Politechnika Warszawska Instytut Maszyn Elektrycznych Laboratorium Maszyn Elektrycznych Malej Mocy BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄD STAŁEGO Warszawa 2003
1. WSTĘP. Silnik wykonawczy prądu stałego o wzbudzeniu elektromagnetycznym swoją budową, sposobem zasilania, regulacji i właściwościami nie różni się zasadniczo od zwykłego silnika obcowzbudnego prądu stałego. W stojanie ma wydatne bieguny, na których są umieszczone cewki uzwojenia wzbudzenia, a w żłobkowanym wirniku umieszczone są zezwoje twornika połączone ze sobą i z komutatorem. Połączenie elektryczne z uzwojeniem twornika zapewniają szczotki przylegające do komutatora. Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości ruchowych i regulacyjnych takiego silnika. 2. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO. Obiektem badanym jest mały, obcowzbudny silnik prądu stałego, którego napięcie znamionowe obwodu twornika i obwodu wzbudzenia wynosi: tn = wn = n = 55V Na wałku silnika osadzona jest tarcza aluminiowa, która podczas pracy silnika wiruje w szczelinie dwóch elektromagnesów wytwarzających stałe pole magnetyczne, zasilanych z prostownika regulowanego. W wirującej tarczy indukują się prądy wirowe, które we współdziałaniu ze strumieniem elektromagnesów wytwarzają moment usiłujący pociągnąć elektromagnesy w kierunku wirowania tarczy (elektromagnesy umocowane są na ramieniu ułożyskowanym w osi obrotu tarczy osadzonej na wałku silnika). Sprzeciwia się temu ciężarek Q zamocowany na ramieniu o długości l związanym sztywno z układem wychyłowym elektromagnesów. W stanie ustalonym następuje równowaga momentu wytwarzanego w tarczy (i równego momentowi obrotowemu silnika) i momentu zwrotnego wytwarzanego przez ciężarek Q. Zgodnie z rysunkiem 1 moment ten jest funkcją kąta wychylenia δ i wynosi: M = Q r = Q l sinδ Kąt δ mierzy się na skali kątowej związanej sztywno z układem wychyłowym. Rys. 1. Ilustracja sposobu pomiaru momentu hamownicą wiroprądową. 3. POMIARY WSTĘPNE. Pomiary wstępne mają na celu ustalenie wielkości odniesienia, które umożliwiają określenie momentu obrotowego i prędkości obrotowej w jednostkach względnych. Schemat układu pomiarowego stosowanego w ćwiczeniu przedstawia rys. 2. 2
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego badania silnika wykonawczego prądu stałego. 3.1. Wyznaczenie maksymalnego momentu rozruchowego. Momentem rozruchowym silnika elektrycznego nazywa się moment na jego wale przy zasilaniu elektrycznym uzwojeń i zahamowanym wirniku. W silniku wykonawczym prądu stałego moment rozruchowy osiąga wartość maksymalną przy zasilaniu napięciem znamionowym zarówno obwodu twornika jak i obwodu wzbudzenia. Pomiar przeprowadza się mierząc dynamometrem siłę na ramieniu dźwigni zamocowanej na wałku silnika. W stanowisku laboratoryjnym rolę dźwigni pełni tarcza aluminiowa z otworami na obwodzie, osadzona nieruchomo na wałku silnika. W jeden z takich otworów wstawia się kołek połączony nicią z dynamometrem. Wartość momentu oblicza się wg wzoru: M max = F r [G cm] = 9,81 F r 10-2 [mn m] gdzie: F - siła wskazana przez dynamometr [G]; r - promień okręgu, na którym rozmieszczone są otwory tarczy (r = 5,5 cm). Moment maksymalny przyjmuje się jako wielkość odniesienia przy określaniu momentu silnika w jednostkach względnych. Oczywiście m max = 1. 3.2. Wyznaczanie prędkości obrotowej odniesienia. Dla celów ćwiczenia jako prędkość obrotową odniesienia należy przyjąć prędkość obrotową n 0 badanego silnika biegnącego bez obciążenia przy zasilaniu napięciem znamionowym zarówno obwodu wzbudzenia jak i obwodu twornika. Sposób pomiaru wynika z definicji. Oznacza to, że w pierwszej kolejności należy doprowadzić napięcie do obwodu wzbudzenia, a następnie do obwodu twornika. Obwód wzbudzenia hamownicy powinien być otwarty. Po ustaleniu się prędkości obrotowej należy zmierzyć ją obrotomierzem, który jest na wyposażeniu stanowiska. 4. CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE SILNIKA. 4.1. wagi ogólne. Punkt pracy obcowzbudnego silnika wykonawczego prądu stałego wyznaczają jednoznacznie 3 wielkości narzucone silnikowi z zewnątrz: napięcie wzbudzenia w ; 3
napięcie twornika t ; moment obciążający (hamujący) na wale M. Odpowiedzią silnika na powyższe wymuszenia jest prędkość obrotowa jego wirnika. Dla przedstawienia właściwości ruchowych silnika w układzie współrzędnych prostokątnych na płaszczyźnie dwie z tych wielkości należy przyjąć jako stałe parametry, a wtedy dwie pozostałe związane będą jednoznaczną zależnością jako odpowiednie charakterystyki. I tak: - jeśli założyć stałość zasilania elektrycznego (tzn. stałą wartość napięcia twornika i napięcia wzbudzenia, to prędkość obrotowa zależeć będzie tylko od momentu hamującego na wale. Zależność moment obrotowy-prędkość obrotowa w tak ustalonych warunkach nazywa się charakterystyką mechaniczną i może być przedstawiona graficznie jako funkcja M = f (n) w jednostkach fizycznych, lub jako funkcja m = f (ν) w jednostkach względnych; gdzie: M m = i M max - jeśli założyć stałą wartość napięcia wzbudzenia, a hamownica wymuszać stałą wartość momentu hamującego przy różnych napięciach twornika, to otrzyma się zależność prędkości obrotowej od napięcia twornika nazywaną charakterystyką regulacyjną prędkości obrotowej przy sterowaniu od strony twornika. Zmieniając role napięć zasilania, tzn. ustalając napięcie twornika, a regulując napięcie wzbudzenia otrzyma się analogiczną charakterystykę regulacyjną prędkości obrotowej przy sterowaniu od strony wzbudzenia. Powyższe charakterystyki mogą być przedstawione w jednostkach względnych jako funkcja ν = f(α); gdzie t współczynnik sygnału: α = lub n α = - jeśli założyć stałą wartość napięcia wzbudzenia, a hamownica wymuszać stałą wartość prędkości obrotowej przy różnych napięciach twornika, to otrzyma się zależność momentu hamującego od napięcia twornika, czyli tzw. charakterystykę regulacyjną momentu obrotowego przy sterowaniu od strony twornika. l analogicznie jak wyżej, ustalając napięcie twornika, a zmieniając napięcie wzbudzenia otrzyma się charakterystykę regulacyjną momentu obrotowego przy sterowaniu od strony wzbudzenia. Charakterystyki te mogą być przedstawione w jednostkach względnych jako funkcja m = f(α). W czasie ćwiczenia należy wykonać pomiary pozwalające na sporządzenie wymienionych charakterystyk. Pomiary przeprowadza się w układzie przedstawionym na rys.2. 4.2. Charakterystyki mechaniczne. Zgodnie z p. 4.1 charakterystyka mechaniczna jest to zależność momentu obrotowego od prędkości obrotowej przy stałości napięć zasilających uzwojenia silnika. Tok postępowania jest następujący: uruchomić silnik przez doprowadzenie napięć znamionowych najpierw do uzwojenia wzbudzenia, a potem do uzwojenia twornika (α = 1,0); regulując prąd wzbudzenia hamownicy ustalać kolejne punkty pomiarowe scharakteryzowane momentem hamującym i prędkością obrotową; należy także mierzyć prąd twornika i prąd wzbudzenia. Przed każdym pomiarem należy skontrolować i ewentualnie doregulować napięcia zasilające. Moment hamujący oblicza się wg zależności: M = Q l sinδ w n ν = n n 0 4
gdzie: δ kąt wychylenia układu ruchomego hamownicy odczytywany na skali kątomierza; Q - masa ciężarka na ramieniu hamownicy; l - długość ramienia, na którym umieszczony jest ciężarek o masie Q. W stosowanej w ćwiczeniu hamownicy iloczyn Q l = 817 G cm = 80,2 mn m. Pomiary powtórzyć zgodnie z przestawionym tokiem także dla innych wartości napięcia twornika (np. dla współczynnika sygnału α = 0,75; 0,5 i 0,25). Dla każdego punktu pomiarowego obliczyć sprawność silnika P 0,105 M n [W] moc oddana na wale (M [N m]; n [obr/min]); P 1 = t I t + w I w η = P P 1, gdzie: W oparciu o wyniki pomiarów i obliczeń wykreślić rodziny charakterystyk momentu obrotowego, prądu twornika, mocy oddanej i sprawności w funkcji prędkości obrotowej przy różnych wartościach współczynnika sygnału (napięcia twornika). 4.3. Charakterystyki regulacyjne przy sterowaniu od strony twornika. 4.3.1. Charakterystyki regulacyjne prędkości obrotowej. Zgodnie z p.4.1 charakterystyka regulacyjna prędkości obrotowej jest to zależność prędkości obrotowej od napięcia twornika przy stałej wartości momentu hamującego i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia. Tok postępowania jest następujący: doprowadzić do obwodu wzbudzenia napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe przez cały czas pomiarów; doprowadzić do obwodu twornika napięcie t 1,2 n ; zwiększając prąd wzbudzenia hamownicy obciążyć silnik momentem wynoszącym ok. 0,65 wartości momentu maksymalnego wyznaczonego w p. 3.1. Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki należy zapisać w tabeli pomiarowej wartość napięcia twornika i prędkości obrotowej. Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia twornika i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby moment hamujący osiągnął założoną wartość 0,65 M max. Opisane postępowanie powtórzyć dla innych założonych wartości momentu hamującego, np. 0,5 M max ; 0,25 M max i M=0. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk prędkości obrotowej badanego silnika w funkcji napięcia twornika przy stałych wartościach momentu hamującego i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia. 4.3.2. Charakterystyki regulacyjne momentu obrotowego. Zgodnie z p. 4.1 charakterystyka regulacyjna momentu obrotowego jest to zależność momentu obrotowego od napięcia twornika przy stałej prędkości obrotowej i przy znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia. Tok postępowania: doprowadzić do obwodu wzbudzenia napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe przez cały czas pomiarów; doprowadzić do twornika napięcie t 1,2 n ; 5
zwiększając prąd wzbudzenia hamownicy obciążyć silnik tak, aby prędkość obrotowa osiągnęła wartość n = 1100 obr/min. Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki w tabeli pomiarowej należy zapisać wartość napięcia t i kąta wychylenia hamownicy δ pozwalającego obliczyć moment obrotowy. Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia twornika t i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby prędkość obrotowa osiągnęła ponownie założoną wartość n = 1100 obr/min. Opisane postępowanie powtórzyć dla innych złożonych wartości prędkości obrotowej, np. 900 i 700 obr/min. Na podstawie pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk momentu obrotowego badanego silnika w funkcji napięcia twornika przy stałych wartościach prędkości obrotowej i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia. 4.4. Charakterystyka regulacyjna przy sterowaniu od strony wzbudzenia. Charakterystyki regulacyjne przy sterowaniu od strony wzbudzenia zdejmuje się analogicznie jak przy sterowaniu od strony twornika, z tym, że następuje tu zmiana ról: napięcie twornika jest stałym parametrem, a wielkością sterującą pracą silnika jest napięcie wzbudzenia. 4.4.1. Charakterystyki regulacyjne prędkości obrotowej. Tok postępowania przy wykonywaniu pomiarów: do obwodu wzbudzenia doprowadzić napięcie znamionowe; do obwodu twornika doprowadzić napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe przy dalszych pomiarach; zwiększyć napięcie wzbudzenia do wartości w 1,2 n i obciążyć silnik (regulując prąd wzbudzenia hamownicy) tak, aby moment obrotowy wynosił 0,65 wartości momentu maksymalnego wyznaczonego w p.3.1. Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki - należy zapisać w tabeli pomiarowej wartość napięcia wzbudzenia i prędkości obrotowej. Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia wzbudzenia i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby moment hamujący osiągnął założoną wartość 0,65 M max. Opisane postępowanie powtórzyć dla innych założonych wartości momentu hamującego, np. 0,5 M max ; 0,25 M max i M=0. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk prędkości obrotowej badanego silnika w funkcji napięcia wzbudzenia przy stałych wartościach momentu hamującego i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu twornika. 4.4.2. Charakterystyki regulacyjne momentu obrotowego. Tok postępowania przy wykonywaniu pomiarów: doprowadzić do obwodu wzbudzenia napięcie znamionowe; doprowadzić do twornika napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe podczas dalszych pomiarów; zwiększyć napięcie wzbudzenia do wartości w 1,2 n i zwiększając prąd wzbudzenia hamownicy obciążyć silnik tak, aby prędkość obrotowa osiągnęła wartość n = 1100 obr/min. Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki w tabeli pomiarowej 6
należy zapisać wartość napięcia wzbudzenia w i kąta wychylenia hamownicy δ pozwalającego obliczyć moment obrotowy. Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia wzbudzenia i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby prędkość obrotowa osiągnęła ponownie założoną wartość n = 1100 obr/min. Opisane postępowanie powtórzyć dla innych założonych wartości prędkości obrotowej, np. 900 i 700 obr/min. Na podstawie pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk momentu obrotowego badanego silnika w funkcji napięcia wzbudzenia przy stałych wartościach prędkości obrotowej i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu twornika. 5. POMIAR NAPIĘCIA ROZRCH. Do uzwojenia wzbudzenia doprowadzić napięcie znamionowe, a obwód wzbudzenia hamownicy pozostawić otwarty. Następnie zwiększając powoli napięcie twornika od zera znaleźć taką jego wartość, przy której wirnik zacznie się obracać. Próbę powtórzyć kilkakrotnie dla prawego i lewego kierunku wirowania. Jako wynik badania przyjąć wartość średnią z pomiarów. 7