UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY W BYDGOSZCZY WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ INSTYTUT EKSPLOATACJI MASZYN I TRANSPORTU ZAKŁAD STEROWANIA ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA ĆWICZENIE: E20 BADANIE UKŁADU LEONARDA Piotr Kolber, Daiel Perczyński Bydgoszcz 2011
1. Wprowadzeie Układ Leoarda jest ważym i często stosowaym układem apędowym. Układ te zajduje zastosowaie w apędach dużej mocy (p. maszyy wyciągowe w kopaliach, apęd główy okrętów, apęd walcarek i zgiataczy w hutictwie), jak i małej mocy (iektóre apędy mechaizmów obrabiarek, w przemyśle papiericzym, dźwigice, dźwigi osobowe o wysokim stadardzie jazdy). Układ Leoarda umożliwia uzyskaie płyego sterowaia prędkością obrotową w szerokim zakresie. Układ te posiada astępujące zalety: - szeroki zakres płyej regulacji prędkości obrotowej, - duża stateczość pracy układu, - układ może być awroty, - możliwe jest hamowaie elektrycze z odzyskiwaiem eergii. 2. Budowa Układ Leoarda, przedstawioy a rys.1, składa się ajczęściej z czterech maszy: dowolego silika apędowego, ajczęściej trójfazowego silika prądu przemieego (M 1 ), prądicy prądu stałego o wzbudzeiu obcym (G), obcowzbudego silika prądu stałego (M 2 ) oraz osadzoej a wspólym wale z maszyą M 1 wzbudicy W. Wzbudicę W moża pomiąć w przypadku, gdy istieje sieć apięcia stałego. Moc zamioowa maszy wchodzących w skład układu Leoarda, oprócz wzbudicy W, powia być rówa mocy zamioowej silika roboczego M 2.
Rys.1. Schemat układu Leoarda. 3. Zasada działaia Zasada działaia układu Leoarda polega a tym, że silik apędowy (M 1 ) apędza ze stałą prędkością obrotową (lub zmieiającą się w iewielkim zakresie) prądicę G oraz wzbudicę W. Dokoując regulacji prądu wzbudzeia prądicy sterującej za pomocą regulatora R rw1 możemy zmieiać w sposób ciągły wartość apięcia U a jej zaciskach, a zarazem apięcie przekazywae a zaciski silika roboczego M 2. Zmiaie apięcia U odpowiada zmiaa prędkości obrotowej silika roboczego w zakresie od =0 do =. Regulacja taka jest ekoomicza, albowiem polega wyłączie a regulacji prądu wzbudzeia prądicy sterującej. Regulację prędkości obrotowej silika roboczego w zakresie od do max, czyli większej iż ta, która występuje przy apięciu zamioowym i zamioowym wzbudzeiu silika, uzyskuje się poprzez zmiejszeie prądu wzbudzeia silika roboczego (regulator R rw2 ). 3
4. Charakterystyki mechaicze układu Leoarda. Z rówaia charakterystyki mechaiczej silika obcowzbudego U R t It (1) c E gdzie: R t rezystacja obwodu tworika [ ], I t prąd płyący w uzwojeiu tworika [A], c E stała kostrukcyja maszyy, - strumień uzwojeia wzbudzeia [Wb] wyika, że wartość prędkości obrotowej silika M 2 jest w przybliżeiu proporcjoala do apięcia a jego zaciskach. Wzrostowi apięcia tworika towarzyszy zwiększeie się prędkości obrotowej silika. Poieważ achyleie charakterystyki mechaiczej silika ie zależy od apięcia (1), lecz od strumieia wzbudzeia, charakterystyki mechaicze silika przy różych wartościach apięć doprowadzoych do obwodu tworika, będą względem siebie rówoległe rys.2. Rys.2. Charakterystyki mechaicze układu Leoarda Poieważ w strefie I regulacja prędkości obrotowej odbywa się przy stałym strumieiu wzbudzeia maszyy M 2 ( =cost) oraz stałej wartości prądu tworika I t =I : 4
gdzie: c M stała kostrukcyja maszyy, M c I (2) momet obrotowy jakim moża obciążyć silik ma wartość stałą i rówą mometowi zamioowemu maszyy. Moc oddawaa przez silik przedstawioa zależością (3) jest proporcjoala do prędkości obrotowej maszyy. P M 2 M M 60 (3) Regulacja prędkości obrotowej silika M 2 w strefie II odbywa się przy stałym apięciu zasilaia tworika (U=U ), stałej wartości prądu płyącego w obwodzie tworika I t =I oraz zmieej wartości strumieia wzbudzeia maszyy < =var. Wobec powyższego moc oddawaa przez silik: P U I P cost (4) jest stała. Natomiast wartość mometu obrotowego wyzaczoa z zależości (5) P M 9, 55 (5) maleje proporcjoalie do prędkości obrotowej wirika. Na rys.2. liią przerywaą zazaczoo graicze wartości mocy i mometu obrotowego dla obu stref regulacji. Natomiast zmiay wartości charakterystyki aturalej =f(m) (U=U, = =cost) przedstawioo liią pogrubioą. Leoarda są: Najważiejszymi ograiczeiami zakresu sterowaia prędkością obrotową w układzie a) graicza maksymala prędkość obrotowa silika jest ograiczoa warukami komutacji (zwiększoe iskrzeie pod szczotkami przy zaczej prędkości obrotowej), b) przy małych prędkościach obrotowych (w przypadku silików z chłodzeiem własym) pogarszają się waruki chłodzeia, co zmusza do ograiczeia mocy oddawaej a wale przez silik. 5. Rozruch, hamowaie i awrót układu Leoarda. Rozruch silika M 2 w układzie Leoarda przeprowadza się przez stopiowe zwiększaie prądu wzbudzeia prądicy G, przy (wcześiej astawioej) zamioowej wartości prądu wzbudzeia silika. Dokoując aalizy zależości (1) opisującej charakterystykę mechaiczą silika M 2 przy 0: 5
U Rt I t lim (6) 0 c E możemy stwierdzić, że pomiięcie wcześiejszego zasileia obwodu wzbudzeia maszyy może doprowadzić do jej rozbiegaia, czyli do osiągięcia przez jej wirik bardzo dużej wartości prędkości obrotowej. Taki sta pracy silika może doprowadzić do jego uszkodzeia. W celu zahamowaia silika w układzie Leoarda moża zastosować jedą z trzech metod hamowaia [1] tj.: hamowaie odzyskowe, hamowaie dyamicze, hamowaie przeciwprądem. Podstawowym rodzajem hamowaia w układzie Leoarda jest hamowaie odzyskowe. W przypadku pracy silika w strefie II ( < ) hamowaie realizowae jest przez zwiększaie wartości prądu wzbudzeia silika. Wzrostowi wartości strumieia magetyczego towarzyszy wzrost sem (rozdział 3) i staje się chwilowo większa od apięcia a zaciskach prądicy. Prąd w obwodzie główym zmieia więc kieruek a przeciwy, co wskazuje a to, że obydwie maszyy zmieiają się rolami. Silik staje się prądicą, a prądica silikiem, który apędza silik asychroiczy (M 1 ) i powoduje zwrot eergii do sieci prądu przemieego. Z chwilą uzyskaia przez silik wartości zamioowej strumieia magetyczego hamowaie w II strefie się kończy. W I strefie charakterystyki mechaiczej hamowaie realizuje się zmiejszając wartość prądu wzbudzeia prądicy G. Wskutek zmiejszeia wartości strumieia wzbudzeia prądicy maleje wytwarzaa przez tą maszyę sem. Następuje chwilowe odwróceie kieruku prądu w obwodzie główym i proces hamowaia odbywa się aalogiczie jak opisay wcześiej. Stopiowe zmiejszaie apięcia prowadzi do całkowitego zatrzymaia silika. Przebieg hamowaia w układzie Leoarda przedstawioo a rys.3. 6
Rys.3. Proces hamowaia w I i II strefie silika (M 2 ) układu Leoarda. Nawrót w układzie Leoarda realizuje się poprzez zmiaę bieguowości apięcia przyłożoego do uzwojeia wzbudzeia prądicy G. 6. Sposób przeprowadzeia badań Celem badań jest zapozaie się z budową, zasadą działaia oraz wyzaczeie podstawowych charakterystyk układu Leoarda. 6.1. Staowisko badawcze Układ Leoarda zastosoway w badaiach zbudoway jest z silika asychroiczego klatkowego typu SZJe44b-R apędzającego obcowzbudą prądicę typu PZOb54a, która zasila silik apędowy (Leoarda) typu PZOb44a. Obciążaie silika apędowego jest realizowae przez obcowzbudą prądicę prądu stałego typu PZOb44b zasilającą odbioriki rezystacyje. Zmiay obciążeia silika dokouje się poprzez włączaie i wyłączaie sekcji elemetów odbiorika zasilaych przez prądicę obciążającą. Uzwojeia wzbudzeia prądic oraz silika PZOb44a są zasilae z lokalej sieci prądu stałego. Regulacja prądów wzbudzeia wszystkich maszy prądu stałego odbywa się za pomocą regulatorów typu APX4. 7
6.2. Opis realizacji badań Przed przystąpieiem do badań ależy dokładie zapozać się z istrukcją. Istrukcja zawiera opis astępujących czyości: 1) oględziy i czyości wstępe, 2) pomiar rezystacji uzwojeń wzbudzeia, 3) wyzaczeie charakterystyk mechaiczych, 4) aalizę wyików i wioski. 6.2.1. Oględziy i czyości wstępe 1) Dokoać oględzi maszy użytych w badaiach. Podczas oględzi ależy sprawdzić sta staowiska badawczego, jego budowę, treść tabliczek zamioowych, schematowych i ozaczeiowych; jakość zacisków (także obecość zacisków ochroych), sta przewodów łączeiowych oraz ich rozmieszczeie. 2) Zaotować dae z tabliczek zamioowych wszystkich użytych w badaiach maszy. 6.2.2. Pomiar rezystacji uzwojeń wzbudzeia Pomiar wykouje się w staach zimych maszy. Metodykę wykoywaia pomiaru opisao w rozdziale 3 pukt 3.3. 6.2.3. Wyzaczeie charakterystyk mechaiczych W celu wyzaczeia charakterystyk mechaiczych ależy połączyć układ pomiarowy przedstawioy a rys.4. Rys.4. Układ pomiarowy do wyzaczaia charakterystyk mechaiczych 8
Koleje czyości wykoać jak poiżej: a. za pomocą regulatora APX4-2 dokoać ustawieia zamioowej wartości prądu I w2 płyącego w uzwojeiu wzbudzeia silika M 2, b. przy użyciu przełączika gwiazda/trójkąt uruchomić silik apędzający M 1, a astępie poprzez regulację prądu wzbudzeia I w1 prądicy G 1 ustalić a uzwojeiu tworika silika M 2 apięcie zamioowe, c. podczas badań ależy wyzaczyć: - charakterystykę aturalą przy U 2 =U i I w2 =I w, = - charakterystykę sztuczą dla U 2 0,8U i I w2 =I w, - charakterystykę sztuczą przy U 2 =U i I w2 =0,8I w, d. obciążeie silika M 2 zmieiać poprzez włączaie i wyłączaie sekcji obciążeiowych zasilaych przez prądicę obciążającą G 2 (uprzedio ależy poprzez zmiaę prądu wzbudzeia I w3 ustalić apięcie zamioowe a zaciskach prądicy), Wyiki pomiarów i obliczeń otować w tablicy 1. Tablica 1. Wyiki pomiarów i obliczeń badaych charakterystyk L.p Pomiary Obliczeia I w1 P U 2 I 2 I w2 U 3 I 3 P s P p M s u P w 1 2 3 [A] [W] [A] [A] [A] [V] [A] [obr./mi] [W] [W] [Nm] [-] [-] [W] Do obliczeń wykorzystać astępujące wzory: P s =U 2 I 2 +I 2 w2r w2 - moc pobraa przez silik M 2 (7) P p =U 3 I 3 - moc oddaa przez prądicę G 2 (8) Pp s - sprawość silika Leoarda (9) P s P w =P s s - moc a wale silika M 2 (10) P u - sprawość układu Leoarda (11) P I w 2 2 w1rw1 I w2 Rw2 Pw M 9,55 - momet a wale silika M 2 (12) 9
e. a podstawie pomiarów i obliczeń wykreślić: - charakterystyki mechaicze =f (M) : aturalą i sztucze - charakterystyki sprawości s, u = f(m) dla U 2 =U i I w2 = I w2 Sprawozdaie powio zawierać: dae zamioowe prądicy, schematy obwodów pomiarowych, tablice pomiarowe z wyikami obliczeń, wzory z przykładami obliczeń, wykresy charakterystyk, teoretycze uzasadieie ich kształtów oraz wioski. Literatura 1. Z. Gogolewski: Napęd elektryczy. Wydawictwa Naukowo Techicze Warszawa 1961. 2. P. Hempowicz i ii: Elektroika i elektrotechika dla ieelektryków, Wydawictwa Naukowo Techicze, Warszawa 1999. 3. A.M. Plamitzer: Maszyy elektrycze, Wydawictwa Naukowo Techicze, Warszawa 1976. 4. F. Przeździecki Elektrotechika i Elektroika, PWN Warszawa 1986. 10