Badanie bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami

Badanie bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi (BLDCM) Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania oraz sterowaniem bezszczotkowego silnika prądu stałego z magnesami trwałymi (BLDCM). 1.
Opis sterownika silnika BLDCM Zastosowany w układzie sterowania pracą silnika BLDCM układ falownika pokazano na rysunku 1. Falownik umożliwia pracę lewo‐prawo układu napędowego. Możliwa jest zmiana kierunku wirowania w trakcie pracy silnika (układ cztero‐kwadrantowy). Czas rozruchu, hamowania jest programowany. Istnieje możliwość zatrzymywania silnika wybiegiem przy pracy jednokowrunkowej. Przy pracy nawrotnej występuje konieczność dołączenia dodatkowego rezystora Rh w obwód pośredniczącym na którym wytracana jest energia odzyskiwana w procesie hamowania. Falownik do detekcji położenia wirnika wykorzystuje informację z enkodera absolutnego zamontowanego na wale silnika. Rys.1. Widok falownika wektorowego MC710 Na rysunku 2 pokazano widok panelu sterującego z zaznaczeniem podstawowych funkcji. Panel sterujący układu służy do ciągłego przeglądu wielkości procesu (np. częstotliwość wyjściowa, prąd silnika), kontroli pracy układu (START / STOP, zmiana zadajnika, kasowanie zgłoszenia awarii) oraz do przeglądu i zmiany parametrów przemiennika. Falownik pozwala zmieniać częstotliwość przełączeń fkomw zakresie od 0 do 50Hz co odpowiada prędkości znamionowej silnika nN=1500obr/min tj. (1) gdzie p jest liczbą par biegunów wirnika. W danym przypadku p wynosi 2. Rys.2. Widok panelu sterującego, podstawowe funkcje Falownik umożliwia tylko pracę w zamkniętym układzie regulacji prędkości obrotowej, przy czym regulacja prędkości obrotowej możliwa jest w pierwszej strefie regulacji (praca przy stałym momencie). Nie umożliwia pracy w drugiej strefie regulacji (praca przy stałej mocy). Układ regulacji
wyposażony jest w regulator typu PID (Proporcjonalno-Całkująco-Różniczkujący). Regulator służy do stabilizacji
na określonym poziomie dowolnego parametru procesu (rys. 3).
Rys. 3. Schemat układu regulacji Częstotliwość nośna tranzystorów w układzie mocy jest ustawiana, ale nie może być zmieniana w trakcie pracy falownika. Przy ustawieniu fabrycznym wynosi ona 10 kHz. Falownik sygnalizuje stan awaryjny świeceniem czerwonej diody oraz wyświetleniem komunikatu (rys.4). Po wystąpieniu awarii silnik zostaje zatrzymany. Ponowne uruchomienie falownika jest możliwe po usunięciu przyczyny awarii oraz skasowaniu informacji o wystąpieniu błędu. Ręczne kasowanie błędu polega na przyciśnięciu przez okres około 2s przycisku STOP/RESET. Rys.4. Przykładowy komunikat o awarii 2.
Dane znamionowe maszyn W ćwiczeniu w skład zestawu maszynowego wchodzą: 2.1.Silnik BLDC o parametrach technicznych: Rodzaj pracy S1 Napięcie zasilania falownika: 400V AC Moc znamionowa: 4 kW Częstotliwość znamionowa: 50 Hz Prąd znamionowy silnika: 13,5A Sprawność znamionowa silnika: 89% Znamionowa prędkość obrotowa: 1500 obr/min Moment znamionowy: 25,5 Nm Przeciążalność chwilowa: 3 2.2.Maszyna prądu stałego o parametrach technicznych: Rodzaj pracy S1 Napięcie znamionowe: 440V DC Moc znamionowa: 5,5 kW Prąd znamionowy silnika: 14,5A DC Prąd znamionowy wzbudzenia: 1,38A DC Znamionowa prędkość obrotowa: 1540 obr/min 3. Program ćwiczenia 3.1
3.2
Zapoznanie się z podstawowymi danymi zastosowanych w układzie maszyn Połączyć układ pomiarowy wg schematu zamieszczonego na rysunku 5. L1
L2
L3
W1
L1* L2* L3*
Miernik
parametrow
sieci 10A
L1 L2 L3
+
Czerokanałowy
oscyloskop cyfrowy
-
U dc
Sham
Rham
A
U
A1
~230 V
Falownik
Imax=25A
+
V
F1
F2
G
TM
V
W
M
E<200V
-
A
A2
+
-
V
4D
~
Atr
~230V
Rys.5. Schemat układu pomiarowego 3.3
3.4
Uruchomienie układu Obserwacja i rejestracja przebiegów czasowych w stanach ustalonych Ustawić częstotliwość znamionową (f=50Hz) i uruchomić silnik. Ustawić na oscyloskopie podstawę czasu równą 10ms. Dokonać rejestracji przebiegów czasowych prądu pobieranego z sieci zasilającej i1, prądu jednego z pasm silnika is1 oraz napięcia międzypasmowego podawanego na silnik us12 w dwóch przypadkach:  Przy prądzie obciążenia prądnicy równym Iobc=0A (praca na biegu jałowym)  Przy prądzie obciążenia prądnicy równym Iobc=15A (praca z obciążeniem) 3.5
Obserwacja i rejestracja przebiegów czasowych w stanach przejściowych Ustawić częstotliwość znamionową (f=50Hz) i uruchomić silnik. Ustawić na oscyloskopie podstawę czasu równą 500ms. Dokonać rejestracji przebiegów czasowych prędkości obrotowej silnika n, prądu pobieranego z sieci zasilającej i1, prądu jednego z pasm silnika is1 oraz napięcia międzypasmowego podawanego na silnik us12 w trzech przypadkach:  przy rozruch silnika  przy zatrzymywaniu silnika  przy zmianie kierunku wirowania. Rejestrację przeprowadzać przy braku obciążenia prądnicy prądu stałego. 3.6
Wyznaczanie charakterystyk ruchowych badanego silnika BLDC przy: 3.6.1 f=50 Hz 3.6.2 f=40 Hz 3.6.3 f=30 Hz 3.6.4 f=20 Hz Dla każdego przypadku zmieniać obciążenie prądnicy w zakresie od 0 do około 15A (około 10‐12 pomiarów). Dla każdego obciążenia zapisywać następujące parametry: ustawioną częstotliwość na falowniku fkom, wartość skuteczna prądu pobieranego z sieci I1rms (oscyloskop cyfrowy), wartość skuteczna prądu pobieranego przez silnik Is1rms (oscyloskop cyfrowy), moc czynną P1 pobieraną z sieci zasilającej (miernik parametrów sieci), współczynnik mocy cos (miernik parametrów sieci) oraz napięcie proporcjonalne UTLdo momentu obciążenia (multimetr cyfrowy). Na podstawie wyników badań narysować następujące zależności: n=f(TL), I1rms=f(TL), Is1rms=f(TL), cos=f(TL), =f(TL). 3.7
Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej Ustawić częstotliwość na falowniku równą fkom=20Hz oraz obciążyć prądnicę prądem np. 14A. Zwiększać częstotliwość na falowniku ze skokiem co 5Hz aż do osiągnięcia wartości znamionowej. Dla każdej ustawionej częstotliwości zmieniać obciążenie tak, aby prąd obciążenia (lub napięcie proporcjonalne do momentu obciążenia) miał taką samą wartość oraz zapisywać następujące parametry: ustawioną częstotliwość na falowniku fkom, wartość skuteczna prądu pobieranego z sieci I1rms (oscyloskop cyfrowy), wartość skuteczna prądu pobieranego przez silnik Is1rms (oscyloskop cyfrowy), moc czynną P1 pobieraną z sieci zasilającej (miernik parametrów sieci), współczynnik mocy cos (miernik parametrów sieci) oraz napięcie proporcjonalne UTLdo momentu obciążenia (multimetr cyfrowy). Na podstawie wyników badań narysować następujące zależności: n=f(Pout), I1rms=f(Pout), Is1rms=f(Pout), cos=f(Pout), =f(Pout). 3.8 Opracowanie wyników pomiarów Moment obciążenie wyznaczamy z zależności: ∗
(2) gdzie: cT=25,5 mV/Nm. Moc wyjściową Pout wyznaczamy z zależności: ∗
,
(3) Sprawność ogólną układu napędowego  wyznaczmy z zależności: 
∙ 100 (4)