Pomiar indukcji w maszynie prądu stałego

Badanie rozkładu pola magnetycznego w maszynie bocznikowej
prądu stałego
Ćwiczenie składa się z części
pomiarowej i części
obliczeniowej. Celem ćwiczenia
jest skonfrontowanie wiedzy
teoretycznej dotyczącej
konstrukcji i zasady działania
maszyny, z rzeczywistym
przykładem konstrukcji maszyny
bocznikowej i szczegółowe
poznanie funkcji, jakie spełniają
poszczególne elementy maszyny.
Przystępujący do wykonania
ćwiczenia powinni znać budowę
i zasadę działania maszyny.
W szczególności powinni:
- znać poszczególne odcinki
obwodu magnetycznego,
- umieć dokładnie określić
umiejscowienie poszczególnych
uzwojeń w maszynie,
- znać funkcje spełniane przez
poszczególne uzwojenia
i oznaczenia ich końcówek.
Część pomiarowa
Celem części pomiarowej
ćwiczenia jest wykonanie
rejestracji rozkładów indukcji w
szczelinie maszyny na obwodzie
twornika, przy zasilaniu
poszczególnych uzwojeń różnymi
wartościami prądu.
Badania przeprowadza się w
układzie połączeń pokazanych na
Rys.1.
Rys.1. Schemat połączeń do badania rozkładu pola magnetycznego
w maszynie bocznikowej prądu stałego.
Układ pomiarowy umożliwia rejestrację rozkładów składowej radialnej indukcji
w szczelinie silnika na obwodzie wirnika, w zakresie dwóch podziałek biegunowych,
począwszy od środka bieguna komutacyjnego.
Układ rejestracji składa się z:
- sondy hallotronowej,
- bloku zasilania hallotronu,
- dodatkowego wzmacniacza sygnału napięciowego sondy,
- przetwornika położenia kątowego sondy na sygnał napięciowy,
- przetworników prądowych i napięciowych do pomiaru prądów i napięć obwodów
twornika i wzbudzenia,
- wirtualnego przyrządu współpracującego z kartą przetworników A/C.
Układ pomiarowy rozkładu indukcji w szczelinie przedstawiony został na Rys.2.
Rys.2. Układ pomiarowy rozkładu indukcji w szczelinie.
Sonda hallotronowa zamocowana jest na wsporniku ułożyskowanym w osi maszyny. Daje
to możliwość przemieszczenia jej po łuku, równolegle do obwodu wirnika w zakresie 180o.
Sonda umieszczona jest w szczelinie silnika. Hallotron zasilany jest stabilizowanym prądem
sterującym 10 mA. Przy stałej wartości prądu sterującego sygnał ten zależy tylko od
składowej radialnej indukcji magnetycznej w szczelinie silnika. Sygnał pomiarowy jest
wstępnie wzmacniany. Przetworzenie położenia kątowego sondy na sygnał napięciowy
uzyskano przez sprzęgnięcie wspornika sondy z potencjometrem wieloobrotowym zasilanym
stabilizowanym napięciem z zasilacza.
W pierwszej kolejności zgodnie ze schematem pokazanym na Rys.1 należy wykonać
zgodnie z danym etapem pomiarów połączenia torów prądowych obwodu twornika, obwodu
biegunów komutacyjnych i obwodu wzbudzenia badanej maszyny. Uwaga! Pomiarów
dokonujemy przy zablokowanym wale maszyny. Zestaw przewodów pomiarowych
znajduje się na stanowisku laboratoryjnym.
Następnie należy załączyć komputer PC oraz zasilanie stołu laboratoryjnego. Logujemy
się jako użytkownik „labmasz”. Po zalogowaniu się do systemu operacyjnego załączamy
przetwornik analogowo-cyfrowy NI USB 6251, który zgłasza się komunikatem:
Okno komunikatu należy skasować
(Cancel). Następnie z poziomu pulpitu
wywołujemy aplikację „Indukcja” (pojawia
się okno wirtualnego przyrządu
pomiarowego)
Poniżej przedstawione zostało okno wirtualnego przyrządu.
Elementy wirtualnego przyrządu do wyznaczania rozkładu pola magnetycznego
w maszynie bocznikowej prądu stałego:
1 – Okno amperomierza – pomiar prądu twornika.
2 – Okno amperomierza – pomiar prądu wzbudzenia.
Okna te zostały powiększone w celu ułatwienia obserwacji z większej odległości. Po prawej
stronie prezentowane są wartości napięcia obwodu twornika/obwodu biegunów
komutacyjnych Ua/Ub oraz napięcie obwodu wzbudzenia Uf.
3 – Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej prądu twornika Ia). W zakładce
prezentowane jest widmo amplitudowe prądu twornika. Obok okna prezentowane są wartości
prądu twornika/obwodu biegunów komutacyjnych Ia/Ib.
4 – Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej prądu wzbudzenia If). W zakładce
prezentowane jest widmo amplitudowe prądu wzbudzenia. Obok okna prezentowane są
wartości prądu wzbudzenia If.
5 – Okno służące do prezentacji rozkładu indukcji w szczelinie maszyny prądu stałego:
- B = f(α), Ia = const, Ib = const., If = const.
6 – Panel sterowania zapisem danych pomiarowych do pliku.
przycisk „pomiar” – uruchomienie pomiaru i prezentacji przebiegu indukcji. Ponowne
wciśnięcie przycisku powoduje zatrzymanie rejestracji,
przycisk „Wszystko” – kasowanie pomiaru,
przycisk „STOP” – zatrzymanie pracy wirtualnego przyrządu.
7 – Wybór wyznaczanych przebiegów indukcji i parametryzujących je wielkości.
1) Badanie rozkładu indukcji przy zasilaniu uzwojenia wzbudzenia
W pierwszej kolejności załączamy układ przetworników pomiarowych MPS I i uruchamiamy
przyrząd wirtualny (kliknięcie myszką w strzałkę „start” na pasku górnym). W oknie
wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Rozkład indukcji przy zasilaniu uzwojenia
wzbudzenia”.
Następnie należy sprawdzić, czy wał maszyny jest zablokowany oraz zasilić obwód
wzbudzenia (zaciski E1 i E2). Pomiarów dokonujemy dla trzech różnych wartości prądu
wzbudzenia (na przykład: If1 = 0,8Ifn, If2 = Ifn, If3 = 1,2 Ifn). Przed dokonaniem pomiarów
wybieramy w oknie wirtualnego przyrządu odpowiednią opcję.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniach
wzbudzenia. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Napięcie wzbudzenia regulowane (w zakresie Umin =0V - Umax =240V) podawane jest
z autotransformatora współpracującego z układem prostowniczym. Należy zwrócić
szczególną uwagę, aby w chwili załączenia autotransformatora jego napięcie (regulowane
pokrętłem) ustawione było na wartość minimalną (skrajne lewe położenie pokrętła). Podczas
wykonywania pomiarów odpowiednią wartość prądu wzbudzenia uzyskujemy zwiększając
stopniowo napięcie autotransformatora. Po uzyskaniu żądanej wartości prądu wzbudzenia
naciskamy przycisk „POMIAR” (rejestracja sygnalizowana jest podświetleniem przycisku)
i ręcznie przemieszczamy sondę hallotronową ze skrajnego lewego do skrajnego prawego
położenia. Rozkład indukcji jest prezentowany w oknie graficznym wirtualnego przyrządu.
Po dokonaniu pomiaru należy powtórnym naciśnięciem przycisku „POMIAR” zakończyć
rejestrację.
Po wykonaniu pomiarów należy napięcie wzbudzenia zmniejszyć do zera. Wyniki
pomiarów zapisywane są odpowiednio do plików „ind1_wzb_e1.txt”, „ind1_wzb_e2.txt”
i „ind1_wzb_e3.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru
Korzystając z przesłanego pliku z danymi pomiarowymi należy na jednym wykresie
wykreślić przebiegi B = f(α) dla trzech różnych wartości prądu wzbudzenia oraz uzasadnić ich
kształt.
2) Badanie rozkładu indukcji przy zasilaniu uzwojenia twornika
W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Rozkład indukcji przy zasilaniu
uzwojenia twornika”.
Przy zablokowanym wale maszyny i wyłączonym zasilaniu obwodu wzbudzenia należy
zasilić obwód twornika (zaciski A1 i A2). Napięcie twornika regulowane (w zakresie
Umin =0V - Umax =240V) podawane jest z regulatora tyrystorowego poprzez opornik wodny
zwiększający rezystancję obwodu twornika. Załączenie rezystora wodnego następuje przez
przełączenie przełącznika w pozycję „Rw”.
W dalszej kolejności załączamy regulator napięcia twornika. Należy zwrócić szczególną
uwagę, aby w chwili załączenia regulatora tyrystorowego jego napięcie (regulowane
potencjometrem wieloobrotowym) ustawione było na wartość minimalną (skrajne lewe
położenie gałki potencjometru regulacyjnego). Do oceny napięcia twornika występującego na
zaciskach regulatora służy woltomierz kontrolny.
Podczas wykonywania pomiarów zwiększamy za pomocą potencjometru
wieloobrotowego napięcie twornika aż do osiągnięcia żądanej wartości prądu twornika Ia.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniu
twornika. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Po zakończeniu pomiarów należy napięcie twornika zmniejszyć do zera i wyłączyć
regulator tyrystorowy za pomocą przełączników „START/RUN” i „ENABLE”. Wyniki
pomiarów zapisywane są odpowiednio do plików „ind2_two_a1.txt”, „ind2_two_a2.txt”
i „ind2_two_a3.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru
Korzystając z przesłanego pliku z danymi pomiarowymi należy na jednym wykresie
wykreślić przebiegi B = f(α) dla trzech różnych wartości prądu twornika oraz uzasadnić ich
kształt.
3) Badanie rozkładu indukcji przy zasilaniu uzwojenia komutacyjnego
W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Rozkład indukcji przy zasilaniu
uzwojenia komutacyjnego”.
Przy zablokowanym wale maszyny i wyłączonym zasilaniu obwodu wzbudzenia należy
zasilić obwód biegunów komutacyjnych (zaciski B1 i B2). Napięcie regulowane (w zakresie
Umin =0V - Umax =240V) podawane jest z regulatora tyrystorowego poprzez opornik wodny
zwiększający rezystancję obwodu twornika. Załączenie rezystora wodnego następuje przez
przełączenie przełącznika w pozycję „Rw”.
W dalszej kolejności załączamy tyrystorowy regulator napięcia. Należy zwrócić
szczególną uwagę, aby w chwili załączenia regulatora tyrystorowego jego napięcie
(regulowane potencjometrem wieloobrotowym) ustawione było na wartość minimalną
(skrajne lewe położenie gałki potencjometru regulacyjnego). Do oceny napięcia
występującego na zaciskach regulatora służy woltomierz kontrolny.
Podczas wykonywania pomiarów zwiększamy za pomocą potencjometru
wieloobrotowego napięcie w obwodzie biegunów komutacyjnych aż do osiągnięcia żądanej
wartości prądu Ib.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniu
twornika. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Po zakończeniu pomiarów należy napięcie zasilania obwodu biegunów komutacyjnych
zmniejszyć do zera i wyłączyć regulator tyrystorowy za pomocą przełączników
„START/RUN” i „ENABLE”. Wyniki pomiarów zapisywane są odpowiednio do plików
„ind3_kom_b1.txt”, „ind3_kom_b2.txt” i „ind3_kom_b3.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru
Korzystając z przesłanego pliku z danymi pomiarowymi należy na jednym wykresie
wykreślić przebiegi B = f(α) dla trzech różnych wartości prądu obwodu biegunów
komutacyjnych oraz uzasadnić ich kształt.
4) Badanie rozkładu indukcji przy zasilaniu połączonych szeregowo uzwojeń
twornika i komutacyjnego
W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Rozkład indukcji przy zasilaniu
uzwojenia twornika i komutacyjnego”.
Przy zablokowanym wale maszyny i wyłączonym zasilaniu obwodu wzbudzenia należy
zasilić obwód twornika i obwód biegunów komutacyjnych (szeregowo połączone zaciski
A1 i A2 oraz zaciski B1 i B2). Napięcie twornika regulowane (w zakresie Umin =0V - Umax
=240V) podawane jest z regulatora tyrystorowego poprzez opornik wodny zwiększający
rezystancję obwodu twornika. Załączenie rezystora wodnego następuje przez przełączenie
przełącznika w pozycję „Rw”. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby w chwili załączenia
regulatora tyrystorowego jego napięcie ustawione było na wartość minimalną. Do oceny
napięcia występującego na zaciskach regulatora tyrystorowego służy woltomierz kontrolny.
Podczas wykonywania pomiarów zwiększamy za pomocą potencjometru
wieloobrotowego napięcie twornika aż do osiągnięcia żądanej wartości prądu
twornika Ia i obwodu uzwojenia komutacyjnego Ib.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniu
twornika. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Po zakończeniu pomiarów należy napięcie zasilania obwodu twornika i biegunów
komutacyjnych zmniejszyć do zera i wyłączyć regulator tyrystorowy za pomocą
przełączników „START/RUN” i „ENABLE”. Wyniki pomiarów zapisywane są odpowiednio
do plików „ind4_twk_c1.txt”, „ind4_twk_c2.txt” i „ind4_twk_c3.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru
Korzystając z przesłanego pliku z danymi pomiarowymi należy na jednym wykresie
wykreślić przebiegi B = f(α) dla trzech różnych wartości prądu obwodu twornika i biegunów
komutacyjnych oraz uzasadnić ich kształt.
5) Badanie wpływu reakcji twornika na rozkład pola wytworzonego przez bieguny
główne bez zasilania uzwojenia komutacyjnego
W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Rozkład indukcji przy zasilaniu
uzwojeń wzbudzenia i twornika”.
Przy zablokowanym wale maszyny i wyłączonym zasilaniu obwodu wzbudzenia należy
zasilić obwód twornika (zaciski A1 i A2) oraz obwód wzbudzenia (zaciski E1 i E2). Napięcie
twornika regulowane (w zakresie Umin =0V - Umax =240V) podawane jest z regulatora
tyrystorowego poprzez opornik wodny zwiększający rezystancję obwodu twornika.
Załączenie rezystora wodnego następuje przez przełączenie przełącznika w pozycję „Rw”.
Napięcie wzbudzenia regulowane (w zakresie Umin =0V - Umax =240V) podawane jest
z autotransformatora współpracującego z układem prostowniczym. Należy zwrócić
szczególną uwagę, aby w chwili załączenia zarówno regulatora tyrystorowego jak
i autotransformatora jego napięcie w obu wypadkach ustawione było na wartość minimalną.
Do oceny napięcia występującego na zaciskach regulatora tyrystorowego służy woltomierz
kontrolny.
W pierwszej kolejności ustalamy wartość prądu wzbudzenia, np. równą nominalnemu
prądowi wzbudzenia Ifn. Następnie zwiększając napięcie w obwodzie twornika (regulator
tyrystorowy) ustalamy żądaną wartość prądu twornika Ia.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniu
twornika. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Po zakończeniu pomiarów należy napięcie zasilania obwodu twornika i obwodu
wzbudzenia zmniejszyć do zera i wyłączyć regulator tyrystorowy za pomocą przełączników
„START/RUN” i „ENABLE”. Wyniki pomiarów zapisywane są odpowiednio do plików
„ind5_tww_g1.txt”, „ind5_tww_g2.txt” i „ind5_tww_g3.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru
Korzystając z przesłanego pliku z danymi pomiarowymi należy na jednym wykresie
wykreślić przebiegi B = f(α) dla trzech różnych wartości prądu obwodu twornika oraz
uzasadnić ich kształt.
6) Badanie wpływu reakcji twornika na rozkład pola wytworzonego przez bieguny
główne z zasilonym uzwojeniem komutacyjnym
W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Rozkład indukcji przy zasilaniu
uzwojeń wzbudzenia, twornika i komutacyjnego”.
Przy zablokowanym wale maszyny i wyłączonym zasilaniu obwodu wzbudzenia należy
zasilić szeregowo połączony obwód twornika i obwód biegunów komutacyjnych (zaciski A1
i A2 oraz B1 i B2) oraz obwód wzbudzenia (zaciski E1 i E2). Napięcie twornika regulowane
(w zakresie Umin =0V - Umax =240V) podawane jest z regulatora tyrystorowego poprzez
opornik wodny zwiększający rezystancję obwodu twornika. Załączenie rezystora wodnego
następuje przez przełączenie przełącznika w pozycję „Rw”. Napięcie wzbudzenia regulowane
(w zakresie Umin =0V - Umax =240V) podawane jest z autotransformatora współpracującego
z układem prostowniczym. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby w chwili załączenia
zarówno regulatora tyrystorowego jak i autotransformatora jego napięcie w obu wypadkach
ustawione było na wartość minimalną. Do oceny napięcia występującego na zaciskach
regulatora tyrystorowego służy woltomierz kontrolny. W pierwszej kolejności ustalamy
wartość prądu wzbudzenia, np. równą nominalnemu prądowi wzbudzenia Ifn. Następnie
zwiększając napięcie w obwodzie twornika (regulator tyrystorowy) ustalamy żądaną wartość
prądu twornika Ia i obwodu biegunów komutacyjnych Ib.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniu
twornika. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Po zakończeniu pomiarów należy napięcie zasilania obwodu twornika i obwodu
wzbudzenia zmniejszyć do zera i wyłączyć regulator tyrystorowy za pomocą przełączników
„START/RUN” i „ENABLE”. Wyniki pomiarów zapisywane są odpowiednio do plików
„ind6_tkw_h1.txt”, „ind6_tkw_h2.txt” i „ind6_tkw_h3.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru
Korzystając z przesłanego pliku z danymi pomiarowymi należy na jednym wykresie
wykreślić przebiegi B = f(α) dla trzech różnych wartości prądu obwodu twornika oraz
uzasadnić ich kształt.
Informacje dodatkowe
Po zakończeniu sesji pomiarowej (pracy w laboratorium) należy wydrukować protokół
z nazwami plików z danymi pomiarowymi. Same dane pomiarowe nie są drukowane z uwagi
na znaczną ich ilość. W tym celu korzystamy z przycisku „Drukuj” w panelu sterowania
zapisem informacji o zrealizowanych pomiarach. Na wydrukowanym protokole należy
wprowadzić informację o wartościach prądów w poszczególnych obwodach badanej maszyny.
Pojawia się okno:
które należy uzupełnić nazwiskami osób
wykonujących ćwiczenie. Po wypełnieniu
odpowiednich pól uruchamiamy drukowanie
przyciskiem „OK”. Pojawia się podgląd
wydruku do akceptacji. Wydrukowany
protokół pomiarów jest do odbioru
u laboranta.
Po wylogowaniu wszystkie pliki z danymi pomiarowymi są kasowane. Dlatego też przed
zamknięciem sesji pomiarowej należy je przenieść do bezpiecznej lokalizacji. Jest nią
dowolna skrzynka pocztowa. Dostęp do plików pomiarowych (tylko poprzez pocztę e-mail)
uzyskuje się uruchamiając aplikację „MPS – wysyłanie danych”:
Po uruchomieniu aplikacji (kliknięcie
myszką w strzałkę „start” na pasku górnym)
pojawia się okno z listą utworzonych
podczas pracy w laboratorium plików
pomiarowych (wraz z ich rozmiarem).
W polu adresat należy wpisać własny adres
e-mail.
Pomiary realizowane są za pomocą wirtualnego przyrządu w skład, którego wchodzą:
a) Układ czujników/przetworników I/U oraz U/U zapewniających separację galwaniczną
pomiędzy obwodem wejściowym (mierzonym prądem i napięciem) i wyjściowym
(sygnałem pomiarowym). Maksymalna amplituda sygnału pomiarowego została
dostosowana do zakresu napięciowego wejść przetwornika cyfrowo-analogowego.
Wymagania te spełniają przetworniki napięciowe i prądowe typu LEM. Schemat
przetwornika napięcie/napięcie typu LV 25-P o napięciu znamionowym 10V – 500V
został przedstawiony na Rys.3, a schemat przetwornika prąd/napięcie typu LA 100-P
o prądzie znamionowym 100 A został przedstawiony na Rys.4.
Rys.3. Woltomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LV 25-P.
Iw – prąd strony wtórnej przetwornika. Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp.
Rys.4. Amperomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LA 100-P.
Iw – prąd strony wtórnej przetwornika. Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp.
Dwa czujniki prądowe (czujnik LA 100-P o zmodyfikowanym zakresie 0 – 50A DC
do pomiaru prądu twornika oraz czujnik LA 25-NP DC do pomiaru prądu wzbudzenia)
i dwa czujniki napięciowe (o zakresie podstawowym 10 – 400V AC) umieszczone są
w jednej obudowie wyposażonej w układy zasilania przetworników, zestaw zacisków
prądowych i napięciowych oraz zestaw gniazd wyjściowych BNC sygnału pomiarowego.
Na Rys.5 przedstawione zostało rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz
gniazd sygnału pomiarowego. Zaznaczone zostały pary zacisków tworzące tor pomiarowy
odpowiednio prądowy i napięciowy skojarzony z właściwym gniazdem sygnału
pomiarowego.
Rys.5. Rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd sygnału pomiarowego
b) Przetwornik analogowo-cyfrowy. Do pomiarów zastosowano przetwornik NI USB 6251
wyposażony w kartę przetwornika A/C o następujących danych technicznych:
- magistrala przesyłu danych – USB,
- 16 wejść analogowych pojedynczych/8 wejść analogowych różnicowych,
- maksymalna częstotliwość próbkowania – 1,25·106 S/s,
- maksymalny zakres napięć wejściowych przetwornika A/C – ± 10 V,
- rozdzielczość – 16 bitów.
Sygnał pomiarowy z gniazd BNC przetworników I/U, U/U, sondy hallotronowej
i przetwornika położenia kątowego podawany jest za pomocą kabli BNC na odpowiednie
wejścia terminala BNC-211 współpracującego z przetwornikiem NI USB 6251.
c) Czujnik hallotronowy wraz ze wzmacniaczem o następujących danych znamionowych:
- stała przetwarzania 26,5 V/A·T,
- prąd zasilania 10 mA.
d) Przetwornik położenia kątowego na napięcie o następujących parametrach:
- Rezystancja czujnika – 10 kΩ,
- nieliniowość – 0,3%,
- stała przetwarzania – 0,0025 V/deg,
- zasilanie 9 V.
e) Oprogramowanie pomiarowe nadzorujące pracę przetwornika analogowo-cyfrowego,
odpowiedzialne za akwizycję danych pomiarowych, przetwarzanie danych pomiarowych
i wizualizację pomiarów. Program pomiarowy (wirtualny przyrząd pomiarowy) został
zrealizowany za pomocą oprogramowania narzędziowego LabView firmy National
Instruments.
W układzie pomiarowym mierzone są chwilowe wartości prądu fazowego i napięcia
fazowego badanego silnika indukcyjnego. Na podstawie wartości chwilowych
zarejestrowanych w czasie 200 ms (a więc czasie trwania 4 okresów napięcia
zasilającego) obliczana jest z definicji odpowiednio wartość średnia prądów i napięć
zgodnie z zależnością:
X =
1
T
t0 +T
∫ x(t )dt =
t0
1 N
∑ x( n) .
N n =1
(1)
gdzie: T – okres analizowanego sygnału,
x(t) – wartość chwilowa sygnału pomiarowego,
N – ilość próbek sygnału,
x(n) – zdyskretyzowany w czasie i amplitudzie sygnał pomiarowy.
Instrukcja jest uzupełnieniem skryptu: Grzegorz Kamiński, Janusz Kosk, Włodzimierz Przyborowski
Laboratorium Maszyn Elektrycznych
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
Warszawa 2005
instrukcję opracował Adam Biernat, Warszawa, wrzesień 2012
Część obliczeniowa
Celem tej części
ćwiczenia laboratoryjnego jest porównanie wybranych,
zarejestrowanych przebiegów rozkładu indukcji w szczelinie powietrznej silnika,
z odpowiadającymi im przebiegami uzyskanymi z obliczeń. Przebiegi obliczeniowe
wyznaczono na podstawie rozkładu pola magnetycznego, obliczonego w przekroju
poprzecznym maszyny, przy takich samych jak przy pomiarach parametrach zasilania (prądy,
uzwojenia).
Graficzne przedstawienie rozkładu pola magnetycznego w przekroju silnika w postaci
linii sił, jest istotnym uzupełnieniem potrzebnym do wyjaśnienia i uzasadnienia
zarejestrowanych przebiegów rozkładu indukcji w szczelinie oraz do poznania funkcji, jakie
spełniają poszczególne elementy konstrukcji maszyny.
Do lepszego zrozumienia budowy i zasady działania maszyny może przyczynić się
przedstawienie, omówienie i wyjaśnienie przebiegów rozkładów indukcji nie tylko
w szczelinie powietrznej, gdzie rozkłady te można zarejestrować, ale również w innych
obszarach obwodu magnetycznego, w których rejestracja przebiegów jest niemożliwa np. w:
- jarzmie twornika,
- strefie zębowej twornika,
- obszarze biegunów stojana,
- jarzmie stojana.
Obliczenie rozkładu pola magnetycznego w badanej maszynie
Obliczenie rozkładu pola w przestrzeni badanej maszyny uproszczono do wyznaczenia
pola w przekroju poprzecznym maszyny zakładając, że zmienność pola w kierunku osiowym
jest małoistotna. W związku z tym zadanie polowe sprowadzono do wyznaczenia rozkładu
jednej składowej wektorowego potencjału magnetycznego w przekroju maszyny. W tym celu
zastosowano metodę elementów skończonych MES pozwalającą na wyznaczenie potencjału
w wybranych punktach – węzłach rozpatrywanego obszaru. Metoda ta umożliwia
rozwiązywanie problemów w obszarach o skomplikowanych kształtach, dowolnych
niejednorodnościach z uwzględnieniem nieliniowych własności materiałów. Przy
zastosowaniu profesjonalnego programu zorientowanego na modelowanie maszyn i urządzeń
elektrycznych PC-OPERA zbudowano dwuwymiarowy model umożliwiający obliczenie
rozkładu pola w przekroju poprzecznym badanej maszyny. Szczegóły związane z etapami
budowy modelu zawarto w dodatku.
Ćwiczącym udostępniono wyniki obliczeń rozkładu pola przy zasilaniu prądami
znamionowymi uzwojeń:
- wzbudzenia – w katalogu C:\Program Files\Opera-model_MPS\JALOWY
- twornika – w katalogu C:\Program Files\Opera-model_MPS\ODTWOR
- wzbudzenia, twornika i komutacyjnego – w katalogu C:\Program Files\Operamodel_MPS\PRACA.
W każdym katalogu znajdują się następujące pliki:
- pliki wchodzące w skład modelu tzn. trzy pliki o nazwie katalogu i rozszerzeniach:
op2 – model, zawierający parametry geometrii i własności materiałów;
mes – dyskretyzacja, zawierający parametry siatki trójkątnej;
st – wyniki, zawierający wartości potencjału magnetycznego w węzłach siatki;
res – raport z pracy solvera PC Opery, wygenerowany podczas rozwiązania modelu
polowego maszyny prądu stałego;
- pliki z rozszerzeniem comi zawierające komendy interpretera pre i post procesora PC
Opera, które umożliwiają graficzną prezentację wyników w postaci wykresów linii sił pola
w przekroju silnika oraz wykresy składowej radialnej lub modułu indukcji magnetycznej
wzdłuż łuku o odpowiednim promieniu;
- plik z rozszerzeniem bat, którego uruchomienie spowoduje kolejne wyświetlanie
odpowiednich wykresów
Wśród plików z rozszerzeniem comi, znajdują się pliki o nazwach:
- Rozklad– wykresy linii sił pola w przekroju całej maszyny i w obszarze jednego bieguna
- Jarzmot– wykresy składowej radialnej lub modułu indukcji magnetycznej wzdłuż łuków
o promieniach: r1=45, r2=35, r3=25 mm w zakresie jednego bieguna
- Zeby– wykresy składowej radialnej lub modułu indukcji magnetycznej wzdłuż łuków
o promieniach: r1=50, r2=65, r3=74.5 mm w zakresie jednego bieguna
- Szczel– wykresy składowej radialnej lub modułu indukcji magnetycznej wzdłuż łuków
o promieniach: r1=75.5, r2=76.5, r3=77.5 mm w zakresie jednego lub dwóch biegunów
- Biegun– wykresy składowej radialnej lub modułu indukcji magnetycznej wzdłuż łuków
o promieniach: r1=130, r2=90, r3=78.5 mm w zakresie jednego bieguna
- Jarzmos– wykresy składowej radialnej lub modułu indukcji magnetycznej wzdłuż łuków
o promieniach: r1=138, r2=143, r3=148 mm w zakresie jednego bieguna
Pliki powyższe pełnią funkcje makropoleceń, które są używane w pliku sterującym.
W katalogu Ustaw_Model_MPS, dostępnym na pulpicie znajduje się plik sterujący,
o nazwie makropolecenia. Standardowo plik sterujący uruchamia makropolecenia Rozklad
i Szczel. Poddając edycji plik sterujący można łatwo zmieniać uruchamiane makropolecenia
i tym samym zakres oglądanych wykresów. Znak / przed makropoleceniem, powoduje jego
anulowanie.
Zadania dla ćwiczących:
1. Obejrzenie rozkładów pola magnetycznego w przekroju silnika w postaci linii sił oraz
omówienie dróg zamykania się pola magnetycznego w rozpatrywanych przypadkach zasilania
uzwojeń.
2. Porównanie wybranych, zarejestrowanych przebiegów rozkładu indukcji w szczelinie
powietrznej silnika, z odpowiadającymi im przebiegami obliczonymi na podstawie rozkładu
pola magnetycznego, wyznaczonego w przekroju poprzecznym maszyny, przy takich samych
(jak przy pomiarach) prądach w odpowiednich uzwojeniach.
3. Sporządzenie załącznika do protokołu, do którego należy skopiować i opisać rozkłady
pola w postaci linii sił w przekroju poprzecznym maszyny oraz wykresy indukcji w szczelinie
dla rozpatrywanych przypadków zasilania uzwojeń.
Przebieg ćwiczenia:
Po załączeniu komputera PC, logujemy się do systemu jako użytkownik "labmasz".
W celu obejrzenia obliczonych rozkładów pola magnetycznego w przekroju silnika, w postaci
linii sił oraz wybranych przebiegów rozkładu indukcji w szczelinie powietrznej silnika
ustalamy aktywne makropolecenia w pliku makropolecenia.comi, położonym
w katalogu Ustaw_Model_MPS (znak / przed makropoleceniem powoduje jego anulowanie,
minimalny zakres prezentacji wyników obliczeń zapewnia uruchomienie makropoleceń
Rozklad i Szczel.), następnie należy uruchomić skróty położone na pulpicie: jalowy_MPS,
odtwor_MPS i praca_MPS. Spowoduje to uruchomienie preprocesora PC Opera, który
rozpocznie interpretację pliku sterującego i wygenerowanie określonych wykresów. W oknie
konsoli programu PC Opery, wyświetlą się informacje o kolejnej operacji postprocesora, po
każdym wykresie program zatrzymuje się do czasu kliknięcia myszką przycisku "OK". Po
obejrzeniu wszystkich przygotowanych wykresów, rysunki określone w makropoleceniach,
zostaną zapisane do katalogu Pomiary\Model_MPS. Nazwy wykresów dotyczące
poszczególnych stanów maszyny zostały rozróżnione poprzez dodanie na końcu znaków: "_j"
dla stanu jałowego, "_o" - pole od twornika, "_p" - stanu pracy maszyny.
Po wylogowaniu wszystkie pliki z wykresami są kasowane. Dlatego też przed
zamknięciem sesji obliczeniowo prezentacyjnej, należy je przenieść do bezpiecznej
lokalizacji. Jest nią dowolna skrzynka pocztowa. Dostęp do plików pomiarowych (tylko
poprzez pocztę e-mail) uzyskuje się uruchamiając aplikację „Model_MPS – wysyłanie
danych”:
Po uruchomieniu aplikacji (kliknięcie
myszką w strzałkę „start” na pasku górnym)
pojawia się okno z listą utworzonych
podczas pracy w laboratorium plików
pomiarowych (wraz z ich rozmiarem).
W polu adresat należy wpisać własny adres
e-mail.
Opracował: J. Szczypior A. Biernat 2004
Zmiany R.Jakubowski 2012