KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Kierunek studiów: ED Specjalność: AP Przedmiot: Elementy i Podzespoły Automatyki 1 Kod przedmiotu: E25350 BADANIE DWUFAZOWEGO SILNIKA WYKONAWCZEGO dr inż. Adam Sołbut 2004-11-15
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 DWUFAZOWEGO SILNIKA WYKONAWCZEGO 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych właściwości dwufazowych silników wykonawczych (DSW), ich właściwości statycznych i dynamicznych. Ćwiczenie jest podzielona na dwie części: - wykonanie badań na stanowisku laboratoryjnym - wykonanie badań dynamicznych i porównawczych z wykorzystaniem programu symulacyjnego 2. Zasada działania dwufazowego silnika wykonawczego Silnik składa się z dwóch uzwojeń stojana przesuniętych względem siebie pod kątem prostym. Najczęściej są to identyczne uzwojenia, z których jedno pełni rolę uzwojenia wzbudzenie a drugie uzwojenia sterującego. Wirnik może mieć różne wykonanie: a) klasyczne wirnik klatkowy, długi wirnik (L/D=2..3), szczelina powietrzna: 0.025..0.1 mm b) wirnik kubkowy (silnik Ferrarisa) kubek najczęściej z aluminium o grubości ok. 0.2 do 1mm, szczelina powietrzna ok. 0.3..1.5 mm c) silniki klatkowe o małym momencie bezwładności: d) silniki z wirnikami ferromagnetycznymi e) silniki o innych topologiach, np.: silniki tarczowe: płaskie uzwojenia drukowane (tarcza) wirnika oraz uzwojenia drukowane stojana (druk o grubości ok. 0.01..0.5mm); dopuszczalna gęstość prądu w pracy dorywczej do 100A/mm 2 Zmiana napięcia sterującego powoduje zmianę proporcji pomiędzy składową zgodną i przeciwną napięcia co przy dużej rezystancji wirnika umożliwia regulację prędkości obrotowej od zera do prędkości podsynchronicznej. Dokładna analiza DSW została przedstawiona w pracach [1,2,6] 3. Obsługa stanowiska Stanowisko laboratoryjne składa się z następujących elementów: - silnika wykonawczego dwufazowego umieszczonego na hamownicy indukcyjnej (hamownica zasilana przez układ autotransformator-prostownik do napięcia stałego 220V) - transformatora obniżającego napięcie 380/220V - zestawu kondensatorów - mierników: woltomierzy, amperomierzy oraz watomierzy - autotransformatora - miernika prędkości obrotowej - komputera klasy IBM PC 4
Elementy te można łączyć w sposób umożliwiający amplitudowe i amplitudowo-fazowe sterowanie prędkością obrotową DSW, dając możliwość wykonywania badań maszyny w stanach ustalonych [3]. Wartość momentu w zależności od wychylenia hamownicy podano na rys.1: MOMENT W Ncm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 WYCHYLENIE HAMOWNICY W DZIAŁKACH Rys.1 Charakterystyka hamownicy Rys.2. Ogólny schemat stanowiska laboratoryjnego do badania DSW 5
Na komputerze zainstalowano program wspomagający szacowanie parametrów modelu matematycznego DSW (IDENT) oraz program do badania stanów dynamicznych badanego silnika wykonawczego (DSW) [5]. Badany silnik wykonawczy ma następujące dane katalogowe: - typ SA-5T/220 - napięcie wzbudzenia 220 V - prąd wzbudzenia 0.2 A - częstotliwość 50 Hz - napięcie sterujące maksymalne. 220 V - prąd sterujący maksymalny 0.2 A - Napięcie sterujące rozruchowe 5.5 V - Moment znamionowy 4 N cm - moment maksymalny 8 N cm - znamionowa prędkość obrotowa 1000 obr/min - rezystancja uzwojeń 192 Ω - masa 1.9 kg 4. Obsługa programów wspomagających badanie DSW Program IDENT został przygotowany do wspomagania szacowania parametrów schematu zastępczego DSW. W celu jego użycia należy dokonać pomiarów mocy, prądu oraz napięć zasilających DSW przy sterowaniu amplitudowym dla znamionowych napięć (przy polu kołowym) dla różnych wartości momentu na wale maszyny (różnych wartości poślizgu). Z pomiarów mocy należy odliczyć moc strat w żelazie. Należy także zmierzyć wartość rezystancji stojana. Wyniki pomiarów należy wpisać do pliku tekstowego (np. wynik.txt) w następującej kolejności: Liczba_pomiarów Rezystancja_stojana Napięcie prąd moc poślizg Napięcie prąd moc poślizg... Napięcie prąd moc poślizg Program IDENT należy wywołać z parametrem będącym nazwą pliku z danymi, np.: ident wynik.txt W programie należy podać zakresy przewidywanych wartości szacowanych parametrów maszyny oraz wartość liczby podziału poszukiwań (zaleca się używać wartości nie większej niż 10- przy dużej liczbie podziału czas poszukiwania minimum wskaźnika jakości znacznie się wydłuża) Po wstępnym 6
przeszukaniu podanego zakresu zmian parametrów następuje poszukiwanie minimum wskaźnika jakości. Wyniki obliczeń zależą zarówno od dokładności obliczeń jak i przyjętych warunków początkowych startu poszukiwań, stąd program może stanowić jedynie narzędzie wspomagające analizę, natomiast nie wolno wyników obliczeń traktować jako pewników. Dopiero porównanie charakterystyk obliczonych na podstawie modelu matematycznego oraz wyników pomiarów może stanowić o prawidłowości wyznaczenia parametrów modelu matematycznego. 5. Przykładowy program ćwiczeń laboratoryjnych - wykonać pomiary charakterystyk mechanicznych oraz regulacyjnych silnika przy sterowaniu amplitudowym i amplitudowo - fazowym dla kilku wartości napięć sterujących - wykonać pomiary niezbędne do szacowania parametrów modelu matematycznego silnika - wyznaczyć moment bezwładności wirnika badanego DSW metodą drgań - na podstawie oszacowanych parametrów modelu matematycznego dokonać symulacji wybranych stanów przejściowych (rozruch, skokowa zmiana momentu obciążenia, zmiana napięć sterujących itp.) 6. Literatura a) Owczarek J. (red), Elektryczne maszynowe elementy automatyki, WNT, Warszawa 1983 b) Habigier E., Silniki dwufazowe wykonawcze, WNT, Warszawa 1977. c) Jaszczuk W. (red), Mikrosilniki elektryczne. Badanie własności statycznych i dynamicznych, PWN, Warszawa 1991. d) Sołbut A. Instrukcja obsługi programu ANAGRAF, materiały wewnętrzne Politechniki Białostockiej, Białystok 1998 e) Sołbut A. Instrukcja obsługi Generatora Programów Symulacyjnych, materiały wewnętrzne Politechniki Białostockiej, Białystok 1998 f) Sochocki R.: Mikromaszyny elektryczne. Warszawa 1996. a) Żywiec A. Laboratorium Maszyn Elektrycznych, Cz.II. Maszyny indukcyjne, Wyd. Politechniki Śląskiej nr. 709, Gliwice 1977 a) Bula K. i in., Maszyny elektryczne specjalne, Laboratorium, Wyd. Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1990 7