5. STANY PRACY NAPĘDU Z MASZYNĄ OBCOWZBUDNĄ PRĄDU STAŁEGO

5. STANY PRACY NAPĘDU Z MASZYNĄ OBCOWZBUDNĄ PRĄDU STAŁEGO 5.1. Program ćwiczenia Badanie charakterystyk mechanicznych maszyny przy zasilaniu stałym napięciem Badanie wpływu rezystancji obwodu twornika na charakterystyki napędu Wyznaczanie charakterystyk mechanicznych silnika przy hamowaniu dynamicznym 5.2. Wiadomości podstawowe Każda maszyna obcowzbudna prądu stałego, niezależnie od tego, czy jej dane znamionowe mówią, że jest to prądnica, czy silnik może pełnić obie te funkcje. W technice napędowej przyjmuje się silnikową konwencję zwrotu prądu, momentu i mocy (moc elektryczna dopływająca do maszyny uważana jest za dodatnią). Statyczne charakterystyki maszyny można wówczas opisać równaniem: U = ( R + R ) kφ I U a R = kφ + R a a ad a a ad Ω 2 ( kφ) M (5-1) Jeżeli w obwodzie twornika nie ma dodatkowych rezystancji (R ad =0), a strumień kφ oraz napięcie U a są stałe i zbliżone do wartości znamionowych, to mówimy o charakterystyce naturalnej maszyny. Charakterystyki mechaniczne, opisujące zależność ustalonej prędkości od momentu elektromagnetycznego maszyny Ω (M) dla różnych stanów pracy przedstawia rysunek 5.1. Są to proste, których nachylenie zależy od rezystancji obwodu twornika (R a +R ad ). Proste te przecinają się w punkcie położonym na osi rzędnych, przy prędkości Ω 0 zwanej prędkością idealnego biegu jałowego. Prędkość ta zależy od napięcia twornika i strumienia kφ. Na rysunku 5.1 pokazano charakterystyki dla trzech wartości napięcia: U an, 0, -U an. Praca silnikowa. Energia elektryczna pobrana z przekształtnika zamieniona zostaje na energię mechaniczną. Kierunek wytwarzanego momentu jest zgodny z kierunkiem prędkości. Hamowanie odzyskowe. Jeżeli moment obciążenia mechanicznego zmieni znak, czyli zacznie działać zgodnie z kierunkiem wirowania silnika, to prędkość przekroczy prędkość idealnego biegu jałowego Ω 0 i maszyna przejdzie do pracy generatorowej. Siła elektromotoryczna twornika jest w tym stanie większa od napięcia U a i prąd twornika zmienia znak, co jest równoznaczne ze zmianą znaku momentu rozwijanego przez silnik. Maszyna w tym sta-

nie pracy oddaje moc do źródła zasilania i wytwarza moment hamujący, przy prędkości Ω > Ω 0. Hamowanie przeciwwłączeniem. Jest to rodzaj pracy, w czasie której prędkość ma znak przeciwny niż prędkość biegu jałowego Ω 0. Moc dopływa do silnika tak od strony elektrycznej, jak i mechanicznej i jest tracona w obwodzie twornika, w którym musi się znajdować rezystancja 1a dodatkowa R ad o znacz- 5 nej wartości. Hamowanie przeciwwłączeniem, jako stan nie- 4 1 M e ustalony, było wykorzystywane 1 4 3 do szybkiego zatrzymania napędu nie wyposażonego w regulowane 3a źródło napięcia. Polegało to na zmianie biegunowości napięcia z równoczesnym włączeniem dodatkowej rezystancji w obwód Rys.5.1 Charakterystyki mechaniczne maszyny prądu stałego: 1-praca silnikowa, 2-hamowanie odzyskowe, 3-hamowanie przeciwwłączeniem, 4-hamowanie dynamiczne obcowzbudne, 5-hamowanie dynamiczne samowzbudne, a-wpływ reakcji twornika twornika. Aby nie dopuścić do nawrotu silnika, należało odłączyć źródło napięcia i ewentualnie zewrzeć obwód twornika (hamowanie dynamiczne) w chwili, gdy prędkość zbliżała się do zera. Ustalony stan hamowania przeciwwłączeniem może mieć miejsce przy czynnym momencie obciążenia, np. gdy jest on wytwarzany przez ciężar ładunku transportowanego pionowo. Stopniowe zwiększanie rezystancji w obwodzie twornika powoduje wówczas zmniejszanie prędkości, a w końcu zmianę jej znaku, czyli przejście od pracy silnikowej (podnoszenie ładunku) do hamowania przeciwwłączeniem (opuszczanie ładunku). Ten rodzaj hamowania przeciwwłączeniem nie wymaga przełączenia biegunowości napięcia zasilającego twornik. Hamowanie dynamiczne obcowzbudne. W stanie hamowania dynamicznego maszyna pracuje jako prądnica, bez zewnętrznego źródła napięcia w obwodzie twornika (U a =0). Cała energia mechaniczna przekazywana na wał silnika jest tracona na rezystancjach obwodu twornika. Obwód wzbudzenia zasilany jest normalnie i strumień kφ ma stałą wartość. Prąd twornika i moment są proporcjonalne do prędkości kątowej.

Hamowanie dynamiczne samowzbudne. Hamowanie to może być stosowane jako awaryjne, w przypadku braku napięcia zasilania obwodu wzbudzenia. W czasie tego hamowania maszyna pracuje jako prądnica samowzbudna obciążona rezystancją R ad. Samowzbudzanie się maszyny jest możliwe dzięki zjawisku histerezy, które powoduje, że przy braku prądu wzbudzenia i f pozostaje w obwodzie pewien niewielki strumień magnetyczny, indukujący w wirującym tworniku niewielkie napięcie, tak zwane napięcie szczątkowe. Po doprowadzeniu napięcia twornika do uzwojenia wzbudzenia zaczyna płynąć w nim prąd wzbudzenia, zwiększający strumień, a zatem i napięcie e a indukowane w tworniku, to z kolei zwiększa prąd wzbudzenia itd. Ten mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego może doprowadzić do samowzbudzenia się maszyny, pozwalającego E,IR a f f IR f f I(R+R uzyskać napięcia rzędu znamionowego. f f d2) 3 2 Ea( I, f N) Aby tak się stało muszą być spełnione pewne warunki dotyczące prędkości wirowania maszyny i rezystancji w 6 E obwodzie wzbudzenia. Na rys.5.2 pokazano a( I,0.5 f N ) 1 przykładowe wykresy zależności sem E a 7 4,5 I f indukowanej w wirniku w funkcji prądu wzbudzenia (pętle histerezy) dla trzech 8 wartości prędkości wirnika. Na ich tle Ea( I,-0.5 f N ) wykreślono charakterystyki napięciowoprądowe -I f R f obwodu wzbudzenia dla trzech Rys.5.2. Warunki samowzbudzania się maszyny (1-8: punkty równowagi, opisane w tekście) wartości rezystancji tego obwodu. Jeżeli rezystancja jest zbyt duża lub/i prędkość zbyt mała, to samowzbudzenie nie udaje się; stan równowagi ustala się w punktach (1,4,5) położonych na początkowym odcinku pętli histerezy, w pobliżu punktu początkowego (i f = 0). Dla pokazanego przykładu przy prędkości Ω N, wystarczy niewielkie zmniejszenie rezystancji obwodu, od wartości R f +R d2 do wartości R f +R d1, aby napięcie E a zwiększyło się wielokrotnie, a punkt pracy przesunął się z 1 do 2. Dalsze, nawet znaczne zmniejszenie rezystancji (do wartości R f ) nie powoduje już dużego przyrostu E a ze względu na nasycenie obwodu magnetycznego. Przy zmniejszonej do połowy prędkości nachylenie charakterystyki E a (I f ) jest dwukrotnie mniejsze, co powoduje, że do pomyślnego samowzbudzenia się maszyny (punkt 6) konieczna jest około 2-krotnie mniejsza rezystancja niż poprzednio.

Gdyby odwrotnie dołączyć uzwojenie wzbudzenia do zacisków twornika, to zamiast dodatniego, powstałoby ujemne sprzężenie zwrotne i napięcie E a zamiast zwiększać się, uległoby osłabieniu do poziomu niższego niż napięcie szczątkowe (punkt 7 na wykresie). Takie połączenie nazywane bywa połączeniem samobójczym. Po zmianie połączenia samowzbudzenie jest również możliwe, ale przy zmienionym kierunku wirowania maszyny (punkt 8). Charakterystyki hamowania dynamicznego samowzbudnego są silnie nieliniowe (linia 5 na rys.5.1), ze względu na nieliniowości obwodu magnetycznego i wykorzystywanie dodatniego sprzężenia zwrotnego. 5.3. Sposób przeprowadzenia ćwiczenia 5.3.1. Wyznaczanie charakterystyki naturalnej silnika obcowzbudnego w zakresie pracy silnikowej i prądnicowej, przy zasilaniu twornika ze źródła o stałym napięciu Ćwiczenie realizuje się przy zasilaniu silnika prądu stałego z prostownika tyrystorowego DML z napięciowym sprzężeniem zwrotnym. Obciążenie stanowi silnik indukcyjny klatkowy połączony z siecią przez cztero-kwadrantowy przemiennik częstotliwości (ALSPA; preferowany tryb pracy to regulacja wektorowa z możliwością ograniczania momentu maksymalnego, ustawiany parametrem: 07 Control \ Torque with encoder ). Połączenia obwodów głównych, stan łączników samoczynnych w skrzynce zasilania przekształtników oraz widok pola łączeniowego przekształtnika ALSPA na tablicy sterującej pokazano na rysunkach 5.3 do 5.5. Widok pola łączeniowego DML na tablicy sterowania i pomiarów przedstawiono w ćwiczeniu 2 (rys.2.6). Potencjometry P1 obu przekształtników powinny być ustawione na zero, potencjometr P2 przekształtnika DML na maksimum, a potencjometr P2 przekształtnika ALSPA na około 2 obroty. Przełączniki kierunku wirowana w obu przekształtnikach powinny być nastawione tak samo (w prawo, jeżeli wskazania prędkości mają być dodatnie). Kolejność łączeń przy uruchamianiu stanowiska jest następująca: - Zamknąć łącznik ZASILANIE na tablicy obwodów mocy, - Załączyć stycznik zasilania obwodów głównych przekształtnika DML - Odblokować przekształtnik DML

- Włączyć zadawanie napięcia i ustawić potencjometrem P1 napięcie twornika U a =220V (silnik powinien pracować na biegu jałowym z prędkością zbliżoną do znamionowej) Rys. 5.3. Wygląd łączników samoczynnych w skrzynce zasilania stanowiska nr 2 przygotowanego do ćwiczeń Rys.5.4. Wygląd tablicy połączeń obwodów mocy stanowiska nr 2 przygotowanego do zdejmowania charakterystyk silnika zasilanego napięciem przekształtnika DML - Przełącznikami: "zezwolenie" i załącz." Odblokować przekształtnik ALSPA Zwiększając nastawę potencjometru P2 przekształtnika ALSPA zwiększamy obciążenie badanej maszyny w zakresie pracy silnikowej. Płynne przejście od pracy silnikowej (I ćwiartka) do prądnicowej (II ćwiartka) można osiągnąć zwiększając nastawę potencjometru P1 przekształtnika ALSPA do wartości odpowiadających prędkościom 0większym niż prędkość biegu jałowego. Charakterystykę należy zdejmować w całym osiągalnym zakresie obciążeń. Oprócz pomiarów prędkości, napięcia i prądu twornika badanej maszyny należy obserwować wskazania przyrządów wskazówkowych mierzących prąd i moc pobieraną przez przekształtnik ALSPA Ponadto należy odczytywać z wyświetlacza panelu wyniki pomiarów udostępnianych przez program sterujący przekształtnikiem ALSPA (prędkość, napięcie, częstotliwość, prąd, moc i moment obrotowy silnika indukcyjnego). Nie zmieniając nastawy potencjometru P1 w przekształtniku DML zdjąć powtórnie charakterystykę silnika po ustawieniu przełączników kierunku wirowania na "lewo". 5.3.2. Badanie wpływu rezystancji obwodu twornika na charakterystyki mechaniczne napędu przy pracy silnikowej i prądnicowej oraz przy hamowaniu przeciwwłączeniem

Nie zmieniając ustawienia potencjometru P1 w przekształtniku DML powtórzyć program z poprzedniego punktu przy włączeniu dodatkowych rezystancji w obwód twornika Rys. 5.5 Widok pola łączeniowego ALSPA na tablicy sterowania i pomiarów: a- przed połączeniem, b- po połączeniu podstawowej konfiguracji (R ad =15Ω; 40Ω). Przy włączonej dużej rezystancji dodatkowej, aby przejść od pracy silnikowej do hamowania przeciwprądem trzeba zmienić nastawiony kierunek wirowania w zespole obciążającym (ALSPA) na przeciwny do nastawionego w układzie badanym (DML). 5.3.3. Wyznaczanie charakterystyk silnika przy hamowaniu dynamicznym obcowzbudnym

Rys. 5.6. Przykłady połączeń tablicy mocy na stanowisku 2, do realizacji ćwiczeń z hamowania silnika prądu stałego: a) hamowanie obcowzbudne z rezystancją 15 Ω, b) hamowanie samowzbudne z rezystancją 40 Ω w obwodzie twornika Przy wyłączonym zasilaniu stanowiska rozewrzeć połączenie między przekształtnikiem DML a twornikiem silnika, zachowując połączenia w obwodzie wzbudzenia. Zaciski twornika połączyć z rezystancją dodatkową, tak jak na przykładzie przedstawionym na rys.5.6. Załączyć stanowisko, bez załączania stycznika w obwodzie przekształtnika DML zasilającego twornik silnika. Napędzając zespół maszynowy od strony silnika prądu przemiennego wyznaczyć charakterystyki hamowania dla wartości rezystancji R ad = 15Ω, 40Ω, w zakresie momentów i prędkości, na jaki pozwala przekształtnik ALSPA. 5.3.4. Wyznaczanie charakterystyk silnika przy hamowaniu dynamicznym samowzbudnym Wyłączyć zasilanie przekształtnika DML, po czym przyłączyć wzbudzenie i rezystor obciążający 40Ω do zacisków twornika w sposób pokazany na rys.5.6b. Napędzając zespół maszynowy od strony silnika prądu przemiennego zwiększać stopniowo prędkość i notować wskazania przyrządów dla wyznaczenia charakterystyk hamowania samowzbudnego. Po osiągnięciu momentu maksymalnego powoli zmniejszać prędkość do zera, również notując wskazania przyrządów. Następnie przełączyć zadany kierunek wirowania w przekształtniku ALSPA i zdjąć charakterystykę przy zmienionym znaku prędkości. Sprawdzić, jak będzie wyglądała charakterystyka po zmianie sposobu przyłączenia uzwojeń wzbudzenia na samobójcze. Po zakończeniu pomiarów charakterystyk odłączyć rezystor obciążający i sprawdzić

czy i przy jakich prędkościach następuje samowzbudzenie maszyny z włączonymi rezystorami dodatkowymi w obwodzie wzbudzenia. 5.4. Zawartość sprawozdania W części zmiennej sprawozdania należy zamieścić: Doświadczalne i obliczeniowe charakterystyki mechaniczne Ω(M) dla wszystkich badanych stanów pracy. Przy wyznaczaniu charakterystyk doświadczalnych wykorzystać wskazówki zawarte w rozdziale 2.7 odnośnie do wyliczania strumienia i momentu elektromagnetycznego maszyny obcowzbudnej prądu stałego. Charakterystyki obliczeniowe konstruować na podstawie wzoru (5-1) z parametrami zaczerpniętymi z arkusza Dane maszyn w Laboratorium.xls. Analizę opracowanych wyników, próbę wyjaśnienia różnic między przebiegami teoretycznymi a doświadczalnymi Inne uwagi i spostrzeżenia dotyczące programu i przebiegu ćwiczenia