Badanie dwufazowego silnika wykonawczego o wirniku klatkowym

Badanie dwufazowego silnika wykonawczego o wirniku klatkowym
Wprowadzenie
Dwufazowe silniki indukcyjne wykorzystuje się jako elementy wykonawcze w układach
automatycznej regulacji. Wśród maszyn tego typu szczególnie chętnie stosowany jest silnik o
małym momencie bezwładności wirnika, uzyskanym w rezultacie zastosowania jako wirnika
tzw. kubka z materiału niemagnetycznego, najczęściej aluminium. Dwufazowy silnik
indukcyjny z wirnikiem kubkowym niemagnetycznym nazywa się silnikiem typu Ferrarisa.
W Ŝłobkach stojana silnika dwufazowego umieszczone są dwa uzwojenia o osiach
przesuniętych o 90°. Jedno z uzwojeń nazywa się wzbudzającym, drugie sterującym
(uzwojenia te często są jednakowe i zajmują po połowie Ŝłobków). W niektórych silnikach
uzwojenia stojana wykonuje się jako tzw. uzwojenia mostkowe.
Dwufazowe silniki wykonawcze są silnikami o sterowanej prędkości obrotowej samohamowne, a dzięki swoim zaletom pełnią istotną rolę w układach automatyki, gdzie
słuŜą do przetwarzania sygnału elektrycznego na ruch mechaniczny. Wirniki tych maszyn są
zawsze zwarte i występują w róŜnych wykonaniach: jako klatkowe
• w formie kubka z materiału niemagnetycznego
• w formie kubka stalowego
• w formie masywnego walca stalowego
Aby silniki wykonawcze cechowały się dobrą sterowalnością muszą mieć zdolność do
samohamowności określoną jako szybkie zatrzymanie się po odłączeniu napięcia sterującego
lub zaniku przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem (sygnałem) sterującym i napięciem
wzbudzającym. Samohamowność w dwufazowych silnikach indukcyjnych uzyskuje się przez
powiększenie ich poślizgu utyku powyŜej jedności. Wirniki samohamownych silników
wykonawczych mają tak dobrany opór czynny klatki wirnika, aby poślizg utyku wynosił
su ∈ (2÷4). Tak duŜy poślizg zapewnia liniowość charakterystyk przy regulacji prędkości
obrotowej dzięki rozszerzeniu zakresu stabilnej pracy silnika.
Najkorzystniejszymi parametrami cechują się silniki z wirnikiem niemagnetycznym tzw.
silniki kubkowe (typu Ferrarisa). Mają one najmniejszą elektromechaniczną stałą czasową a
więc największą szybkość działania. Ponadto charakteryzuje je:
•
•
•
•
bardzo mały moment bezwładności
duŜy moment rozruchowy
cichobieŜność i płynność pracy dzięki brakowi zębów na obwodzie wirnika
łatwość hamowania oraz stabilność charakterystyk przy zmianach temperatury otoczenia.
W silniku dwufazowym moŜna wykorzystać sterowanie:
• amplitudowe
• fazowe
• amplitudowo-fazowe
Przy sterowaniu amplitudowym silnik jest zasilany napięciem dwufazowym.
Dwufazowy układ napięć moŜna łatwo otrzymać, np.: z sieci trójfazowej czteroprzewodowej,
jeśli jedno z uzwojeń zasila się napięciem fazowym L1-N, natomiast drugie uzwojenie
napięciem międzyprzewodowym L2-L3. Sterowanie amplitudowe polega na regulacji
amplitudy napięcia zasilającego jedno z uzwojeń silnika.
Aby zrealizować sterowanie fazowe, do obwodu dwufazowego zasilającego silnik
naleŜy włączyć przesuwnik fazowy. Przy sterowaniu fazowym naleŜy zmieniać fazę napięcia
zasilającego jedno z uzwojeń silnika przy stałej amplitudzie napięć.
Najprostszym przypadkiem sterowania jest sterowanie amplitudowo-fazowe. Przy tym
sposobie sterowania silnik jest zasilany napięciem jednofazowym. Dla uzyskania niezbędnego
przesunięcia fazowego prądów, do obwodu uzwojenia wzbudzenia załącza się kondensator.
Silnikiem steruje się przez zmianę amplitudy napięcia zasilającego uzwojenie sterujące.
Dla róŜnych wartości momentu obciąŜenia wyznaczamy charakterystykę sterowania.
Charakterystykę mechaniczną wyznaczamy obserwując zmiany prędkości kątowej w funkcji
momentu obciąŜenia dla kilku wartości napięcia sterującego.
1.Przebieg ćwiczenia.
1. Sterowanie amplitudowe.
Uzwojenie sterujące zasilić przez autotransformator, który umoŜliwia zmianę amplitudy
napięcia sterującego. Uzwojenie wzbudzenia podłączyć do przesuwnika fazowego. Nastawić
przesunięcie fazy pomiędzy napięciami zasilającymi oba uzwojenia o kąt 90°. Dla stałej
wartości momentu obciąŜenia wyznaczyć charakterystykę sterowania, regulując
autotransformatorem napięcie na uzwojeniu sterującym.
NaleŜy połączyć układ według schematu:
1.1. Charakterystyka regulacyjna
Charakterystyką sterowania (regulacji) nazywamy zaleŜność prędkości obrotowej wirnika od
współczynnika sygnału (α ), przy stałym momencie obciąŜenia. Pomiary wykonujemy dla
kilku stałych momentów obciąŜenia.
Tabelka pomiarowa przy wyznaczaniu charakterystyki regulacyjnej
Lp.
cięŜar
Q
Uwzb Ustr
G
V
V
α
n
ω
F
TU
TU
-
obr
min
1
sek
G
Gcm
Nm
10-3
Wzory do obliczeń:
α=
Tu =
d
⋅ (Q − F ) ⋅
2
US
U SN
(d/2 – ramię, na którym działa siła)
Charakterystyka regulacyjna n(ω) = f (αr) przy Tu = const
1.2. Próba obciąŜenia.
Przy próbie obciąŜenia wyznaczamy przede wszystkim charakterystykę mechaniczną, to jest
zaleŜność prędkości kątowej od momentu obciąŜenia. Charakterystykę mechaniczną
wyznacza się przy róŜnych wartościach współczynnika sygnału (α ).
Tabelka pomiarowa
ω
Istr
Ustr
Pstr
Iwzb
U wzb
Pwzb
n
A
V
W
A
V
W
obr/min
Lp.
1/sek
cięŜar
Q
F
α
G
G
-
Tu
PMU Sstr
Nm W
Wzory do obliczeń:
α=
Tu =
Us
U sN
d
⋅ (Q − F ) ⋅
2
SStr = Ustr⋅ Istr
Pmu = Tu ⋅ ω
Charakterystyka mechaniczna: n = f (Tu) lub ω = f (Tu) przy α = const.
Charakterystyki: SStr = f (n); PStr = f (n); Pmu = f (n) oraz η = f (Tu)
1.3. Sprawdzanie samohamowności
• dla odłączonego uzwojenia sterującego od zasilania, a przy uzwojeniu wzbudzenia
załączonym na napięcie znamionowe.
• dla odłączonych obu uzwojeń od sieci.
VA
1.4. Pomiary minimalnego napięcia rozruchu dla róŜnych momentów obciąŜenia:
Lp.
Masa cięŜarka
Uroz
g
V
n
obr
min
ω
F
Troz
1
sek
N
Gcm
Troz
Nm
10-3
Charakterystyka Troz = f (Ustr)
2 Sterowanie fazowe.
Podobnie jak w punkcie poprzednim wyznaczamy charakterystykę sterowania oraz
mechaniczną. W tym przypadku zmieniamy fazę napięcia sterującego. Uzwojenia wzbudzenia
jest zasilone napięciem znamionowym. Amplituda napięcia sterującego jest równa
amplitudzie napięcia znamionowego. Wyznaczamy zaleŜność prędkości kątowej od kąta
przesunięcia fazowego dla kilku wartości momentu obciąŜenia. Następnie charakterystykę
mechaniczną, czyli prędkość kątową w funkcji momentu obciąŜenia dla kilku wartości kąta
przesunięcia fazowego.
współczynnik sygnału dla sterowania fazowego:
ϕ
α = S ; ϕS N = 90°
ϕS N
ϕ - kąt fazowy między napięciem sterującym a napięciem wzbudzenia silnika
We wszystkich przypadkach sterowania naleŜy obliczyć sprawność, moc uŜyteczną na wale,
moc czynna i pozorną uzwojenia sterującego.