KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Kierunek studiów: Elektrotechnika Specjalność: Aparatura elektroniczna Kierunek dyplomowania: Elektronika Przemysłowa Przedmiot: Elementy Automatyki 2 Kod przedmiotu: TS1A722 393 BADANIE SILNIKA SKOKOWEGO dr inż. Adam Sołbut 2011-07-26
Ogólne zasady bezpieczeństwa KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do stanowiska laboratoryjnego. Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego. Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego. Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich działań. Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania stanowiska. Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone. W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym. Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska. Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem laboratoryjnym. Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem. W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający. Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu stanowiska. Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na obudowie urządzenia. Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników. 2
Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.: - Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu. - Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone do źródła napięcia. - Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu ochronnego sieci. - Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy podłączać go do punktów o wyższym potencjale. - Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda jest podłączona do źródła napięcia - Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów 3
BADANIE SILNIKA SKOKOWEGO 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych właściwości silników skokowych, ich właściwości statycznych i dynamicznych, w tym różnych sposobów sterowania. 2. Zasada działania silnika skokowego Według powszechnie przyjętego określenia, silnikiem skokowym nazywa się elektromechaniczny przetwornik energii, przetwarzający ciąg impulsów elektrycznych w mechaniczne przesunięcie wału lub - w silnikach liniowych - przesunięcie liniowe biegnika. Droga kątowa lub liniowa, którą przebędą wirnik lub biegnik jest proporcjonalna do liczby impulsów, a prędkość części ruchomej silnika do częstotliwości tych impulsów. Impuls sterujący powoduje, że uzwojenia silnika (skupione lub rozłożone) zostają za pośrednictwem komutatora elektronicznego, zasilone odpowiednim układem napięć utrzymywanych najczęściej aż do czasu pojawienia się następnego impulsu, powodującego zmianę układu tych napięć. Z kolei wywołuje to zmianę rozpływu prądu w uzwojeniu, a więc i zmianę kierunku strumienia, a w konsekwencji obrót wirnika o określony kąt, zwany skokiem. Dla silnika o skończonej liczbie niezależnych pasm lub cewek skupionych uzwojenia i dla określonego typu zasilacza (generującego napięcie o biegunowości stałej lub przemiennej, o stałej lub nastawianej wartości) istnieje pewna, skończona liczba układów napięć zasilających (stanów wejść), po przekroczeniu której zaczynają się one powtarzać. Każdy ze stanów wejścia nosi nazwę taktu komutacji. Tworzą one cykl komutacji, po wyczerpaniu którego wektor pola w szczelinie obróci się o kąt 360º elektrycznych lub - w silnikach liniowych-przesunie o dwie podziałki biegunowe induktora. Z punktu widzenia zasady działania i zasady konstrukcji silniki skokowe można podzielić na trzy zasadnicze grupy: silniki o wirnikach i biegnikach czynnych - w zasadzie wyłącznie o magnesach trwałych - wykorzystujące jako podstawowy moment synchroniczny wzbudzeniowy, silniki o wirnikach i biegnikach ferromagnetycznych biernych - wykorzystujące moment reluktancyjny i silniki hybrydowe - wykorzystujące, w różnych proporcjach, oba wymienione momenty elektromagnetyczne. Charakterystyczne parametry silnika skokowego to m.in.: a) Maksymalna częstotliwość rozruchu f r max - zgodnie z PN-87/E-01006 jest to częstotliwość impulsów zasilających silnik skokowy, przy której każdemu impulsowi odpowiada przesunięcie kątowe lub liniowe wirnika o znamionową wartość skoku. Zwiększa się ona ze wzrostem momentu 4
synchronizującego, ze zmniejszeniem kąta skoku, a także ze zmniejszeniem momentu bezwładności i obciążenia. b) Częstotliwość graniczna f g -jest to największa częstotliwość impulsów zasilających silnik skokowy, przy której każdemu kolejnemu impulsowi (przy płynnym zwiększaniu częstotliwości) odpowiada przesunięcie kątowe (lub liniowe) wirnika o znamionową wartość skoku. Zachodzi tu nierówność f g <f r max. c) Częstotliwość graniczna nawrotu f n - jest to maksymalna częstotliwość impulsów zasilających silnik skokowy, przy której podczas zmiany kierunku obrotów na przeciwne (nawrót) każdemu impulsowi odpowiada przesunięcie kątowe (lub liniowe) wirnika o znamionową wartość skoku. d) Moment rozruchowy -jest to maksymalna wartość momentu obciążenia, przy której możliwy jest rozruch silnika skokowego bez utraty skoku. e) Maksymalny statyczny moment synchroniczny -jest to maksymalna wartość statycznego momentu synchronicznego rozwijana poprzez silnik podczas jego ustalonej pracy, określana z przebiegu charakterystyki kątowej momentu. f) Maksymalny statyczny moment synchronizujący M stmax -maksymalny moment wytwarzany przez silnik przy znamionowym napięciu zasilania, znamionowym cyklu komutacji oraz częstotliwości przełączania równej zeru. g) Znamionowy kąt skoku -wartość kąta pojedynczego skoku przy znamionowym cyklu komutacji. h) Amplituda przeregulowań wirnika a 0 -amplituda maksymalnych odchyleń wirnika od zadanego kąta przy zadanym obciążeniu,układzie połączeń i okresie drgań. i) Odchyłka od wartości szczytowej a-odchyłka od zadanego położenia kątowego, przy zadanym obciążeniu, układzie połączeń i czasie. j) Ponadto określa się wielkości pomocnicze takie jak: moment bezwładności wirnika J r, średnia impedancja uzwojenia Z śr, średnia elektromagnetyczna stała czasowa pasma T śr. Do najistotniejszych charakterystyk silnika skokowego należą: -zależność momentu statycznego w funkcji prądu pasma M st =f(i), -moment obrotowy w funkcji częstotliwości M l =f(f) -częstotliwość rozruchu w funkcji prądu obciążenia f r =f(i) 5
M M p A M r B M l 0 f r f p f rmax fp f g f g0 f f r0max Rys.1 Charakterystyki mechaniczne silnika skokowego. A -krzywa momentu pracy; B -krzywa momentu rozruchowego; F g0 -częstotliwość graniczna przy biegu jałowym; f g -częstotliwość graniczna (pod obciążeniem); f r0max -maksymalna częstotliwość rozruchu (przy biegu jałowym); f rmax -maksymalna częstotliwość rozruchu (pod obciążeniem); f r -częstotliwość rozruchu; f p -częstotliwość pracy silnika; M p -moment pracy silnika; M r -moment rozruchowy; M l -moment obciążenia. Jedną z podstawowych charakterystyk silnika jest statyczna charakterystyka momentu. Jest to zależność kąta od momentu obciążenia silnika dla stałej wartości prądu silnika. W zależności od typu sterownika będzie to prąd w jednym paśmie lub w dwóch sąsiadujących pasmach silnika. Drugą istotną charakterystyką jest charakterystyka mechaniczna silnika skokowego (rys.1). Jest to zależność momentu silnika od częstotliwości impulsów sterujących. Wyznacza się dwie charakterystyki: rozruchową i pracy. Charakterystyka rozruchowa powstaje poprzez skokową zmianę częstotliwości impulsów sterujących od zera do wartości przy której wirnik silnika będzie nadążał za zmianami pola (nie zostanie zgubiony żaden impuls sterujący), przy danym momencie obciążenia. Definicja ta jest istotna, gdyż silniki skokowe pracują 6
zwykle w układach bez sprzężenia od położenia, więc aktualne położenie silnika jest obliczane na podstawie stanu początkowego oraz liczby impulsów sterujących. Charakterystyka pracy różni się od rozruchowej sposobem zmiany impulsów sterujących. Dla tej charakterystyki należy częstotliwość impulsów sterujących zwiększać powoli i płynnie od zera do wartości maksymalnej. Z charakterystykami tymi związane są pojęcia granicznej częstotliwości rozruchowej oraz granicznej częstotliwości pracy jako częstotliwości maksymalne rozruchu i pracy przy zerowym momencie obciążenia. Komutacja, czyli sposób sterowania silnika skokowego może być: - symetryczna (liczba zasilonych pasm silnika jest stała) - niesymetryczna - jednobiegunowa (unipolarna) - dwubiegunowa (bipolarna) Dokładną analizę pracy silników skokowych wraz przedstawiono w monografii [2]. Silniki skokowe mają zastosowanie m.in. jako: - liczniki impulsów - wybieraki w systemach selekcji informacji - elementy wykonawcze siłowników (np. silnik skokowy hydrauliczny) - elementy napędów stołów krzyżowych - urządzenia przestrajające generatorów - napędy synchronizowanych przędzarek - napędy głowic urządzeń piszących lub odczytujących pamięci dyskowe - napędy urządzeń kinotechnicznych - układy programowego sterowania (obrabiarek, manipulatorów, robotów, zautomatyzowanych linii produkcyjnych itp.), napędy urządzeń wejściowo - wyjściowych maszyn cyfrowych (czytniki, drukarki, przetworniki analogowo - cyfrowe współpracujące z kartami pomiarowymi), urządzenia rejestrujące - napędy zegarków, w tym zegarków ręcznych, w przekaźnikach czasowych. - napędy prętów spowalniających reakcje jądrowe - napędy mostów zwodzonych i w automatyce wolnozmiennych procesów przemysłowych (napęd zaworów, zasuw, przesłon itp.) 3. Obsługa stanowiska Stanowisko do badania silników skokowych składa się z następujących elementów: - silnika skokowego EDS22 wraz ze sterownikiem ADI-21C - podnośnika samochodowego umożliwiającego obciążenie silnika skokowego w stanie pracy statycznej wraz z układem pomiarowym kąta - układu elektronicznego porównującego impulsy z generatora sterującego oraz impulsatora zamontowanego na wale silnika skokowego 7
- układu zasilacza prądu stałego składającego się z autotransformatora, transformatora obniżającego napięcie (220/24V), prostownika mostkowego oraz baterii kondensatorów jako urządzenia filtrującego - generatora napięć TTL - silnika skokowego ES-22 wraz ze sterownikiem z możliwością zmiany sposobu komutacji pasm silnika Dane techniczne badanego silnika skokowego: - napięcie znamionowe 15.8 V - pobór mocy silnika 180 W - prąd pasma silnika 5.6 A - liczba pasm 4 - skok znamionowy 3 - moment znamionowy 6.3 Nm - moment maksymalny 17.5 Nm - częstotliwość graniczna pracy 75 Hz - typ sterownika mocy ADI-21C 4. Przykładowy program badań Zajęcia 1 (2 godz.): - zbadać wpływ wartości prądu pasma na moment maksymalny silnika skokowego - zmierzyć charakterystyki statyczne silnika dla różnych wartości prądów, przy zasilaniu jednego pasma oraz dwóch sąsiednich pasm silnika - zbadać wpływ filtracji napięcia zasilającego na wartość momentu maksymalnego silnika Zajęcia 2 (2 godz.): - zapoznać się ze sterownikiem zasilającym badany silnik skokowy - zarejestrować przebiegi prądów i napięć pasma silnika dla różnych częstotliwości sygnału sterującego Zajęcia 3 (2 godz.): - wyznaczyć częstotliwości graniczną pracy dla różnych prądów zasilających sterownik ADI-21C - zbadać wpływ filtracji napięcia zasilającego na jakość pracy napędu - zbadać wpływ sposobów komutacji silnika na wartość kąta skoku 5. Literatura a) Owczarek J. (red), Elektryczne maszynowe elementy automatyki, WNT, Warszawa 1983. b) Wróbel T., Silniki skokowe, WNT, Warszawa 1993. c) Jaszczuk W. (red), Mikrosilniki elektryczne. Badanie własności statycznych i dynamicznych, PWN, Warszawa 1991. 8
d) Dziubalski Ł. i inni. Mikrosilniki elektryczne. Badanie właściwości statycznych i dynamicznych Państwowe Wydawnictwo Naukowe Warszawa 1991. e) Bula K. i in., Maszyny elektryczne specjalne, Laboratorium, Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1990 Rys. 2 Schemat sterownika ADI 21C 9