Temat ćwiczenia: WŁASNOŚCI OBCIĄŻONEGO SILNIKA ELEKTRYCZNEGO 1. Wprowadzenie Celem ćwiczenia jest badanie wpływu momentu obrotowego na pracę silnika elektrycznego DC. W ćwiczeniu używane są silniki prądu stałego typu komutatorowego. Jest to konstrukcja silnika znana od ponad stu lat i pomimo swoich wad, jest powszechnie stosowana w różnych urządzeniach głównie ze względu na łatwość regulacji obrotów i momentu obrotowego. Silnik tego typu składa się z czterech podstawowych części: komutatora jest to szereg płytek miedzianych, umieszczonych na bocznej powierzchni walca, po których ślizgają się węglowe szczotki, podłączone do napięcia. Jego zadaniem jest zmiana kierunku przepływu prądu w uzwojeniach tak, aby oddziaływanie ze stałym polem magnetycznym stojana spowodowało obracanie się wirnika, uzwojeń rotora umieszczonych w szczelinach żelaznego rdzenia, podłączonych do komutatora, trwałych magnesów stojana wytwarzających stałe pole magnetyczne, szczotek węglowych, które przenoszą napięcie do komutatora. Rys.1. Budowa silnika komutatorowego z magnesem trwałym [2] Do cech silników komutatorowych, niezależnie od rodzaju, należą między innymi: duży moment obrotowy i rozruchowy, dobry stosunek mocy do masy i rozmiarów silnika, stosunkowo hałaśliwa praca i iskrzenie komutatora, prosty sposób regulacji obrotów i momentu obrotowego, możliwość uzyskania wysokich obrotów rzędu 30000 obr./min i więcej, stosunkowo niska trwałość z uwagi na zużywające się szczotki i komutator. Obroty silnika komutatorowego zależą w sposób liniowy od napięcia zasilania, a moment obrotowy od natężenia prądu. Silnik ten odznacza się tak zwaną miękką charakterystyką obciążania, którą cechuje obniżanie obrotów, wzrostu momentu obrotowego oraz poboru prądu pod wpływem wzrastającego obciążenia. Silniki zbudowane w oparciu o magnesy trwałe cechuje fakt, że prąd wirnika zmienia się liniowo w funkcji obciążenia. Silniki te pozwalają także na bardzo szeroki zakres regulacji napięcia zasilania przy zachowaniu stosunkowo dużego momentu obrotowego. Dzięki zastosowanym magnesom trwałym, po EWA-1 1
odłączeniu zasilania i obciążeniu zacisków silnika, pojawia się magnetyczny moment hamujący. Fakt ten pozwala na wykorzystanie silnika jako prądnicy elektrycznej, a w pewnych przypadkach, przy umiejętnym sterowaniu, pozwala na odzyskiwanie energii hamowania. Głównymi elementami składającymi się na układ laboratoryjny są dwa silniki prądu stałego, czujnik momentu obrotowego wraz z dedykowanym wyświetlaczem oraz układ obciążenia elektrycznego prądnicy. Pierwszy z silników działa jako napęd układu (silnikowy tryb pracy), a drugi w roli prądnicy (praca prądnicowa silnika) i połączony jest z silnikiem napędowym za pomocą czujnika momentu obrotowego oraz sprzęgieł mechanicznych. W zależności od stopnia obciążenia elektrycznego prądnicy, zmianie podlega moment obrotowy, powstający na osi łączącej prądnicę z silnikiem. Prądnica działa zatem jako hamulec dla silnika. Bieżący wynik pomiaru tego momentu eksponowany jest za pomocą urządzenia wyświetlającego MD-100M, pełniącego także rolę zasilacza czujnika momentu. Ponadto, urządzenie wyświetlające pozwala na przesyłanie wyników do komputera, wyposażonego w dedykowaną aplikację oraz zwrotnie aplikacja pozwala na zmiany ustawień urządzenia wyświetlającego. Część układu odpowiadająca za obciążenie elektryczne prądnicy, składa się z układu obciążająco - filtrującego o stałej rezystancji oraz układu mikroprocesorowego z tranzystorem mocy, który reguluje współczynnik wypełnienia (PWM) prądu przepływającego przez obciążenie rezystancyjne i uzwojenie prądnicy, a co za tym idzie, wpływa na średnią wartość prądu przepływającego przez obciążenie w czasie. Powoduje to zmianę obciążenia elektrycznego prądnicy. Układ oparty na mikroprocesorze sterowany jest za pomocą napisanej specjalnie do tego celu aplikacji komputerowej i pozwala na płynne dobieranie żądanych parametrów. Schemat blokowy stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 2 [1]. W ćwiczeniu prądnica obciążana jest z pominięciem elektronicznego sterowania obciążenia wprost rezystancją. Rys.2. Schemat blokowy zestawu do badania momentu obrotowego silnika elektrycznego[1] Pomiar wartości momentu obrotowego za pomocą bezstykowego czujnika DFM 2x2,5. Opiera się on magnetoindukcyjnej metodzie pomiarowej. Zasada działania czujnika DFM 2x2,5 opiera się na zjawisko magnetostrykcji bazującej na zmianie formy w zależności od namagnesowania. Efekt odwrotny do efektu Joule a, czyli EWA-1 2
zmiana namagnesowania przez zmianę formy (torsję) znajduje zastosowanie w czujnikach wg technologii FAST. Mechaniczne obciążenie (torsja) czujnika wywołuje zmianę wprowadzonego do materiału czujnika kodowania na poziomie mikroskopowym (cz. pierwotny). Zmiana kodowania magnetycznego podlega detekcji bezstykowo przez czujnik pola magnetycznego i przetworzona zostaje na sygnał użyteczny czujnika (cz. wtórny). Elementy składowe czujnika to: czujnik pierwotny - oś stalowa kodowana magnetycznie, czujnik wtórny - czujnik pola magnetycznego z elektroniką przetwornika [5]. 2. Zestaw aparatury zasilacz regulowany dwa silniki prądu stałego (GR 42x40) sprzężone czujnikiem momentu obrotowego (DFM 2x2,5), wyświetlacz czujnika momentu obrotowego (MD-100M), układ kluczowania PWM ( niewykorzystywany), układ obciążenia zestaw rezystorów, komputer z oprogramowaniem układu PWM i wyświetlacza ( niewykorzystywany), multimetry. 3. Zadania 3.1 Podłączyć układ badawczy według schematu (rys. 2). W zasilaczu ustawić napięcie zasilające zadane przez prowadzącego (4-24 V). Włączyć wyświetlacz, dokonać kalibracji i wyzerowania wskaźnika momentu obrotowego zgodnie z instrukcją obsługi wskaźnika MD100M. W trakcie kalibracji czujnika należy wpisać jego stałą kalibracyjną (czułość) parametry czujnika zamieszczone poniżej po uwadze p.3.4. 3.2 Podłączyć oscyloskop i woltomierz DC (zakres ponad 25V) do zacisków prądnicy i wykonać pomiar napięcia na prądnicy, momentu obrotowego, prąd zasilania i prędkość obrotów silnika nieobciążonego (obciążonego wyłącznie czujnikiem momentu obrotowego i silnikiem - prądnicą z rozwartymi elektrycznymi stykami) dla napięć zasilania od 4V do 24V co 4V. Obroty silnika należy określić na podstawie obserwowanych na oscyloskopie tętnień generowanych przez prądnicę. Zarejestrować w komputerze obraz tętnień widocznych na oscyloskopie. Należy uwzględnić fakt, iż dla jednego obrotu silnika kolektor przełącza 8 razy jego uzwojenia. Czujnik momentu obrotowego po każdym pomiarze ulega rozkalibrowaniu, z tego względu należy do pomiaru uwzględniać początkową wartość wskazywaną przy odłączonym zasilaniu silnika. Należy też, co jakiś czas, powtarzać proces zerowania wskaźnika. EWA-1 3
3.3 Powtórzyć pomiary jak w p. 3.2 przy obciążeniu prądnicy rezystorami: 100Ω, 50Ω, 20Ω, 10Ω, 5Ω i 1Ω. Zewrzeć na chwilę prądnicę i zmierzyć prąd i obciążenie silnika dla napięć 4V, 10V i 24V. 3.4 Ustawić na zasilaczu napięcie 4V, zatrzymać oś prądnicy i włączyć zasilanie silnika. Odczytać prąd i moment obrotowy (rozruchu) silnika. UWAGA pomiar może być wykonywany przez krótki czas do ok. 5s. Po dokonaniu odczytów odłączyć zasilanie silnika i puścić oś prądnicy. Czujnik momentu obrotowego: Model2200-2.5 Part No. 10050602/Rev.1 Ser. No. B11201272287 Calibration 652.91mV/Nm (885.34mV/1lb-ft) Nominal Torque 0 to 2.5Nm Maximum Overload 5.0Nm Degree of protection IP50 Suply Voltage Vcc 9-12V Signal Output at 0Nm (adjustable) 2.5V Nominal current In 4.8 8.8 ma 4. Opracowanie wyników. 4.1 Zamieścić tabelę pomiarów z p. 3.2 i 3.3. 4.2 Zaprezentować na wykresie wpływ napięcia i zasilania na obroty silnika nieobciążonego. 4.3 Zaprezentować wpływ momentu obrotowego na prąd i obroty silnika (rodzina charakterystyk dla poszczególnych napięć zasilania). 4.4 Oszacować moc mechaniczną dostarczaną do prądnicy oraz moc elektryczną wydzielaną na dołączanych rezystorach - dla poszczególnych napięć zasilania - zaprezentować: sprawność elektromechaniczną oraz elektryczno - elektryczną w funkcji momentu obrotowego. 4.5 Zamieścić uwagi i wnioski. 5. Literatura [1] Grabowski - Popow M., Szczodruch M., Układ do elektronicznej regulacji momentu obrotowego silnika elektrycznego, praca dyplomowa, PG., Wydz. ETI, Katedra Systemów Elektroniki Morskiej 2012, [2] Przepiórkowski I.J.: Silniki elektryczne w praktyce elektronika. Warszawa: BTC, 2007 [3] Instrukcja obsługi wyświetlacza MD-100M. [4] Instrukcja obsługi czujnika momentu obrotowego DFM 2x2,5. [5] Nowa technologia bezstykowego pomiaru momentu obrotowego, www.wobit.com.pl [6] Opis techniczny silnika GR 42x40, 20 W EWA-1 4
6. Załącznik Dane techniczne silnika elektrycznego Parametry silników Dunkermotor GR 42x40 wersja 24 V: Znamionowe napięcie zasilania [VDC] 24 Znamionowa prędkość [obr./min.] 3100 Znamionowy moment obrotowy [Ncm] 5,7 Znamionowy prąd [A] 1,2 Moment startowy [Ncm] 33 Prąd startowy [A] 5,68 Moc silnika [W] 20 Bezwładność rotora [gcm 2 ] 110 Masa silnika [g] 490 Wykres parametrów silnika GR 42x40 Dane techniczne oraz wykres parametrów pochodzą z noty katalogowej producenta Dunkermotoren. EWA-1 5