badanie silnika wykonawczego prądu stałego

Politechnika Warszawska
Instytut Maszyn Elektrycznych
Laboratorium Maszyn Elektrycznych Malej Mocy
BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO
PRĄDU STAŁEGO
Warszawa 2003
1. WSTĘP.
Silnik wykonawczy prądu stałego o wzbudzeniu elektromagnetycznym swoją budową,
sposobem zasilania, regulacji i właściwościami nie różni się zasadniczo od zwykłego
silnika obcowzbudnego prądu stałego. W stojanie ma wydatne bieguny, na których są
umieszczone cewki uzwojenia wzbudzenia, a w żłobkowanym wirniku umieszczone są
zezwoje twornika połączone ze sobą i z komutatorem. Połączenie elektryczne z uzwojeniem
twornika zapewniają szczotki przylegające do komutatora.
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości ruchowych i regulacyjnych takiego silnika.
2. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO.
Obiektem badanym jest mały, obcowzbudny silnik prądu stałego, którego napięcie
znamionowe obwodu twornika i obwodu wzbudzenia wynosi:
Utn = Uwn = Un = 55V
Na wałku silnika osadzona jest tarcza aluminiowa, która podczas pracy silnika wiruje w
szczelinie dwóch elektromagnesów wytwarzających stałe pole magnetyczne, zasilanych z
prostownika regulowanego. W wirującej tarczy indukują się prądy wirowe, które we
współdziałaniu ze strumieniem elektromagnesów wytwarzają moment usiłujący pociągnąć
elektromagnesy w kierunku wirowania tarczy (elektromagnesy umocowane są na ramieniu
ułożyskowanym w osi obrotu tarczy osadzonej na wałku silnika). Sprzeciwia się temu
ciężarek Q zamocowany na ramieniu – o długości l – związanym sztywno z układem
wychyłowym elektromagnesów. W stanie ustalonym następuje równowaga momentu
wytwarzanego w tarczy (i równego momentowi obrotowemu silnika) i momentu zwrotnego
wytwarzanego przez ciężarek Q. Zgodnie z rysunkiem 1 moment ten jest funkcją kąta
wychylenia δ i wynosi:
M = Q r = Q l sinδ
Kąt δ mierzy się na skali kątowej związanej sztywno z układem wychyłowym.
Rys. 1. Ilustracja sposobu pomiaru momentu hamownicą wiroprądową.
3. POMIARY WSTĘPNE.
Pomiary wstępne mają na celu ustalenie wielkości odniesienia, które umożliwiają
określenie momentu obrotowego i prędkości obrotowej w jednostkach względnych.
Schemat układu pomiarowego stosowanego w ćwiczeniu przedstawia rys. 2.
2
Rys. 2. Schemat układu pomiarowego badania silnika wykonawczego prądu stałego.
3.1. Wyznaczenie maksymalnego momentu rozruchowego.
Momentem rozruchowym silnika elektrycznego nazywa się moment na jego wale przy
zasilaniu elektrycznym uzwojeń i zahamowanym wirniku.
W silniku wykonawczym prądu stałego moment rozruchowy osiąga wartość maksymalną przy
zasilaniu napięciem znamionowym zarówno obwodu twornika jak i obwodu wzbudzenia.
Pomiar przeprowadza się mierząc dynamometrem siłę na ramieniu dźwigni zamocowanej na
wałku silnika. W stanowisku laboratoryjnym rolę dźwigni pełni tarcza aluminiowa z otworami
na obwodzie, osadzona nieruchomo na wałku silnika. W jeden z takich otworów wstawia się
kołek połączony nicią z dynamometrem. Wartość momentu oblicza się wg wzoru:
Mmax = F r [G cm] = 9,81 F r 10-2 [mN m]
gdzie: F - siła wskazana przez dynamometr [G]; r - promień okręgu, na którym
rozmieszczone są otwory tarczy (r = 5,5 cm).
Moment maksymalny przyjmuje się jako wielkość odniesienia przy określaniu momentu
silnika w jednostkach względnych. Oczywiście mmax = 1.
3.2. Wyznaczanie prędkości obrotowej odniesienia.
Dla celów ćwiczenia jako prędkość obrotową odniesienia należy przyjąć prędkość
obrotową n0 badanego silnika biegnącego bez obciążenia przy zasilaniu napięciem
znamionowym zarówno obwodu wzbudzenia jak i obwodu twornika. Sposób pomiaru
wynika z definicji. Oznacza to, że w pierwszej kolejności należy doprowadzić napięcie do
obwodu wzbudzenia, a następnie do obwodu twornika. Obwód wzbudzenia hamownicy
powinien być otwarty. Po ustaleniu się prędkości obrotowej należy zmierzyć ją
obrotomierzem, który jest na wyposażeniu stanowiska.
4. CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE SILNIKA.
4.1. Uwagi ogólne.
Punkt pracy obcowzbudnego silnika wykonawczego prądu stałego wyznaczają
jednoznacznie 3 wielkości narzucone silnikowi z zewnątrz:
•
napięcie wzbudzenia Uw ;
3
•
napięcie twornika Ut ;
•
moment obciążający (hamujący) na wale M.
Odpowiedzią silnika na powyższe wymuszenia jest prędkość obrotowa jego wirnika.
Dla przedstawienia właściwości ruchowych silnika w układzie współrzędnych
prostokątnych na płaszczyźnie dwie z tych wielkości należy przyjąć jako stałe parametry, a
wtedy dwie pozostałe związane będą jednoznaczną zależnością jako odpowiednie
charakterystyki. I tak:
-
jeśli założyć stałość zasilania elektrycznego (tzn. stałą wartość napięcia twornika i
napięcia wzbudzenia, to prędkość obrotowa zależeć będzie tylko od momentu
hamującego na wale. Zależność moment obrotowy-prędkość obrotowa w tak
ustalonych warunkach nazywa się charakterystyką mechaniczną i może być
przedstawiona graficznie jako funkcja M = f (n) w jednostkach fizycznych, lub jako
M
n
iν=
funkcja m = f (ν) w jednostkach względnych; gdzie: m =
M max
n0
-
jeśli założyć stałą wartość napięcia wzbudzenia, a hamownica wymuszać stałą
wartość momentu hamującego przy różnych napięciach twornika, to otrzyma się
zależność prędkości obrotowej od napięcia twornika nazywaną charakterystyką
regulacyjną prędkości obrotowej przy sterowaniu od strony twornika. Zmieniając
role napięć zasilania, tzn. ustalając napięcie twornika, a regulując napięcie
wzbudzenia otrzyma się analogiczną charakterystykę regulacyjną prędkości
obrotowej przy sterowaniu od strony wzbudzenia. Powyższe charakterystyki mogą
być przedstawione w jednostkach względnych jako funkcja ν = f(α); gdzie
U
U
współczynnik sygnału: α = t lub α = w
Un
Un
-
jeśli założyć stałą wartość napięcia wzbudzenia, a hamownica wymuszać stałą
wartość prędkości obrotowej przy różnych napięciach twornika, to otrzyma się
zależność momentu hamującego od napięcia twornika, czyli tzw. charakterystykę
regulacyjną momentu obrotowego przy sterowaniu od strony twornika.
l analogicznie jak wyżej, ustalając napięcie twornika, a zmieniając napięcie
wzbudzenia otrzyma się charakterystykę regulacyjną momentu obrotowego przy
sterowaniu od strony wzbudzenia. Charakterystyki te mogą być przedstawione w
jednostkach względnych jako funkcja m = f(α ).
W czasie ćwiczenia należy wykonać pomiary pozwalające na sporządzenie wymienionych
charakterystyk. Pomiary przeprowadza się w układzie przedstawionym na rys.2.
4.2. Charakterystyki mechaniczne.
Zgodnie z p. 4.1 charakterystyka mechaniczna jest to zależność momentu obrotowego od
prędkości obrotowej przy stałości napięć zasilających uzwojenia silnika.
Tok postępowania jest następujący:
– uruchomić silnik przez doprowadzenie napięć znamionowych najpierw do uzwojenia
wzbudzenia, a potem do uzwojenia twornika (α = 1,0);
– regulując prąd wzbudzenia hamownicy ustalać kolejne punkty pomiarowe
scharakteryzowane momentem hamującym i prędkością obrotową; należy także mierzyć
prąd twornika i prąd wzbudzenia. Przed każdym pomiarem należy skontrolować i
ewentualnie doregulować napięcia zasilające.
Moment hamujący oblicza się wg zależności: M = Q l sinδ
4
gdzie: δ – kąt wychylenia układu ruchomego hamownicy odczytywany na skali kątomierza;
Q - masa ciężarka na ramieniu hamownicy; l - długość ramienia, na którym umieszczony jest
ciężarek o masie Q. W stosowanej w ćwiczeniu hamownicy iloczyn
Q l = 817 G cm = 80,2 mN m.
Pomiary powtórzyć zgodnie z przestawionym tokiem także dla innych wartości napięcia
twornika (np. dla współczynnika sygnału α = 0,75; 0,5 i 0,25).
Dla każdego punktu pomiarowego obliczyć sprawność silnika η =
P
, gdzie:
P1
P ≈ 0,105 M n [W] – moc oddana na wale (M [N m]; n [obr/min]);
P1 = Ut It + Uw Iw
W oparciu o wyniki pomiarów i obliczeń wykreślić rodziny charakterystyk momentu
obrotowego, prądu twornika, mocy oddanej i sprawności w funkcji prędkości obrotowej przy
różnych wartościach współczynnika sygnału (napięcia twornika).
4.3. Charakterystyki regulacyjne przy sterowaniu od strony twornika.
4.3.1. Charakterystyki regulacyjne prędkości obrotowej.
Zgodnie z p.4.1 charakterystyka regulacyjna prędkości obrotowej jest to zależność prędkości
obrotowej od napięcia twornika przy stałej wartości momentu hamującego i stałym,
znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia.
Tok postępowania jest następujący:
– doprowadzić do obwodu wzbudzenia napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe przez cały
czas pomiarów;
– doprowadzić do obwodu twornika napięcie Ut ≈ 1,2Un;
– zwiększając prąd wzbudzenia hamownicy obciążyć silnik momentem wynoszącym ok.
0,65 wartości momentu maksymalnego wyznaczonego w p. 3.1.
Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki – należy zapisać w tabeli pomiarowej
wartość napięcia twornika i prędkości obrotowej.
Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia twornika
i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby moment
hamujący osiągnął założoną wartość 0,65 Mmax.
Opisane postępowanie powtórzyć dla innych założonych wartości momentu hamującego,
np. 0,5 Mmax; 0,25 Mmax i M=0.
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk prędkości
obrotowej badanego silnika w funkcji napięcia twornika przy stałych wartościach
momentu hamującego i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia.
4.3.2. Charakterystyki regulacyjne momentu obrotowego.
Zgodnie z p. 4.1 charakterystyka regulacyjna momentu obrotowego jest to zależność
momentu obrotowego od napięcia twornika przy stałej prędkości obrotowej i przy
znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia.
Tok postępowania:
– doprowadzić do obwodu wzbudzenia napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe przez
cały czas pomiarów;
– doprowadzić do twornika napięcie Ut ≈ 1,2Un;
5
– zwiększając prąd wzbudzenia hamownicy obciążyć silnik tak, aby prędkość obrotowa
osiągnęła wartość n = 1100 obr/min. Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki –
w tabeli pomiarowej należy zapisać wartość napięcia Ut i kąta wychylenia hamownicy δ
pozwalającego obliczyć moment obrotowy.
Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia
twornika Ut i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby
prędkość obrotowa osiągnęła ponownie założoną wartość n = 1100 obr/min.
Opisane postępowanie powtórzyć dla innych złożonych wartości prędkości obrotowej,
np. 900 i 700 obr/min.
Na podstawie pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk momentu obrotowego
badanego silnika w funkcji napięcia twornika przy stałych wartościach prędkości
obrotowej i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu wzbudzenia.
4.4. Charakterystyka regulacyjna przy sterowaniu od strony wzbudzenia.
Charakterystyki regulacyjne przy sterowaniu od strony wzbudzenia zdejmuje się
analogicznie jak przy sterowaniu od strony twornika, z tym, że następuje tu zmiana ról:
napięcie twornika jest stałym parametrem, a wielkością sterującą pracą silnika jest
napięcie wzbudzenia.
4.4.1. Charakterystyki regulacyjne prędkości obrotowej.
Tok postępowania przy wykonywaniu pomiarów:
– do obwodu wzbudzenia doprowadzić napięcie znamionowe;
– do obwodu twornika doprowadzić napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe przy
dalszych pomiarach;
– zwiększyć napięcie wzbudzenia do wartości Uw ≈ 1,2Un i obciążyć silnik (regulując
prąd wzbudzenia hamownicy) tak, aby moment obrotowy wynosił 0,65 wartości momentu
maksymalnego wyznaczonego w p.3.1.
Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki - należy zapisać w tabeli pomiarowej
wartość napięcia wzbudzenia i prędkości obrotowej.
Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia
wzbudzenia i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby
moment hamujący osiągnął założoną wartość 0,65 Mmax.
Opisane postępowanie powtórzyć dla innych założonych wartości momentu hamującego,
np. 0,5 Mmax; 0,25 Mmax i M=0.
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk prędkości
obrotowej badanego silnika w funkcji napięcia wzbudzenia przy stałych wartościach
momentu hamującego i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu twornika.
4.4.2. Charakterystyki regulacyjne momentu obrotowego.
Tok postępowania przy wykonywaniu pomiarów:
– doprowadzić do obwodu wzbudzenia napięcie znamionowe;
– doprowadzić do twornika napięcie znamionowe i utrzymywać je stałe podczas dalszych
pomiarów;
– zwiększyć napięcie wzbudzenia do wartości Uw ≈ 1,2Un i zwiększając prąd wzbudzenia
hamownicy obciążyć silnik tak, aby prędkość obrotowa osiągnęła wartość
n = 1100 obr/min. Jest to pierwszy punkt pomiarowy charakterystyki – w tabeli pomiarowej
6
należy zapisać wartość napięcia wzbudzenia Uw i kąta wychylenia hamownicy δ
pozwalającego obliczyć moment obrotowy.
Kolejne punkty pomiarowe uzyskuje się przez stopniowe zmniejszanie napięcia
wzbudzenia i doregulowywanie obciążenia (prądem wzbudzenia hamownicy) tak, aby
prędkość obrotowa osiągnęła ponownie założoną wartość n = 1100 obr/min.
Opisane postępowanie powtórzyć dla innych założonych wartości prędkości obrotowej,
np. 900 i 700 obr/min.
Na podstawie pomiarów wykreślić rodzinę charakterystyk momentu obrotowego
badanego silnika w funkcji napięcia wzbudzenia przy stałych wartościach prędkości
obrotowej i stałym, znamionowym zasilaniu obwodu twornika.
5. POMIAR NAPIĘCIA ROZRUCHU.
Do uzwojenia wzbudzenia doprowadzić napięcie znamionowe, a obwód wzbudzenia
hamownicy pozostawić otwarty. Następnie zwiększając powoli napięcie twornika od zera
znaleźć taką jego wartość, przy której wirnik zacznie się obracać.
Próbę powtórzyć kilkakrotnie dla prawego i lewego kierunku wirowania. Jako wynik
badania przyjąć wartość średnią z pomiarów.
7