Badanie maszyny prądu stałego Badania przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.1. Rys.1. Schemat połączeń do wyznaczania charakterystyk momentu rozruchowego.
W pierwszej kolejności zgodnie ze schematem pokazanym na Rys.1 należy wykonać połączenia torów prądowych obwodu twornika i wzbudzenia badanej maszyny. Zestaw przewodów pomiarowych znajduje się na stanowisku laboratoryjnym. Następnie należy załączyć komputer PC oraz zasilanie stołu laboratoryjnego. Logujemy się jako użytkownik labmasz. Po zainstalowaniu się systemu operacyjnego załączamy przetwornik analogowo-cyfrowy NI USB 6251, który zgłasza się komunikatem: Okno komunikatu należy skasować (Cancel). Następnie z poziomu pulpitu wywołujemy aplikację MPS (pojawia się okno wirtualnego przyrządu pomiarowego) Poniżej przedstawione okno wirtualnego przyrządu może ulec modyfikacji w zależności od aktualnie wyznaczanej charakterystyki.
Elementy wirtualnego przyrządu do wyznaczania charakterystyk silnika prądu stałego: 1 Okno woltomierza pomiar napięcia twornika. 2 Okno amperomierza pomiar prądu twornika. 3 Okno obrotomierza pomiar prędkości wirowania wału. 4 Okno amperomierza pomiar prądu wzbudzenia. Okna te zostały powiększone w celu ułatwienia obserwacji z większej odległości. Po prawej stronie prezentowane są wartości mocy obwodu twornika Pa, obwodu wzbudzenia Pf i mocy mechanicznej P2, momentu mechanicznego M i sprawności ρ silnika (okna prezentacji mocy mechanicznej, prędkości obrotowej i sprawności nie występują w wypadku charakterystyk wykonywanych przy zatrzymanym wirniku). 5 Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej napięcia twornika Ua). W zakładce prezentowane jest widmo amplitudowe napięcia twornika. Powyżej okna prezentowane są wartości średniego napięcia twornika Ua. 6 Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej napięcia wzbudzenia Uf). W zakładce prezentowane jest widmo amplitudowe napięcia wzbudzenia. Powyżej okna prezentowane są wartości średniego napięcia wzbudzenia Uf. 7 Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej prądu twornika Ia). W zakładce prezentowane jest widmo amplitudowe prądu twornika. Powyżej okna prezentowane są wartości średniego prądu twornika Ia. 8 Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej prądu wzbudzenia If). W zakładce prezentowane jest widmo amplitudowe prądu wzbudzenia. Powyżej okna prezentowane są wartości średniego prądu wzbudzenia If. 9, 10 Okna służące do prezentacji charakterystyk pomiarowych: - M r = f(i a ), n = 0, I f = const. - n = f(m), I a = f(m), I f = const. - n = f(u a ), M = const., I f = const. - n = f(i f ), M = const., U a = const. - I f = f(m), n = const, U a = const. 11 Panel sterowania zapisem danych pomiarowych do pliku. przycisk Wszystko kasowanie wszystkich pomiarów, przycisk Ostatni kasowanie ostatniego pomiaru, przycisk Zapisz zapisywanie danych pomiarowych do pliku, przycisk STOP zatrzymanie pomiarów. 12 Wybór wyznaczanych charakterystyk i parametryzujących je wielkości. 1) Charakterystyki momentu rozruchowego W pierwszej kolejności załączamy układ przetworników pomiarowych MPS I oraz układ do pomiaru momentu i prędkości obrotowej i uruchamiamy przyrząd wirtualny (kliknięcie myszką w strzałkę start na pasku górnym).
Następnie za pomocą odpowiedniej zwory należy zablokować wał badanej maszyny prądu stałego oraz zasilić obwód wzbudzenia, pomiarów dokonujemy dla trzech różnych wartości prądu wzbudzenia (na przykład: I f 1 = I fmax, I f 2 = I fn, I f 3 = 0,4 I fn ). Przed dokonaniem pomiarów wybieramy w oknie wirtualnego przyrządu odpowiednią opcję. Napięcie twornika regulowane (w zakresie U min =0V - U max =240V) podawane jest z regulatora tyrystorowego poprzez opornik wodny zwiększający rezystancję obwodu twornika. Załączenie rezystora wodnego następuje przez przełączenie przełącznika w pozycję Rw. W dalszej kolejności załączamy regulator napięcia twornika. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby w chwili załączenia regulatora tyrystorowego jego napięcie (regulowane potencjometrem wieloobrotowym) ustawione było na wartość minimalną (skrajne lewe położenie gałki potencjometru regulacyjnego). Do oceny napięcia twornika występującego na zaciskach regulatora służy woltomierz kontrolny. Podczas wykonywania pomiarów zwiększamy za pomocą potencjometru wieloobrotowego napięcie twornika aż do osiągnięcia prądu 1,1I an. Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniach twornika i wzbudzenia. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie. Po osiągnięciu prądu znamionowego należy napięcie twornika zmniejszyć do zera. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f i moment rozruchowy M) zapisywane są odpowiednio do plików pom1_roz_r1.txt, pom1_roz_r2.txt i pom1_roz_r3.txt. Opracowanie wyników pomiaru wykresie wykreślić charakterystyki M r = f(i a ) dla I f 1 = I fmax, I f 2 = I fn, I f 3 = 0,4I fn oraz uzasadnić ich przebieg. 2) Charakterystyka mechaniczna Układ pomiarowy należy zmodyfikować, w stanie beznapięciowym odblokować wał badanego silnika indukcyjnego i zewrzeć rezystor wodny w obwodzie twornika przełącznik dodatkowej rezystancji twornika w pozycji R0. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka mechaniczna. Okno wirtualnego przyrządu jest nieco zmodyfikowane z uwagi na jednoczesną prezentację zależności prądu twornika I a i prędkości obrotowej n od momentu obciążenia. W oknach 9 i 10 prezentowane są charakterystyki pomiarowe: - I a = f(m), I f = I fn, U a = U an, - n = f(m), I f = I fn, U a = U an, Następnie należy zasilić obwód wzbudzenia prądem znamionowym I f = I fn. W dalszej kolejności załączamy regulator napięcia twornika i zwiększamy za pomocą potencjometru wieloobrotowego napięcie twornika aż do osiągnięcia napięcia znamionowego U an. Pomiaru dokonujemy zwiększając obciążenie mechaniczne za pomocą prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego G aż do wartości, przy której osiągnięty zostanie prąd 1,1I an. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia
wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f, prędkość obrotowa n i moment obciążenia M) zapisywane są odpowiednio do pliku pom2_zew.txt. wykresie wykreślić charakterystyki I a = f(m) i n = f(m) w jednostkach względnych odniesionych do wartości znamionowych oraz uzasadnić ich przebieg. 3) Charakterystyka regulacyjna n = f(ua), M = 0 W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka regulacyjna n(ua), M=0. W oknie 9 prezentowana jest charakterystyka pomiarowa: - n = f(u a ), I f = const., M = 0. Wał badanej maszyny należy odblokować oraz zasilić obwód wzbudzenia, pomiarów dokonujemy dla nieobciążonej maszyny przy dwóch różnych wartościach prądu wzbudzenia (na przykład: I f 1 = I fn, I f 2 = 0,8 I fn ). Przed dokonaniem pomiarów wybieramy w oknie wirtualnego przyrządu odpowiednią opcję. Pomiaru dokonujemy zwiększając napięcie twornika do wartości 1,1U an za pomocą potencjometru wieloobrotowego regulatora tyrystorowego. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f, prędkość obrotowa n i moment obciążenia M) zapisywane są odpowiednio do plików pom3_reg_w1.txt i pom3_reg_w2.txt. wykresie wykreślić charakterystyki n = f(u a ) dla dwóch różnych wartości prądu wzbudzenia I f oraz uzasadnić ich przebieg. 4) Charakterystyka regulacyjna n = f(ua), M = 0,5Mn W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka regulacyjna n(ua), M=0,5Mn. W oknie 9 prezentowana jest charakterystyka pomiarowa: - n = f(u a ), I f = const., M = 0,5M n. Wał badanej maszyny należy odblokować oraz zasilić obwód wzbudzenia, pomiarów dokonujemy dla maszyny obciążonej połową momentu znamionowego (regulacji obciążenia dokonujemy za pomocą prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego G) przy dwóch różnych wartościach prądu wzbudzenia (na przykład: I f 1 = I fn, I f 2 = 0,8 I fn ). Przed dokonaniem pomiarów wybieramy w oknie wirtualnego przyrządu odpowiednią opcję. Pomiaru dokonujemy zwiększając napięcie twornika do wartości 1,1U an za pomocą potencjometru wieloobrotowego regulatora tyrystorowego. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f, prędkość obrotowa n i moment
obciążenia M) zapisywane są odpowiednio do plików pom4-reg_w1.txt i pom4- reg_w2.txt. wykresie wykreślić charakterystyki n = f(u a ) dla dwóch różnych wartości prądu wzbudzenia I f oraz uzasadnić ich przebieg. 5) Charakterystyka regulacyjna n = f(if), M = 0 W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka regulacyjna n(if), M=0. W oknie 9 prezentowana jest charakterystyka pomiarowa: - n = f(i f ), U a = const., M = 0. Wał badanej maszyny należy odblokować oraz zasilić obwód wzbudzenia prądem znamionowym, pomiarów dokonujemy dla nieobciążonej maszyny przy dwóch różnych wartościach napięcia twornika (na przykład: U a 1 = U an, U a 2 = 0,8 U an ). Przed dokonaniem pomiarów wybieramy w oknie wirtualnego przyrządu odpowiednią opcję. Następnie zwiększamy napięcie twornika za pomocą potencjometru wieloobrotowego regulatora tyrystorowego. Pomiaru dokonujemy zmniejszając prąd wzbudzenia od wartości znamionowej do takiej wartości, przy której prędkość obrotowa osiągnie wartość 1,2n n. Uwaga! Z powodu możliwości rozbiegania się silnika, regulację prądu wzbudzenia należy realizować szczególnie starannie, każdorazowe zmiany prądu powinny być niewielkie. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f, prędkość obrotowa n i moment obciążenia M) zapisywane są odpowiednio do plików pom5_reg_u1.txt i pom5_reg_u2.txt. wykresie wykreślić charakterystyki n = f(i f ) dla dwóch różnych wartości napięcia twornika U a oraz uzasadnić ich przebieg. 6) Charakterystyka regulacyjna n = f(if), M = 0,5Mn W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka regulacyjna n(if), M=0,5Mn. W oknie 9 prezentowana jest charakterystyka pomiarowa: - n = f(i f ), U a = const., M = 0,5 M n. Wał badanej maszyny należy odblokować oraz zasilić obwód wzbudzenia prądem znamionowym, pomiarów dokonujemy dla maszyny obciążonej połową momentu znamionowego (regulacji obciążenia dokonujemy za pomocą prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego G) przy dwóch różnych wartościach napięcia twornika (na przykład: U a 1 = U an, U a 2 = 0,8 U an ). Przed dokonaniem pomiarów wybieramy w oknie wirtualnego przyrządu odpowiednią opcję.
Następnie zwiększamy napięcie twornika za pomocą potencjometru wieloobrotowego regulatora tyrystorowego. Pomiaru dokonujemy zmniejszając prąd wzbudzenia od wartości znamionowej do takiej wartości, przy której prędkość obrotowa osiągnie wartość 1,2n n. Uwaga! Z powodu możliwości rozbiegania się silnika, regulację prądu wzbudzenia należy realizować szczególnie starannie, każdorazowe zmiany prądu powinny być niewielkie. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f, prędkość obrotowa n i moment obciążenia M) zapisywane są odpowiednio do plików pom6_reg_u1.txt i pom6_reg_u2.txt. wykresie wykreślić charakterystyki n = f(i f ) dla dwóch różnych wartości napięcia twornika U a oraz uzasadnić ich przebieg. 7) Charakterystyka regulacyjna If = f(m), n = const., Ua = const. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka regulacyjna If(M). W oknie 9 prezentowana jest charakterystyka pomiarowa: - I f = f(m), U a = const., n = const. Wał badanej maszyny należy odblokować oraz zasilić obwód wzbudzenia prądem znamionowym I fn, a następnie za pomocą regulatora tyrystorowego ustawić napięcie twornika U a, przy której silnik osiąga znamionową prędkość obrotową n = n n. Pomiarów dokonujemy zmieniając moment obciążenia aż do osiągnięcia momentu znamionowego (regulacji obciążenia dokonujemy za pomocą prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego G). Po każdorazowej zmianie obciążenia korygujemy prąd wzbudzenia badanej maszyny tak aby utrzymać stałą prędkość obrotową. Uwaga! Z powodu możliwości rozbiegania się silnika, regulację prądu wzbudzenia należy realizować szczególnie starannie, każdorazowe zmiany prądu powinny być niewielkie. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia twornika U a, wartość średnia prądu twornika I a, moc elektryczna obwodu twornika P a, wartość średnia napięcia wzbudzenia U f, wartość średnia prądu wzbudzenia I f, moc elektryczna obwodu wzbudzenia P f, prędkość obrotowa n i moment obciążenia M) zapisywane są do pliku pom7_reg.txt. wykresie wykreślić charakterystyki I f = f(m), n = const, U a = const. oraz uzasadnić ich przebieg.
Informacje dodatkowe Po zakończeniu sesji pomiarowej (pracy w laboratorium) należy wydrukować protokół z danymi pomiarowymi. W tym celu korzystamy z przycisku Drukuj w panelu sterowania zapisem danych pomiarowych. Uwaga! Pliki z danymi pomiarowymi zostaną wydrukowane tylko wtedy, gdy zarejestrowanych zostało co najmniej pięć punktów pomiarowych w danej sesji pomiarowej. Pojawia się okno: które należy uzupełnić nazwiskami osób wykonujących ćwiczenie. Po wypełnieniu odpowiednich pól uruchamiamy drukowanie przyciskiem OK. Pojawia się podgląd wydruku do akceptacji. Wydrukowany protokół pomiarów jest do odbioru u laboranta. Po wylogowaniu wszystkie pliki z danymi pomiarowymi są kasowane. Dlatego też przed zamknięciem sesji pomiarowej należy je przenieść do bezpiecznej lokalizacji. Jest nią dowolna skrzynka pocztowa. Dostęp do plików pomiarowych (tylko poprzez pocztę e-mail) uzyskuje się uruchamiając aplikację SI wysyłanie : Po uruchomieniu aplikacji (kliknięcie myszką w strzałkę start na pasku górnym) pojawia się okno z listą utworzonych podczas pracy w laboratorium plików pomiarowych (wraz z ich rozmiarem), a także ewentualnie plik arkusza kalkulacyjnego (Open Office - Calc) z opracowanymi danymi pomiarowymi. Arkusz kalkulacyjny musi być umieszczony w tym samym katalogu co pliki z danymi pomiarowymi W polu adresat należy wpisać własny adres e-mail. Pomiary realizowane są za pomocą wirtualnego przyrządu w skład, którego wchodzą: a) Układ czujników/przetworników I/U oraz U/U zapewniających separację galwaniczną pomiędzy obwodem wejściowym (mierzonym prądem i napięciem) i wyjściowym (sygnałem pomiarowym). Maksymalna amplituda sygnału pomiarowego została dostosowana do zakresu napięciowego wejść przetwornika cyfrowo-analogowego.
Wymagania te spełniają przetworniki napięciowe i prądowe typu LEM. Schemat przetwornika napięcie/napięcie typu LV 25-P o napięciu znamionowym 10V 500V został przedstawiony na Rys.2, a schemat przetwornika prąd/napięcie typu LA 100-P o prądzie znamionowym 100 A został przedstawiony na Rys.3. Rys.2. Woltomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LV 25-P. Iw prąd strony wtórnej przetwornika. Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp. Rys.3. Amperomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LA 100-P. Iw prąd strony wtórnej przetwornika. Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp. Dwa czujniki prądowe (czujnik LA 100-P o zmodyfikowanym zakresie 0 50A DC do pomiaru prądu twornika oraz czujnik LA 25-NP DC do pomiaru prądu wzbudzenia) i dwa czujniki napięciowe (o zakresie podstawowym 10 400V AC) umieszczone są w jednej obudowie wyposażonej w układy zasilania przetworników, zestaw zacisków prądowych i napięciowych oraz zestaw gniazd wyjściowych BNC sygnału pomiarowego. Na Rys.4 przedstawione zostało rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd sygnału pomiarowego. Zaznaczone zostały pary zacisków tworzące tor pomiarowy odpowiednio prądowy i napięciowy skojarzony z właściwym gniazdem sygnału pomiarowego. Rys.4. Rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd sygnału pomiarowego
b) Przetwornik analogowo-cyfrowy. Do pomiarów zastosowano przetwornik NI USB 6251 wyposażony w kartę przetwornika A/C o następujących danych technicznych: - magistrala przesyłu danych USB, - 16 wejść analogowych pojedynczych/8 wejść analogowych różnicowych, - maksymalna częstotliwość próbkowania 1,25 10 6 S/s, - maksymalny zakres napięć wejściowych przetwornika A/C ± 10 V, - rozdzielczość 16 bitów. Sygnał pomiarowy z gniazd BNC przetworników I/U oraz U/U podawany jest za pomocą kabli BNC na odpowiednie wejścia terminala BNC-211 współpracującego z przetwornikiem NI USB 6251. c) Czujnik indukcyjny PCID 4ZP do pomiar prędkości obrotowej o następujących danych znamionowych: - maksymalna częstotliwość pracy 800Hz, - napięcie zasilania 10-30 VDC. d) Przetwornik siły (czujnik siły) KB52 z napięciowym wyjściem sygnałowym do pomiaru momentu o następujących parametrach: - zakres pomiarowy 1 kn, - nieliniowość 0,08%, - histereza 0,08%, - błąd pełzania 0,2%, - uchyb temperaturowy 0,05%/10 o K, - offset ~ 0,03 V, - napięcie wyjściowe 0 10 V, - zasilanie 24 V. Prądniczka tachometryczna i przetwornik siły współpracują z analogowym układem dopasowania (wzmacniacz operacyjny w układzie wtórnika napięciowego rezystancja wejściowa > 1 MΩ, rezystancja wyjściowa < 10 Ω) Rys.5. Rys.5. Układ kondycjonowania sygnału pomiarowego momentu i prędkości obrotowej.
e) Oprogramowanie pomiarowe nadzorujące pracę przetwornika analogowo-cyfrowego, odpowiedzialne za akwizycję danych pomiarowych, przetwarzanie danych pomiarowych i wizualizację pomiarów. Program pomiarowy (wirtualny przyrząd pomiarowy) został zrealizowany za pomocą oprogramowania narzędziowego LabView firmy National Instruments. W układzie pomiarowym mierzone są chwilowe wartości prądu fazowego i napięcia fazowego badanego silnika indukcyjnego. Na podstawie wartości chwilowych zarejestrowanych w czasie 1000 ms (a więc czasie trwania 50 okresów napięcia zasilającego z uwagi na zauważalne wahania w czasie mierzonych parametrów) obliczana jest z definicji odpowiednio wartość średnia prądów i napięć zgodnie z zależnością: X T t T 1 0 t0 1 x( t)dt N N n1 x( n). (1) gdzie: T okres analizowanego sygnału, x(t) wartość chwilowa sygnału pomiarowego, N ilość próbek sygnału, x(n) zdyskretyzowany w czasie i amplitudzie sygnał pomiarowy. Moc pobierana przez silnik prądu stałego jest sumą mocy obwodu twornika i obwodu wzbudzenia: P1 P A P f, (2) wyznaczanych zgodnie z zależnością: 1 P T T t T 1 p( t)dt T T t T 1 u( t) i( t)dt N N n1 u( n) i( n). (3) gdzie: u, i odpowiednio wartość chwilowa napięcia i prądu obwodu twornika i wzbudzenia. Instrukcja jest uzupełnieniem skryptu: Grzegorz Kamiński, Janusz Kosk, Włodzimierz Przyborowski Laboratorium Maszyn Elektrycznych Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 2005 instrukcję opracował Adam Biernat, Warszawa, wrzesień 2012