Temat ćwiczenia: WŁASNOŚCI OBCIĄŻONEGO SILNIKA

Ćwicz. 1
Elementy wykonawcze
EWA/SMO
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
25/03/2016
Ćwicz. 1
Elementy wykonawcze
EWA/SMO
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. Schemat blokowy stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 2
[1]. W ćwiczeniu prądnica obciążana jest wprost rezystancją.
Display
silnik
czujnik momentu obrotowego
prądnica
oscyloskop
zasilacz
regulowany
woltomierz
obciążenie
(oporniki)
komputer
Rys.2. Schemat blokowy zestawu do badania momentu obrotowego silnika elektrycznego[1]
Pomiar wartości momentu obrotowego dokonuje się za pomocą bezstykowego czujnika
DFM 2x2,5. Jego działanie opiera się na wykorzystaniu magnetoindukcyjnej metody pomiarowej
tj. zjawiska magnetostrykcji. 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].
EWA-1
2
25/03/2016
Ćwicz. 1
Elementy wykonawcze
EWA/SMO
2. Zestaw aparatury
 zasilacz regulowany
 dwa silniki prądu stałego (GR 42x40) sprzężone czujnikiem momentu obrotowego
(DFM 2x2,5) – tworzących układ silnik prądnica,
 wyświetlacz czujnika momentu obrotowego (MD-100M),
 układ obciążenia – zestaw rezystorów,
 komputer z oscyloskopem
 multimetr.
3. Zadania
3.1
Podłączyć układ badawczy według schematu (rys. 2).
Ustawić napięcie zasilające 4V (zasilacz regulowany).
Włączyć wyświetlacz, dokonać kalibracji i wyzerowania wskaźnika momentu obrotowego
zgodnie z instrukcją obsługi wskaźnika MD100M. W trakcie kalibracji czujnika należy
wpisać jego stałą kalibracyjną
– parametry czujnika zamieszczone są poniżej - p. 3.4.
Zadeklarować czułość czujnika 1 Ncm (w parametrze: jednostki ustawiamy 1 – skrócona
instrukcja).
3.2
Do zacisków prądnicy podłączyć oscyloskop i woltomierz (zakres ponad 25V). Dokonać
pomiarów napięcia na prądnicy, momentu obrotowego, prądu zasilania i prędkości obrotów
silnika w następujących wariantach:
1) - silnik nieobciążony (prądnica - rozwarte zaciski)- napięcie zasilania: 4, 6, 8, 10, 15,
20, 24V.
Prędkość obrotową silnika wyznacza się na podstawie tętnień obserwowanych na
oscyloskopie – na jeden obrót przypada osiem okresów tętnień.
Czujnik momentu obrotowego po każdym pomiarze ulega rozkalibrowaniu, z tego względu
należy za każdym razem uwzględniać początkową wartość wskazywaną przy odłączonym
zasilaniu silnika.
Należy też, co jakiś czas, powtarzać proces zerowania wskaźnika.
2) - analogicznie jak poprzednio p.1) dokonać pomiarów dla obciążenia prądnicy
opornikiem: 1.95, 3.9, 6.8, 13.6, 21.4 i 24,7(razem 42 pomiary).
Zarejestrować w komputerze (przykładowo wybrany) obraz tętnień widocznych na
oscyloskopie wraz z poprawnie ustawionymi markerami.
Wyniki pomiaru powinny być zapisane tabeli.
Poniżej pokazany jest przykład takiej tabeli
EWA-1
3
25/03/2016
Ćwicz. 1
Elementy wykonawcze
EWA/SMO
Tabela nr 1
Wyniki pomiaru obrotów i momentu obrotowego silnika w funkcji obciążenia i napięcia
zasilania
Uzasilania[V]
3.3
Izasilania (A)
Uprądnica[V]
Robc []
Prędkość
obrotowa silnika
[n/s]
Moment
obrotowy
[Ncm]
Zewrzeć na chwilę zaciski prądnicy i dokonać pomiaru prądu zasilania i momentu
obrotowego w funkcji napięcia zasilania dla Uz równego 4V i 10V. Dla zwartych zacisków
prądnicy nie mierzy się, napięcia na prądnicy i obrotów silnika - dane wpisać do tabeli 1.
Ustawić na zasilaczu napięcie 4V, zatrzymać oś prądnicy (uniemożliwiając pracę silnika) i
włączyć zasilanie silnika. Odczytać prąd i moment obrotowy (rozruchu) silnika – wyniki
wpisać do tabeli 1.
UWAGA pomiar może być wykonywany przez krótki czas do ok. 5s.
odczytów odłączyć zasilanie silnika i puścić oś prądnicy.
Po dokonaniu
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 z dodatkowymi kolumnami dla: prędkości kątowej,
mocy mechanicznej, elektrycznej, sprawności elektryczno-elektrycznej i mechanicznoelektrycznej. Moc elektryczną dostarczaną wyznacza się na podstawie Uz i Iz, elektryczną
wydzielaną na oporniku na podstawie: Robc i Uprądnicy, moc mechaniczną oblicza się na
podstawie momentu obrotowego i prędkości kątowej silnika. Na podstawie tych mocy
oblicza się poszczególne sprawności.
4.2 Zaprezentować na wykresie wpływ napięcia zasilania na obroty silnika nieobciążonego i
obciążonego poszczególnymi opornikami – rodzina krzywych.
EWA-1
4
25/03/2016
Ćwicz. 1
Elementy wykonawcze
EWA/SMO
4.3 Zaprezentować zależność prądu zasilania i obrotów silnika od momentu obrotowego – dwa
wykresy z rodziną krzywych dla poszczególnych napięć zasilania.
4.4 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
5
25/03/2016
Ćwicz. 1
Elementy wykonawcze
EWA/SMO
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 [gcm2]
110

Masa silnika [g]
490
Wykres parametrów silnika GR 42x40
Dane techniczne oraz wykres parametrów pochodzą z noty katalogowej producenta Dunkermotoren.
EWA-1
6
25/03/2016
Ćwicz. 1
EWA-1
Elementy wykonawcze
7
EWA/SMO
25/03/2016