instrukcja

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
LABORATORIUM ELEKTRYCZNE
Układ LEONARDA.
(E – 20)
Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ
Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie możliwości regulacji prędkości obrotowej
silnika napędowego prądu stałego (w dużych granicach), oraz praktyczne
wyznaczenie wpływu zmian napięć zasilających i prądów wzbudzenia
poszczególnych maszyn układu Leonarda na prędkość obrotową silnika
napędowego.
1. Wprowadzenie.
2.1. Układ Leonarda I stopnia.
Regulacja prędkości obrotowej w bardzo szerokich granicach jest często
wymagana w różnych układach napędowych. Nabiera ona szczególnego
znaczenia, gdy chodzi o regulację prędkości silników dużej i największej mocy,
a w szczególności o regulację wielokrotnie powtarzaną w ciągu godziny.
Przykładem takich warunków pracy mogą być w górnictwie maszyny
wyciągowe, a w hutnictwie układy walcownicze. Spośród wielu względów,
jakie powinny być brane pod uwagę przy doborze typu silnika i najbardziej
właściwej metody regulacji, na pierwszym miejscu należy wymienić
zagadnienie ekonomiczności pracy układu. Z tych właśnie względów nie można
stosować w tych warunkach silnika asynchronicznego pierścieniowego z
regulacją prędkości za pomocą opornika w obwodzie wirnika lub silnika prądu
stałego z regulacją szeregową. Ponieważ regulacja bocznikowa nie zapewnia
regulacji w dół w zakresie prędkości do n = 0, dlatego też należy stosować
rozwiązania specjalne. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych specjalnych
elektromaszynowych układów regulacyjnych jest układ Leonarda.
Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie zasadnicze elementy układu
Leonarda I stopnia. Układ ten umożliwia uzyskanie w bardzo szerokim
zakresie, bardzo płynnej regulacji prędkości obrotowej urządzenia
napędzanego.
UWE
n
S
~
W
=
M
=
G
=
IFG
IFM
Rys.1. Schemat układu Leonarda pierwszego stopnia.
Regulację prędkości silnika napędowego M (silnik prądu stałego)
uzyskuje się w układzie Leonarda przez zmianę napięcia twornika prądnicy G
(UWE) zasilającej bezpośrednio silnik M lub przez zmianę jego prądu
wzbudzenia (IFM).
Bezpośrednie połączenie elektryczne ("na sztywno") twornika prądnicy
prądu stałego G z wirnikiem silnika prądu stałego M nosi nazwę "wału
elektrycznego". Analogia do wału w sensie fizycznym wynika z możliwości
przenoszenia przez „wał elektryczny” momentu mechanicznego.
Napięcie prądnicy (UWE) zmieniamy regulując rezystancję w obwodzie
prądu wzbudzenia prądnicy G – (IFG). Przełączenie biegunowości uzwojenia
wzbudzenia prądnicy G umożliwia zmianę kierunku wirowania silnika. Chcąc
uzyskać prędkości obrotowe – n większe niż występującą przy napięciu
znamionowym, zwiększamy rezystancję w obwodzie prądu wzbudzenia silnika
M. Stosowana regulacja polega na osłabieniu strumienia pola magnetycznego
silnika napędowego M. Zmniejszając opornikiem prąd wzbudzenia IFM
zmniejszamy wartość strumienia magnetycznego Φ silnika, zwiększając
jednocześnie jego prędkość obrotową – n (schematycznie RFM↑, IFM ↓, Ф↓, n↑).
Uzwojenia wzbudzenia wszystkich występujących w układzie maszyn
zasila (napędzana tym samym silnikiem trójfazowym – S) samowzbudna
prądnica bocznikowa prądu stałego – W nazywana wzbudnicą (lub czasami
przedwzbudnicą).
2.2. Układ Leonarda II stopnia.
W przypadku dużych i bardzo dużych mocy (MW) silnika napędzającego M
stosuje się pewną odmianę układu Leonarda tzw. układ Leonarda II stopnia
pokazany na rysunku 2 (zwany również kwadratowym układem Leonarda).
Układ ten pozwala ograniczyć prądy w obwodach rezystancji sterujących.
n
S
~
S1
~
M
=
G
=
W
GG
GM
=
=
=
Rys.2. Schemat układu Leonarda stopnia drugiego.
Regulację prędkości silnika napędzającego M uzyskujemy podobnie jak w
układzie Leonarda I stopnia. Prądnica – G i silnik – M są maszynami o
wzbudzeniu obcym i regulacja ich prądów wzbudzenia odbywa się teraz
bezpośrednio przez regulację napięć tworników prądnic pomocniczych
odpowiednio GG dla prądnicy i GM dla silnika. Napięcia tworników prądnic
pomocniczych GG i GM regulujemy jak uprzednio poprzez zmianę rezystancji w
ich obwodach wzbudzenia.
2. Badania i pomiary.
3.1. Określenie wielkości mierzonych.
Możliwości regulacji prędkości obrotowej w układzie Leonarda (I stopnia)
określimy dokonując pomiaru następujących wielkości:
UGW – napięcie twornika wzbudnicy,
IFW – prąd wzbudzenia wzbudnicy,
nW – prędkość obrotowa wzbudnicy ( napędzanej silnikiem
asynchronicznym trójfazowym ),
UWE – napięcie „wału elektrycznego” ( napięcie twornika prądnicy ),
IWE – prąd „wału elektrycznego” ( prąd silnika napędowego ),
IFG – prąd wzbudzenia prądnicy,
IFM – prąd wzbudzenia silnika napędowego,
nM – prędkość obrotowa silnika napędowego.
Na podstawie pomiarów wyznaczymy charakterystyki, przedstawiające
zależność prędkości obrotowej silnika napędowego – nM od prądów
wzbudzenia prądnicy i silnika oraz od napięcia wzbudnicy.
3.2. Schemat układu pomiarowego.
W celu określenia możliwości regulacyjnych prędkości obrotowej w układzie
Leonarda zestawiono układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 3.
L1 L2 L3
nM
A
S
~
W
=
G
=
A
A
V
Urządzenie
napędzane
M
=
A
V
Rys.3. Schemat układu
pomiarowego.
3.3. Przebieg ćwiczenia.
1. Odczytać i zapisać dane znamionowe maszyn układu Leonarda.
2. Wykonać pomiary prędkości obrotowej – nM w funkcji zmian napięcia
wzbudzenia – UGW przy stałej wartości rezystancji w obwodach
wzbudzenia prądnicy i silnika napędowego.
3. Wykonać pomiary prędkości obrotowej – nM w funkcji zmian prądu
wzbudzenia prądnicy – IFG przy stałej wartości napięcia wzbudzenia – UGW
i stałej wartości prądu wzbudzenia silnika napędowego – IFM.
4. Wykonać pomiary prędkości obrotowej – nM w funkcji zmian prądu
wzbudzenia silnika napędowego – IFM przy stałej wartości napięcia
wzbudzenia – UGW i stałej wartości prądu wzbudzenia prądnicy – IFG.
5. Wyniki pomiarów należy sukcesywnie notować w tabelach pomiarowych
(dane poniżej).
Lp.
UGW
[V]
IFW
nW
UWE
[ A ] [obr/min] [ V ]
IWE
[A]
IFG
[A]
IFM
nM
[ A ] [obr/min]
1
2
3
itd.
Tabele należy pobrać z ZAŁĄCZNIKA do instrukcji.
4. Opracowanie wyników pomiarów.
1. Sporządzić wykresy zależności:
·
·
·
nM = f(UGW) przy RFG = const. i RFM = const.,
nM = f(IFG) przy UGW = const. i IFM = const.,
nM = f(IFM) przy UGW = const. i IFG = const.,
2. Określić wpływ zmian wartości napięcia wzbudzenia, prądu wzbudzenia
prądnicy i prądu wzbudzenia silnika napędowego na wartość prędkości
obrotowej wału silnika napędowego.
5. Sprawozdanie.
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących
oraz datę wykonania ćwiczenia).
2.
3.
4.
5.
6.
Dane znamionowe maszyn (moc, napięcie, prąd, obroty, współczynnik mocy).
Schemat układu pomiarowego.
Tabele wyników pomiarowych.
Wykresy podanych (w pkt 4) zależności.
Uwagi i wnioski (dotyczące możliwości regulacji prędkości obrotowej w
układzie Leonarda, przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów
teoretycznych, poprawności metod pomiaru itp.).