsilni e ,5 43,6 1,02 44,6 1 Bieg jłowy / ,1 1 43,1 1 or/min ,4 1,02 86,9 1 Ociążenie / ,5 85,6 1 85,6 1 or/min 1, ,9 1,03 43,4 1,04 Bieg jłowy /3 1,02 1, ,04 or/min 1, ,9 1 84,9 1,014 Ociążenie /3 1,02 1, ,1 0,99 84,4 1,02 or/min 1,11 1, ,5 0,99 41,4 1,21 Bieg jłowy /2 1,12 1, ,98 40,6 1,21 or/min 1,11 1, ,96 82,7 1,16 Ociążenie /2 1,12 1, ,5 0,96 81,6 1,16 or/min 1,11 1, ,3 0,99 18,2 1,15 Bieg jłowy /2 1,12 1,06 20,5 21,5 0,95 18,2 1,13 or/min 1,12 1, ,5 0,96 18,2 1,15 Ociążenie /2 1,13 1,05 34,2 36,2 0,95 18,2 1,13 or/min 1,55 1,31 62,5 72,5 0,86 35,7 1,75 Bieg jłowy imp. 1,51 1,33 61,5 71 0,87 35,3 1,74 or/min 1,55 1, ,4 0,84 43,7 1,65 Ociążenie

5 ,51 1,29 71,5 85,1 0,84 43,7 1, or/min imp. W telch 1 i 2 wiersze oznczone podją wyniki pomirów przyrządmi nlogowymi (wskzówkowymi), wiersze oznczone wyniki pomirów cyfrowych według progrmu L-VIEW. Dl zmniejszeni ojętości tel pominięto wyniki pomirów prądów i npięć w jednostkch ezwzględnych. Jedynie w kolumnie 3 podne są moce ezpośrednio w wtch. Jko przyrząd wskzówkowy w tej kolumnie ył używny wtomierz elektrodynmiczny klsy 0, U sk /U śr = = k u Tel 2. Pomiry silnik mgnetoelektrycznego I sk /I śr = = k i P[W] U sk I sk P : (U sk I sk ) U śr I śr P: (U śr I śr ) Stn prcy silnik Prędkość Zsilni e ,99 1,04 24,5 25,5 0, ,98 Bieg jłowy /6 1 1, , or/min 0, , ,99 Ociążenie / or/min 1 1, ,9 0,818 29,6 1,05 Bieg jłowy /3 1,01 1, ,5 0,822 28,3 1,06 or/min 1,01 1,08 96,5 100,4 0,962 92,1 1,05 Ociążenie /3 1,01 1, ,3 0,947 90,4 1,05 or/min 1 1,49 31,5 41,6 0, ,13 Bieg jłowy /2 1,01 1, ,707 28,3 1,03 or/min 1,03 1, ,896 84,7 1,2 Ociążenie //2 1,04 1, , ,15 or/min 1,01 1,4 13,5 16,4 0,823 11,6 1,17 Bieg jłowy /2 1,02 1,38 12,5 16,8 0, ,04 or/min 1,04 1,27 31,5 33,6 0,937 25,4 1,24 Ociążenie /2 1,94 1,28 29,5 34,2 0,862 25,8 1,15 or/min 1,05 2,02 45,5 78,2 0, ,23 Bieg jłowy 5150 Imp. 1,06 1, ,8 0,6 36,6 1,26 or/min 1,1 1,92 60,5 94,4 0,64 44,5 1,36 Ociążenie 4000 Imp. 1,12 1,9 60,5 93,2 0,649 44,1 1,37 or/min

6 257 prąd npi cie Rys. 3. Rejestrcj przeiegów wg wiersz 4 teli 1 Fig. 3. Dt cquisition for row 4 of tle 1 Rys. 4. Rejestrcj przeiegów wg wiersz 6 teli 1 Fig. 4. Dt cquisition for row 6 of tle 1 prąd npięcie Rys. 5. Rejestrcj przeiegów wg wiersz 7 teli 1 Fig. 5. Dt cquisition for row 7 of tle 1 Rys. 6. Rejestrcj przeiegów wg wiersz 10 teli 1 Fig. 6. Dt cquisition for row 10 of tle 1 npi cie Rys. 7. Przeiegi wg wiersz 2 teli 2 Fig. 7. Dt cquisition for row 2 of tle Rys.8. Przeiegi wg wiersz 3 teli 2 Fig. 8. Dt cquisition for row 3 of tle Rys. 9. Przeiegi wg wiersz 4 teli 2 Fig. 9. Dt cquisition for row 4 of tle Rys. 10. Przeiegi wg wiersz 5 teli 2 Fig. 10. Dt cquisition for row 5 of tle 2

7 Rys. 11. Przeiegi wg wiersz 6 teli 2 Rys. 12. Przeiegi wg wiersz 10 teli 2 Fig. 11. Dt cquisition for row 6 of tle 2 Fig. 12. Dt cquisition for row 10 of tle 2 W kolumnie 1 i 2 zestwiono współczynniki ksztłtu npięć i prądów. Kolumny 4 7 umieszczono w celu możliwości oceny ociążeni silnik poprzez pomiry prądów i npięć. W kolumnie 9 umieszczono skrócone symole oznczjące sposó zsilni silników: 3/6 prostownik trójfzowy, pełnookresowy; 3/3 prostownik trójfzowy, półokresowy; 1/2 prostownik jednofzowy, pełnookresowy; imp. przetwornik impulsowy typu chopper. Ten osttni typ zsilni podny jest jedynie jko wyrywkowy przykłd przeksztłtnik sttycznego. (Jk widomo, przeksztłtników półprzewodnikowych jest wiele różnych typów i nie m potrzey omwini ich w tym miejscu). Przeiegi pokzne n rysunkch 3 12 nie są cechowne w wrtościch ezwzględnych, gdyż mją pokzywć ksztłty krzywych w sposó jkościowy. 4. SPOSTRZEŻENIA I WNIOSKI WYNIKAJĄCE Z PRZEPROWADZONYCH POMIARÓW 4.1. POMIARY SILNIKA SZEREGOWEGO N podstwie zestwionych dnych liczowych i pomocniczych przeiegów grficznych możn stwierdzić, że zsilnie z prostownik 3/6 możn trktowć pod względem pomirowym jk zsilnie npięciem stłym. Minimlne skłdowe przemienne pojwijące się w prądch i npięcich nie mją wielkiego znczeni. Możn przyjąć, że drone różnice między pomirmi cyfrowymi i nlogowymi powstją n skutek niedokłdności odczytu przyrządów pomirowych. Zsilnie z prostownik 3/3 również nie powoduje istotnych łędów wskzń przyrządów nlogowych. Odchyłki wskzń tych przyrządów kontrolowne pomirmi cyfrowymi nie przekrczją (2 3)%. Z rysunku 3 wynik jednk dodtkowo, że szczególnie przeiegi prądu zwierją poz podstwową hrmoniczną 150 Hz, również hrmoniczne wyższe rzędów 3, 5... Zsilnie z prostownik 1/2 wymg większej uwgi przy pomirch. Wtomierz elektrodynmiczny podje moc poierną z wystrczjącą do celów technicznych dokłdnością. Odchyłki wskzń w stosunku do wrtości cyfrowych nie są większe od 2%. Wzjemne relcje między wrtościmi skutecznymi i średnimi prądów i npięć ulegją jednk znieksztłceniom i to zmienijącym się w mirę zmin prędkości i ociążeni silnik. Możn więc stwierdzić, że z pomirów wrtości skutecznych nie możn określć

8 wrtości średnich (i n odwrót). Również pomiry npięć i prądów nie określją mocy czynnej poiernej przez silnik. Przy zsilniu z przetwornik impulsowego relcje między wielkościmi skutecznymi i średnimi cłkowicie rozchodzą się. Określenie mocy czynnej n podstwie pomirów prądów i npięć jest zupełnie niemożliwe. Jedynie wtomierz elektrodynmiczny zchowuje dosttecznie prwidłowe wskzni POMIARY SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO Wyniki liczowe zestwione w teli 2 orz wykresy n rysunkch 7 12 pozwlją stwierdzić, że przeiegi prądów i npięć odiegją w tym przypdku zncznie od przeiegów teoretycznych szczególnie dl prostownik jednofzowego. Główną przyczyną tych znieksztłceń jest oczywiście wpływ siły elektromotorycznej indukownej w wirniku od strumieni stłych mgnesów i nkłdjącej się n przemienne w czsie przeiegi npięć zsiljących. W silniku szeregowym zjwisko to w tej formie nie występowło. Ogólnie możn stwierdzić, że jedynie przy zsilniu z prostownik 3/6 pomiry w większości odpowidją ndl pomirom ze źródł npięci stłego i wyniki są jednoznczne. Przy wszystkich innych rodzjch zsilni wzjemne relcje między wielkościmi skutecznymi średnimi wyrźnie ( w niektórych przypdkch rdzo zncznie) różnią się od zleżności teoretycznych. Pomiry zrówno wrtości skutecznych, jk i średnich prądów i npięć nie stnowią żdnej podstwy do określeni mocy czynnej poiernej przez silnik. Wskzni wtomierz elektrodynmicznego mogą yć uznwne z wystrczjąco dokłdne do celów technicznych. Możn jednk oserwowć szczególnie przy zsilniu z prostownik 1/2 wskzni zwyżone do kilku %. Wydje się, że liższe ustlenie przyczyn tego typu uchyów wymgłoy szerszych rozwżń teoretycznych. Przy zsilniu z przetwornik impulsowego wskzni wtomierz nie udzą zstrzeżeń; nleży jednk zuwżyć, że zstosowny przetwornik mił niską częstotliwość impulsowni ok. 150 Hz. W ukłdch zsilni silników młej mocy ywją stosowne zncznie wyższe częstotliwości i istnieje prwdopodoieństwo, że przy wyższych częstotliwościch wskzni wtomierz mogą yć orczone łędmi. N podstwie przedstwionych grficznie przeiegów czsowych możn zoserwowć jeszcze inne zjwisko. Przy zsilniu z prostowników 3/3 i 1/2 w wielu przypdkch występuje przerywnie prądu płynącego przez silnik, czego w normlnej eksplotcji silników mgnetoelektrycznych młej mocy w ogóle nie ierze się pod uwgę. Tego typu przeiegi prądowe wpływją jednk niewątpliwie niekorzystnie n prcę silników mgnetoelektrycznych szczególnie n prcę zestyku ślizgowego szczotkikomuttor. Bliższe rozptrywnie tych zgdnień nie wchodzi jednk w zkres niniejszego rtykułu WNIOSKI OGÓLNE N podstwie wyżej przytoczonych wyników pomirów w owodch z silnikiem szeregowym mgnetoelektrycznym możn stwierdzić, że nlogowe pomiry npięć i prądów wrtości skutecznych, jk i średnich są nwet przy silnie odksztłconych przeiegch prwidłowe. Wzjemne relcje między wrtościmi skutecznymi i średnimi zmieniją się w szerokich grnicch w zleżności od ukłdu zsilni i ociążeni silnik

9 260 (wyjątek stnowi zsilnie z prostownik 3/6). W związku z tym powstje ogólniejsze zgdnienie jk minowicie wielkość prądu jest mirodjn dl ociążeni silnik? Niewątpliwie wielkość skuteczn odpowid z strty cieplne w uzwojenich z drugiej jednk strony wrtość średni prądu odpowid z moment wytwrzny przez silnik. Jest to njwyrźniej widoczne w silniku mgnetoelektrycznym, gdzie strumień od mgnesów trwłych możn przyjmowć z stły, poprzeczne oddziływnie twornik jest do pominięci. W tkiej sytucji w dnych ktlogowych silników powinny yć podwne znmionowe wrtości prądów i npięć dl konkretnych sposoów zsilni z zznczeniem, jk wielkość powinn yć mierzon. Aktulnie rk jest tkich informcji.

10 261 LITERATURA [1] MATRAS A., TERTIL Z., The effect of current source wfe form on the wer of rushes of the commuttor mchine, 4-th Interntionl Conference E.P.Q. nd Ut. Crcow [2] SZUBERT K., Pomir mocy przy przeiegch odksztłconych. Jkość i Użytkownie En. El., Tom II, Zeszyt 2, [3] TERTIL Z., DYBOWSKI P., Trsient stte opertion of smll-power commuttor motors posiilities of using tch generttors. 5-th Interntinl Conference E.P.Q. nd Ut. Crcow [4] TERTIL Z.: Silniki komuttorowe, jednofzowe młej mocy optymlne wrunki zsilni. Jkość i Użytkownie En.El., Tom IV, Zeszyt 2, [5] ZATORSKI A., ROZKRUT A., Miernictwo elektryczne Krków, Wydwnictwo AGH, [6] DAQPd-1200 User Mnul, Ntionl Instrument Corportion, [7] L-VIEW User Mnul, Ntionl Instrument Corportion, SMALL POWER COMMUTATOR MOTORS SUPPLIED FROM NON-SINUSOIDAL POWER SUPPLY MEASUREMENTS OF VOLTAGE, CURRENT AND ACTIV POWER Correct mesurements of voltge, current nd ctive power in electricl circuits with smll power seril nd mgnetoelectric commuttor motors re presented in this pper. Those circuits were supplied from non-sinusoidl power supply. Anlogue mesurements were tested y digitl dt cquisition supported y specil softwre L-VIEW. We otined different rms vlues nd men vlues for nlogue nd digitl mesurements. In this time nominl prmeters of motors presented in ctlogues re not precision. We propose to get more precision mesurements (depend on power supply) to define nominl dt of smll power commuttor motors.