Badania mikromaszyn elektrycznych dr inż. Krzysztof Bieńkowski Zakład Maszyn Elektrycznych Gmach Elektrotechniki, wejście C, pok. 310. Tel: 234 7490, Krzysztof.Bienkowski@ee.pw.edu.pl, www.ime.pw.edu.pl Konspekt wykładu Celem wykładu jest zapoznanie słuchaczy z problematyką badań laboratoryjnych małych maszyn elektrycznych, stosowanymi przyrządami i metodami pomiarowymi oraz przygotowanie do prawidłowego posługiwania się nimi. 1. Cele, rodzaje i zakres badań 1.1. Badania: naukowe, dydaktyczne, przemysłowe, profilaktyczne, bezpieczeństwa użytkowania. 1.2. Przedmiot badań - małe maszyny elektryczne i elektromaszynowe elementy automatyki (sensory i aktuatory). 1.3. Normy ogólne i przedmiotowe. 2. Laboratorium i jego wyposażenie 2.1. Wymagania środowiskowe. 2.2. Źródła zasilania: - sieć zasilająca nn i jej zabezpieczenia, - regulowane źródła napięć przemiennych 50 Hz -autotransformatory, regulatory indukcyjne, przesuwniki fazowe, - transformatory separacyjne i dopasowujące, - źródła napięć wyższych częstotliwości (prądnice, generatory, wzmacniacze mocy, przetwornice), - regulowane źródła napięć stałych - zasilacze sieciowe DC, prądnice DC, - ogniwa i akumulatory, - źródła mocy mechanicznej. 2.3. Bierne elementy regulacyjne rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne. 2.4. Hamownice cierne, wiroprądowe, proszkowe, elektromaszynowe. 2.5. Przyrządy pomiarowe wielkości elektrycznych i mechanicznych. 3. Wybrane pomiary charakterystyczne 3.1. Pomiary napięć, prądów, mocy, częstotliwości, współczynnika mocy. 3.2. Pomiary momentu i momentu bezwładności. 3.3. Pomiary kąta obrotu i prędkości obrotowej. 3.4. Pomiary rezystancji uzwojeń, rezystancji izolacji i rezystancji przejścia. 3.5. Pomiary reaktancji uzwojeń. 4. Wybrane charakterystyki maszyn elektrycznych 4.1. Maszyny elektryczne jako przetworniki energii i sygnałów. 4.2. Charakterystyki wejście-wyjście. 4.3. Charakterystyki stanu jałowego i zwarcia. 4.4. Charakterystyki mechaniczne. 4.5. Charakterystyki regulacyjne. 5. Praktyka pracy w laboratorium
5.1. Budowa układów pomiarowych (schemat ideowy, ustawienie przyrządów, łączenie torów prądowych). 5.2. Przeprowadzanie pomiarów i protokołowanie wyników. 5.3. Zasady bezpieczeństwa. Literatura: Mikrosilniki elektryczne. Badanie właściwości statycznych i dynamicznych. Pod redakcja W. Jaszczuka. PWN, Warszawa 1991. Sochocki R.: Mikromaszyny elektryczne. OWPW, Warszawa 1996. Elektryczne maszynowe elementy automatyki. Pod redakcją J. Owczarka. WNT, Warszawa 1983. Wróbel T.: Silniki skokowe, WNT, Warszawa 1993 Łastowiecki J.: Elementy i podzespoły półprzewodnikowych układów napędowych, OWPW, Warszawa 1999. Kenjo T., Sugawara A.: Stepping motors and their microprocessor controls. Oxford Univ. Press 1995. Acarnley PP: Stepping Motors: A Guide to Modern Theory and Practice, IEE/Peter Perigrinus 1992, 3rd ed. Ueha S., et al.: Ultrasonic Motors-. Theory and Applications. Oxford: Clarendon Press, 1993. Gieras j., Wing M.: Permanent Magnet Motor Technology. Marcel Dekker, New York, 2002. Handi E. S.: Design of Small Electrical Machines. Wiley, Chichester, UK, 1994. Forma zaliczenia: egzamin pisemny. Przykładowe pytania zostaną opublikowane na stronie internetowej ZME. Warto robić własne notatki - Notowanie jest sposobem na zwiększenie poziomu koncentracji uwagi. - Stanowi bieżący wskaźnik podążania za tokiem wykładu i zrozumienia treści - Brak jednego podręcznika obejmującego całość prezentowanego materiału.
1. Cele, rodzaje i zakres badań Każde urządzenie i maszyna elektryczna posiada pewien zespół cech, które determinują jej zachowanie w określonych warunkach. W procesie projektowania i wytwarzania dąży się do uzyskania najkorzystniejszych cech z punktu widzenia zarówno użytkownika jak i wytwórcy. Zestaw cech gotowego wyrobu może odbiegać od przyjętych założeń z wielu powodów: Niedoskonałość metod projektowania i stosowanie uproszczonych modeli obliczeniowych (np.: zastępczy obwód magnetyczny zamiast modelu polowego), Rozrzut właściwości fizycznych i chemicznych stosowanych materiałów (np.: Cu, Fe ) Niedokładność obróbki elementów i tolerancje montażu (np.: niewspółosiowość stojana i wirnika) Wpływu tych czynników nie sposób dokładnie oszacować. Badania laboratoryjne są podstawową metodą poznania właściwości maszyn i urządzeń. Podstawowym celem badań jest sprawdzenie czy wyrób charakteryzuje się założonym zestawem cech. Ze względu na cele szczegółowe badania możemy podzielić na: Badania naukowe mają na celu: uzyskanie danych do projektowania nowych typów maszyn lub modernizacji istniejących, udoskonalenie metod projektowania, analizę możliwości zastosowania nowych materiałów lub technologii wytwarzania. Pełnej listy celów badań naukowych nie sposób ustalić. Jest ona otwarta, podobnie jak granice rozwoju nauki i techniki. Badania dydaktyczne są elementem procesu nauczania. Mają na celu: ugruntowanie i poszerzenie wiadomości o przedmiocie badanym, poznanie metod badawczych i rozwijanie umiejętności ich doboru i przeprowadzania, rozwój umiejętności interpretacji wyników i ich krytycznej oceny. Badania przemysłowe maja na celu: kontrolę procesu wytwarzania, części składowych (zespołów funkcjonalnych) wyrobu, ocenę gotowego wyrobu Badania gotowego wyrobu obejmują: o Badania pełne (badania typu) szeroki zakres. Stosowane przy produkcji jednostkowej dla wszystkich egzemplarzy oraz przy wprowadzaniu nowego wyrobu. o Badania niepełne (badania wyrobu) ograniczony zakres. Stosowane przy krótkich seriach dla wszystkich wyrobów. o Badania niepełne skrócone zakres bardzo ograniczony. Stosowane w produkcji masowej Zakresy poszczególnych rodzajów badań przemysłowych ujęte są w normach krajowych i międzynarodowych. PN-E-06755-1:2001 - Maszyny elektryczne wirujące. Rodzaje i programy badań. Postanowienia ogólne Badania profilaktyczne Stosuje się wobec maszyn i urządzeń, których awaria może doprowadzić do poważnych strat lub zagrożenia ludzi i środowiska. Badania profilaktyczne mają na celu odpowiednio wczesne wykrycie usterek i ustalenie faktycznego stanu technicznego. W najbardziej odpowiedzialnych systemach, przybierają formę ciągłego monitoringu. Przykłady: badania stanu izolacji transformatorów, turbogeneratorów, przeglądy silników lotniczych. PN-EN 12927-8:2005 (U) - Wymagania bezpieczeństwa dla kolei linowych zaprojektowanych do przewozu osób. Liny. Część 8: Badania (MRT) Badania bezpieczeństwa użytkowania Dotyczą sprzętu powszechnego użytku i wchodzących w jego skład elementów (np.: silniki małej mocy, transformatory, wyłączniki). Celem badań jest ustalenie jak właściwości wyrobu wpływają na bezpieczeństwo osób użytkujących ten sprzęt, zarówno poprzez bezpośrednie oddziaływanie (np.: możliwość porażenia prądem), jak również przez oddziaływanie pośrednie (hałas, zakłócenia EMC) Potrzeba badania i certyfikowania sprzętu powszechnego użytku pojawiła się wraz z masowym rozpowszechnieniem tego typu wyrobów zasilanych energią elektryczną obsługiwanych przez użytkowników bez przygotowania technicznego. Sprzęt powszechnego użytku (ang.: customer's use) musi być konstruowany tak, aby niebezpieczeństwo dla użytkownika było ograniczone do minimum a niebezpieczeństwo porażenia, przy normalnym użytkowaniu praktycznie wyeliminowane (podwójna izolacja, zerowanie).
Badania bezpieczeństwa przeprowadzane są w laboratoriach akredytowanych. Na podstawie wyników badań wyroby mogą uzyskać certyfikaty: znak bezpieczeństwa CE międzynarodowe certyfikaty UE na zgodność z Dyrektywami Niskiego Napięcia i Kompatybilności Elektromagnetycznej certyfikat bezpieczeństwa B certyfikaty wewnętrzne róznych instytucji (np.: Instytutu Elektrotechniki, morskiej instytucji klasyfikacyjnej PRS) PN-EN 50081-1 - Wymagania ogólne dotyczące emisyjności. Środowisko domowe, handlowe i lekko uprzemysłowione. PN-EN 60335-1:2002 (U) - Bezpieczeństwo elektrycznych przyrządów do użytku domowego i podobnego. Wymagania ogólne PN-88/E-08400/10 - Narzędzia ręczne o napędzie elektrycznym. Badania kontrolne w czasie eksploatacji Wzór znaku CE 2. Obiekty badań w laboratorium mikromaszyn Czym jest mechatronika? Mechanika Aktuatory i Sensory Elektrotechnika Modelowanie Mechatronika Technika obliczeniowa Informatyka Mechatronika stanowi synergiczną integrację mechaniki, elektroniki i systemów komputerowych w procesie projektowania i produkcji przemysłowych urządzeń elektromechanicznych.
Rozwój mecharoniki nie byłby możliwy bez powstania szybkich procesorów. Większość stanowią procesory (mikrokontrolery) wbudowane w urządzenia powszechnego użytku (ang. embedded systems systemy przetwarzania informacji wbudowane w większe produkty). W krajach rozwiniętych na każdego obywatela przypada obecnie około 100 mikroprocesorów prawie wszystkie są embedded. Do 2012 będzie prawdopodobnie około 10.000 procesorów/osobę! Ale elektronika jest ślepa i głucha bez sensorów i całkowicie bezradna bez elementów wykonawczych - aktuatorów... Sensor elektryczny przetwornik wielkości fizycznej (odległość, siła, temperatura itd.) na sygnał elektryczny. Sensor jest jednostką funkcjonalną systemu mechatronicznego umożliwiającą przetworzenie wielkości nieelektrycznej (np.: temperatury, położenia, siły) na proporcjonalną wielkość elektryczną. Klasyfikacja sensorów ze względu na mierzoną wielkość: - położenia, odległości i kąta obrotu - przyspieszenia - siły, ciśnienia i momentu obrotowego - przepływu - temperatury - natężenia światła Klasyfikacja czujników ze względu na źródło energii sygnału pomiarowego: - pasywne - energia potrzebna do wytworzenia sygnału wyjściowego jest czerpana ze zjawiska fizycznego(pomiar temperatury z wykorzystaniem termopary)
- aktywne - wymagają zewnętrznego źródła energii do wytworzenia sygnału wyjściowego (pomiar naprężenia z wykorzystaniem tensometru) Klasyfikacja czujników ze względu na zasadę działania: - potencjometryczne - pojemnościowe - indukcyjne - ultradźwiękowe - tensometryczne - piezoelektryczne - piezorezystywne - światłowodowe Aktuator elektromagnetyczny - przetwornik zamieniający sygnał elektryczny na ruch. Wytwarza siłę (aktuator liniowy) lub moment obrotowy (aktuator obrotowy). Jest przetwornikiem energii elektrycznej na mechaniczną. Przetwornik urządzenie zmieniające postać przetwarzanej energii
turbogenerator (największy na świecie ma moc 1,715 GW - ALSTOM). Mikrosilnik elektrostatyczny 0,01 mw
Przetworniki elektromagnetyczne nazywane są maszynami elektrycznymi i charakteryzują się dwukierunkowym przetwarzaniem energii (są odwracalne). Małe maszyny elektryczne do 1 (3) kw, wznios osi wału do 80 mm: silniki indukcyjne, komutatorowe, z magnesami trwałymi, reluktancyjne, skokowe, synchroniczne silniki wykonawcze prądu stałego Silnik indukcyjny powszechnego użytku Silnik skokowy zintegrowany ze sterownikiem Jak odróżnić czy maszyna jest mała czy duża? Wytwórca podaje normę, którą stosował przy jej produkcji:
PN-EN 60034-1:2001 Maszyny elektryczne wirujące - Dane znamionowe i parametry PN-E-06755-3:2001 Maszyny elektryczne wirujące - Rodzaje i programy badań - Silniki indukcyjne trójfazowe Silnik zintegrowany z przekładnią 1:100 (ślimakowa + planetarna Ale: PN-E-06800:1996 Maszyny elektryczne wirujące - Małe silniki elektryczne PN-74/E-06010 Maszyny elektryczne małej mocy - Ogólne wymagania i badania Motoreduktory
Silnik skokowy hybrydowy Elementy automatyki prądniczki tachometryczne, transformatory położenia kątowego PN-E-06837:1996 Maszyny elektryczne wirujące - Maszyny do sterowania - Prądnice tachometryczne Silniki skokowe zintegrowane z napędem liniowym Typoszereg silników skokowych
Układ wieloprocesorowy napędu linii produkcyjnej lub robota przemysłowego Łożysko magnetyczne