Temat ćwiczenia: WŁASNOŚCI OBCIĄŻONEGO SILNIKA ELEKTRYCZNEGO 1. Wprowadzenie Celem ćwiczenia jest badanie wpływu momentu obrotowego na pracę silnika elektrycznego DC. W ćwiczeniu używane są silniki prądu stałego typu komutatorowego. Jest to konstrukcja silnika znana od ponad stu lat i pomimo swoich wad, jest powszechnie stosowana w różnych urządzeniach głównie ze względu na łatwość regulacji obrotów i momentu obrotowego. Silnik tego typu składa się z czterech podstawowych części: komutatora jest to szereg płytek miedzianych, umieszczonych na bocznej powierzchni walca, po których ślizgają się węglowe szczotki, podłączone do napięcia. Jego zadaniem jest zmiana kierunku przepływu prądu w uzwojeniach tak, aby oddziaływanie ze stałym polem magnetycznym stojana spowodowało obracanie się wirnika, uzwojeń rotora umieszczonych w szczelinach żelaznego rdzenia, podłączonych do komutatora, trwałych magnesów stojana wytwarzających stałe pole magnetyczne, szczotek węglowych, które przenoszą napięcie do komutatora. Rys.1. Budowa silnika komutatorowego z magnesem trwałym [2] Do cech silników komutatorowych, niezależnie od rodzaju, należą między innymi: duży moment obrotowy i rozruchowy, dobry stosunek mocy do masy i rozmiarów silnika, stosunkowo hałaśliwa praca i iskrzenie komutatora, prosty sposób regulacji obrotów i momentu obrotowego, możliwość uzyskania wysokich obrotów rzędu 30000 obr./min i więcej, stosunkowo niska trwałość z uwagi na zużywające się szczotki i komutator. Obroty silnika komutatorowego zależą w sposób liniowy od napięcia zasilania, a moment obrotowy od natężenia prądu. Silnik ten odznacza się tak zwaną miękką charakterystyką obciążania, którą cechuje obniżanie obrotów, wzrostu momentu obrotowego oraz poboru prądu pod wpływem wzrastającego obciążenia. Silniki zbudowane w oparciu o magnesy trwałe cechuje fakt, że prąd wirnika zmienia się liniowo w funkcji obciążenia. Silniki te pozwalają także na bardzo szeroki zakres regulacji napięcia zasilania przy zachowaniu stosunkowo dużego momentu obrotowego. Dzięki zastosowanym magnesom trwałym, po EWA-1 1
odłączeniu zasilania i obciążeniu zacisków silnika, pojawia się magnetyczny moment hamujący. Fakt ten pozwala na wykorzystanie silnika jako prądnicy elektrycznej, a w pewnych przypadkach, przy umiejętnym sterowaniu, pozwala na odzyskiwanie energii hamowania. Głównymi elementami składającymi się na układ laboratoryjny są dwa silniki prądu stałego, czujnik momentu obrotowego wraz z dedykowanym wyświetlaczem oraz układ obciążenia elektrycznego prądnicy. Pierwszy z silników działa jako napęd układu (silnikowy tryb pracy), a drugi w roli prądnicy (praca prądnicowa silnika) i połączony jest z silnikiem napędowym za pomocą czujnika momentu obrotowego oraz sprzęgieł mechanicznych. W zależności od stopnia obciążenia elektrycznego prądnicy, zmianie podlega moment obrotowy, powstający na osi łączącej prądnicę z silnikiem. Prądnica działa zatem jako hamulec dla silnika. Bieżący wynik pomiaru tego momentu eksponowany jest za pomocą urządzenia wyświetlającego MD-100M. Schemat blokowy stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 2 [1]. W ćwiczeniu prądnica obciążana jest wprost rezystancją. Display silnik czujnik momentu obrotowego prądnica zasilacz regulowany oscyloskop woltomierz obciążenie (oporniki) komputer Rys.2. Schemat blokowy zestawu do badania momentu obrotowego silnika elektrycznego[1] Pomiar wartości momentu obrotowego dokonuje się za pomocą bezstykowego czujnika DFM 2x2,5. Jego działanie opiera się na wykorzystaniu magnetoindukcyjnej metody pomiarowej tj. zjawiska magnetostrykcji. Mechaniczne obciążenie (torsja) czujnika wywołuje zmianę wprowadzonego do materiału czujnika kodowania na poziomie mikroskopowym (cz. pierwotny). Zmiana kodowania magnetycznego podlega detekcji bezstykowo przez czujnik pola magnetycznego i przetworzona zostaje na sygnał użyteczny czujnika (cz. wtórny). Elementy składowe czujnika to: czujnik pierwotny - oś stalowa kodowana magnetycznie, czujnik wtórny - czujnik pola magnetycznego z elektroniką przetwornika [5]. EWA-1 2
2. Zestaw aparatury zasilacz regulowany dwa silniki prądu stałego (GR 42x40) sprzężone czujnikiem momentu obrotowego (DFM 2x2,5) tworzących układ silnik prądnica, wyświetlacz czujnika momentu obrotowego (MD-100M), układ obciążenia zestaw rezystorów, komputer z oscyloskopem multimetr. 3. Zadania 3.1 Podłączyć układ badawczy według schematu (rys. 2). Ustawić napięcie zasilające 4V (zasilacz regulowany). Włączyć wyświetlacz, dokonać kalibracji i wyzerowania wskaźnika momentu obrotowego zgodnie z instrukcją obsługi wskaźnika MD100M. W trakcie kalibracji czujnika należy wpisać jego stałą kalibracyjną parametry czujnika zamieszczone są poniżej - p. 3.4. Zadeklarować czułość czujnika 1 Ncm (w parametrze: jednostki ustawiamy 1 skrócona instrukcja). 3.2 Do zacisków prądnicy podłączyć oscyloskop i woltomierz (zakres ponad 25V). Dokonać pomiarów napięcia na prądnicy, momentu obrotowego, prądu zasilania i prędkości obrotów silnika w następujących wariantach: 1) - silnik nieobciążony (prądnica - rozwarte zaciski)- napięcie zasilania: 4, 6, 8, 10, 15, 20, 24V. Prędkość obrotową silnika wyznacza się na podstawie tętnień obserwowanych na oscyloskopie na jeden obrót przypada osiem okresów tętnień. Czujnik momentu obrotowego po każdym pomiarze ulega rozkalibrowaniu, z tego względu należy za każdym razem uwzględniać początkową wartość wskazywaną przy odłączonym zasilaniu silnika. Należy też, co jakiś czas, powtarzać proces zerowania wskaźnika. 2) - analogicznie jak poprzednio p.1) dokonać pomiarów dla obciążenia prądnicy opornikiem: 1.95, 3.9, 6.8, 13.6, 21.4 i 24,7 (razem 42 pomiary). Zarejestrować w komputerze (przykładowo wybrany) obraz tętnień widocznych na oscyloskopie wraz z poprawnie ustawionymi markerami. Wyniki pomiaru powinny być zapisane tabeli. Poniżej pokazany jest przykład takiej tabeli EWA-1 3
Tabela nr 1 Wyniki pomiaru obrotów i momentu obrotowego silnika w funkcji obciążenia i napięcia zasilania Uzasilania[V] Izasilania (A) Uprądnica[V] Robc [ ] Prędkość obrotowa silnika [n/s] Moment obrotowy [Ncm] 3.3 Zewrzeć na chwilę zaciski prądnicy i dokonać pomiaru prądu zasilania i momentu obrotowego w funkcji napięcia zasilania dla Uz równego 4V i 10V. Dla zwartych zacisków prądnicy nie mierzy się, napięcia na prądnicy i obrotów silnika - dane wpisać do tabeli 1. Ustawić na zasilaczu napięcie 4V, zatrzymać oś prądnicy (uniemożliwiając pracę silnika) i włączyć zasilanie silnika. Odczytać prąd i moment obrotowy (rozruchu) silnika wyniki wpisać do tabeli 1. UWAGA pomiar może być wykonywany przez krótki czas do ok. 5s. odczytów odłączyć zasilanie silnika i puścić oś prądnicy. Po dokonaniu Czujnik momentu obrotowego: Model2200-2.5 Part No. 10050602/Rev.1 Ser. No. B11201272287 Calibration 652.91mV/Nm (885.34mV/1lb-ft) Nominal Torque 0 to 2.5Nm Maximum Overload 5.0Nm Degree of protection IP50 Suply Voltage Vcc 9-12V Signal Output at 0Nm (adjustable) 2.5V Nominal current In 4.8 8.8 ma 4. Opracowanie wyników. 4.1 Zamieścić tabelę pomiarów z p. 3.2 i 3.3 z dodatkowymi kolumnami dla: prędkości kątowej, mocy mechanicznej, elektrycznej, sprawności elektryczno-elektrycznej i mechanicznoelektrycznej. Moc elektryczną dostarczaną wyznacza się na podstawie Uz i Iz, elektryczną wydzielaną na oporniku na podstawie: Robc i Uprądnicy, moc mechaniczną oblicza się na podstawie momentu obrotowego i prędkości kątowej silnika. Na podstawie tych mocy oblicza się poszczególne sprawności. 4.2 Zaprezentować na wykresie wpływ napięcia zasilania na obroty silnika nieobciążonego i obciążonego poszczególnymi opornikami rodzina krzywych. EWA-1 4
4.3 Zaprezentować zależność prądu zasilania i obrotów silnika od momentu obrotowego dwa wykresy z rodziną krzywych dla poszczególnych napięć zasilania. 4.4 Zamieścić uwagi i wnioski. 5. Literatura [1] Grabowski - Popow M., Szczodruch M., Układ do elektronicznej regulacji momentu obrotowego silnika elektrycznego, praca dyplomowa, PG., Wydz. ETI, Katedra Systemów Elektroniki Morskiej 2012, [2] Przepiórkowski I.J.: Silniki elektryczne w praktyce elektronika. Warszawa: BTC, 2007 [3] Instrukcja obsługi wyświetlacza MD-100M. [4] Instrukcja obsługi czujnika momentu obrotowego DFM 2x2,5. [5] Nowa technologia bezstykowego pomiaru momentu obrotowego, www.wobit.com.pl [6] Opis techniczny silnika GR 42x40, 20 W EWA-1 5
6. Załącznik Dane techniczne silnika elektrycznego Parametry silników Dunkermotor GR 42x40 wersja 24 V: Znamionowe napięcie zasilania [VDC] 24 Znamionowa prędkość [obr./min.] 3100 Znamionowy moment obrotowy [Ncm] 5,7 Znamionowy prąd [A] 1,2 Moment startowy [Ncm] 33 Prąd startowy [A] 5,68 Moc silnika [W] 20 Bezwładność rotora [gcm 2 ] 110 Masa silnika [g] 490 Wykres parametrów silnika GR 42x40 Dane techniczne oraz wykres parametrów pochodzą z noty katalogowej producenta Dunkermotoren. EWA-1 6
EWA-1 7