badania laboratoryjne - Wydział Elektrotechniki i Automatyki

POLITECHNIKA GDAŃSKA
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych
LABORATORIUM
SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE
TEMATYKA ĆWICZENIA
SILNIKI PRĄDU STAŁEGO
BADANIE CHARAKTERYSTYK DYNAMICZNYCH
ZASTOSOWANIE POMIARÓW KOMPUTEROWYCH
Materiały pomocnicze
Kierunek Elektrotechnika
Studia niestacjonarne 2-giego stopnia
semestr 1
Opracowali
Mieczysław RONKOWSKI
Marek KAMIŃSKI
Grzegorz KOSTRO
Michał MICHNA
GDAŃSK 2012-2013
2
M. RONKOWSKI, M. KAMIŃSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA
ĆWICZENIE
SILNIKI PRĄDU STAŁEGO
BADANIE CHARAKTERYSTYK DYNAMICZNYCH
ZASTOSOWANIE POMIARÓW KOMPUTEROWYCH
Program ćwiczenia
CEL ĆWICZENIA .................................................................................................................. 2
RZUT OKA NA ZASTOSOWANE KOMPUTEROWE TECHNIKI POMIAROWE ................... 2
BADANIA DOŚWIADCZALNE WYBRANYCH STANÓW PRACY DYNAMICZNEJ SILNIKA 3
3.1. Oględziny zewnętrzne ........................................................................................................ 3
3.2. Badanie rozruchu silnika przy braku obciążenia na wale.................................................... 3
3.3. Badanie rozruchu silnika przy obciążeniu na wale.............................................................. 8
4.
PYTANIA KONTROLNE...................................................................................................... 10
5.
ZADANIA ............................................................................................................................ 11
6.
SPRAWOZDANIE ............................................................................................................... 11
7.
LITERATURA...................................................................................................................... 12
1.
2.
3.
1.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
• opanowanie zastosowania komputerowych technik pomiarowych do badania właściwości
dynamicznych silnika prądu stałego (obcowzbudnego);
• wykonanie badań doświadczalnych wybranych stanów pracy dynamicznej silnika prądu stałego:
rozruchu silnika przy braku obciążenia na wale (załączanie napięcia stałego do obwodu twornika
przy otwartym „obwodzie mechanicznym”),
rozruchu silnika przy obciążeniu na wale (załączanie napięcia stałego do obwodu twornika przy
obciążonym „obwodzie mechanicznym”),
• porównanie wyników badań symulacyjnych z wynikami badań doświadczalnych.
2.
RZUT OKA NA ZASTOSOWANE KOMPUTEROWE TECHNIKI POMIAROWE
Przebiegi czasowe wielkości charakterystycznych dla stanów dynamicznych silnika prądu stałego a
mogą być rejestrowane za pomocą dwóch układów pomiarowych (do wyboru):
• 4-ro kanałowy oscyloskop cyfrowy firmy Tektronix ze złączem GPIB oraz komputer PC wyposażony
w kartę GPIB do zapisu wyników pomiarów na dysku;
• komputer PC wyposażony w kartę pomiarową typu PCI-MIO-16E-4 firmy National Instruments.
Układ pierwszy jest układem klasycznym, więc nie wymaga wyjaśnienia zasady jego działania. W
przypadku układu drugiego „sercem” jest wymieniona karta pomiarowa, która posiada:
• 16 pojedynczych lub 8 różnicowych wejściowo/wyjściowych kanałów analogowych przy czym:
o maksymalne napięcie pracy ±11 [V] przy zabezpieczeniach przepięciowych ±25 [V],
o FIFO bufer (rozmiar kolejki) 512 [S],
o przetwornik analogowo–cyfrowy 12 bitowy,
o częstotliwość próbkowania 500 [kS/s];
• 2 analogowe wyjścia 12 bitowe;
• 8 wejściowo/wyjściowych kanałów cyfrowych;
• 2 wyjścia czasowe;
Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO. Pomiary komputerowe
3
• 1 wyjście zewnętrznego wyzwalania.
Rozdzielczość karty PCI-MIO-16E-4 wynika z zastosowania 12 bitowego przetwornika A/C (4096
poziomów dla danego zakresu). W tabeli 1 przedstawiono zakres pomiarowy oraz dokładności karty w
zależności od przyjętego wzmocnienia.
Tablica 1. Zakresy pomiarowe karty PCI-MIO-16E-4 firmy National Instruments
KONFIGURACJA
ZAKRESU
WZMOCNIENIE
ZAKRES
POMIAROWY
DOKŁADNOŚĆ
0 do +10 V
1.0
2.0
5.0
10.0
20.0
50.0
100.0
0.5
1.0
2.0
5.0
10.0
20.0
50.0
100.0
0 do +10 V
0 do +5 V
0 do +2 V
0 do +1 V
0 do +500 mV
0 do +200 mV
0 do +100 mV
-10 do +10 V
-5 do +5 V
-2.5 do +2.5 V
-1 do +1 V
-500 do +500 mV
-250 do +250 mV
-100 do +100 mV
-50 do +50 mV
2.44 mV
1.22 mV
488.28 µV
244.18 µV
122.07 µV
48.83 µV
24.41 µV
4.88 mV
2.44 mV
1.22 mV
488.28 µV
244.18 µV
122.07 µV
48.83 µV
24.41 µV
0 do +10 V
Zasady doboru częstotliwości próbkowania i skanowania:
• dostępny zakres częstotliwości: 0,00153 – 500 000 pts/s dla jednego kanału;
• maksymalna częstotliwość próbkowania zmniejsza się tylokrotnie ile chcemy skanować kanałów;
• należy tak dobrać obie częstotliwości by zachować minimalny czas pomiędzy odczytem ostatniego
kanału w jednej sekwencji skanowania, a odczytem pierwszego kanału następnej sekwencji (∆tScan) (dla
karty PCI-MIO-16E-4 czas ten wynosi ∆tSamp= 4µs);
• należy uwzględnić dłuższy czas opóźnienia międzykanałowego, w przypadku zmiany wzmocnienia w
dwóch sąsiednich kanałach na wyższą.
Dalsze szczegóły dotyczące zasad pomiaru z zastosowaniem karty pomiarowej typu PCI-MIO-16E-4
opisano w „Instrukcja Programu NIDAQScope rejestracji pomiarów z zastosowaniem karty pomiarowej
National Instruments MIO-PCI 16E4 i komputera PC” (dostępna na: www.ely.pg.gda.pl/keime/maszyny).
3.
BADANIA DOŚWIADCZALNE WYBRANYCH STANÓW PRACY DYNAMICZNEJ
SILNIKA
3.1.
Oględziny zewnętrzne
Dokonać oględzin zewnętrznych badanego silnika prądu stałego i urządzeń wchodzących w skład
układu pomiarowego. Należy, przede wszystkim, dokładnie zanotować dane zawarte w tabliczce
znamionowej silnika oraz wartości parametrów modelu obwodowego (patrz instrukcja do ćwiczenia
„Maszyny prądu stałego: Badanie silników” Laboratorium ME I sem. IV oraz instrukcja do części A
niniejszego ćwiczenia).
3.2.
Badanie rozruchu silnika przy braku obciążenia na wale
Badanie rozruchu silnika polega na wykonaniu kolejno czynności:
• załączeniu stałego napięcia zasilania do obwodu wzbudzenia i ustawieniu prądu wzbudzenia silnika
wg zadanej wartości;
M. RONKOWSKI, M. KAMIŃSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA
4
• załączeniu skokowym stałego napięcia zasilania do obwodu twornika przy braku obciążenia na wale
(otwarty „obwód mechaniczny”) i zerowej początkowej prędkości obrotowej;
• rejestracji przebiegów czasowych: napięcia i prądu twornika, prądu wzbudzenia i prędkości
obrotowej;
• pomiarze wartości ustalonych: napięcia i prądu twornika, prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej.
Schemat układu pomiarowego do badania rozruchu silnika przedstawiono na rys. 1.
V
ua
Karta pomiarowa
(oscyloskop)
Ua
LEM(U)
Do źródła napięcia
stałego
TP
Rd
if
B2
LEM(I)
ST
Karta pomiarowa
(oscyloskop)
ia
Karta pomiarowa
(oscyloskop)
Karta pomiarowa
(oscyloskop)
Ia
LEM(U)
A
M
E1
E2
If A
LEM(I)
A1
Do źródła napięcia
stałego
Rys. 1. Schemat połączeń układu pomiarowego do badania dynamiki rozruchu silnika prądu stałego
(obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale
Uwaga:
Zakresy pomiarowe użytych mierników i przetworników typu LEM należy dobrać stosownie do:
• danych znamionowych badanego silnika;
• dopuszczalnego zakresu amplitudy sygnałów na wejściu użytej karty pomiarowej lub
oscyloskopu.
Pomiary próby rozruchu należy wykonać dla przypadków podanych w tablicy 1.
Tablica 1. Warunki rozruchu silnika prądu stałego obcowzbudnego
Numer
próby
Prąd wzbudzenia
If
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
If = Ifn
Napięcie
twornika
Ua
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua < 0,20Uan
Ua < 0,20Uan
Ua < 0,20Uan
Ua < 0,25Uan
Krotność udarowego
prądu rozruchowego
kIaud
kIaud < 3
kIaud < 3
kIaud < 3
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 10
Moment
obciążenia
TL
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Rezystancja
dodatkowa
Rd
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
0
0
0
0
Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO. Pomiary komputerowe
If > Ifn
If < Ifn
11
12
Ua < 0,25Uan
Ua < 0,25Uan
kIaud < 10
kIaud < 10
0
0
5
0
0
Uwaga:
Próby od nr 7 do 12 należy wykonać przy zasilaniu obwodu twornika z baterii akumulatorów.
Uwaga:
Po zakończeniu rozruchu należy zanotować wartości ustalone:
• napięcia zasilania twornika
Uaus =................... [V]
• prądu twornika
Iaus = ................... [A]
• prądu wzbudzenia
Ifus = .................... [A]
• prędkości obrotowej
nus = .................... [obr/min]
• rezystancji dodatkowej
Rd =..................... [Ω]
Celem ograniczenia wartości prądu rozruchowego silnika należy dobrać odpowiednią wartość rezystancji
dodatkowej Rd wg zależności:
Rd ≥
Ua
− Ra
k Iaud I an
(1)
gdzie: Ua – wartość napięcie zasilania twornika; Ian – znamionowa wartość prądu twornika badanego silnika;
Ra – rezystancja obwodu twornika badanego silnika, kIaud = Iaud / Ian - krotność udarowego prądu
rozruchowego silnika, określona jako stosunek udarowego prądu rozruchowego do prądu znamionowego
twornika silnika.
Uwagi:
• Ograniczenie wartości prądu rozruchowego silnika prądu stałego wynika z niebezpieczeństwa
powstania nadmiernego iskrzenia zestyku ślizgowego szczotki-komutator, które może
doprowadzić do powstania łuku elektrycznego (ognia) na komutatorze – w efekcie do
uszkodzenia a nawet do zniszczenia komutatora.
• W zastosowaniach praktycznych zaleca się krotność ustalonego prądu rozruchowego kIaus ≤ 2.
• Ograniczenie wartości udarowej prądu rozruchowego silnika może także wynikać z zakresu
pomiarowego użytych przetworników LEM.
Rys. 2 przedstawia przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów, które są
charakterystyczne dla dynamiki rozruchu silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na
wale.
Uwagi do rys. 2:
• Przebiegi zarejestrowano w układzie pomiarowym: karta PCI-MIO-16E-4 oraz komputer PC.
• Przebiegi wykreślono i opracowano za pomocą procesora graficznego PROBE symulatora
PSPICE.
• Zarejestrowane przebiegi czasowe na wyjściu przetworników LEM są odpowiednio
przeskalowane. I tak:
dla przebiegów prądowych wg relacji:
Wartość liczbowa przebiegu prądowego w [A] = zarejestrowana wartość liczbowa
przebiegu prądowego w [V] na wyjściu przetwornika LEM * współczynnik transformacji
przetwornika LEM w [A/V]
dla przebiegów napięciowych wg relacji:
Wartość liczbowa przebiegu napięciowego w [V] = zarejestrowana wartość liczbowa
przebiegu napięciowego w [V] na wyjściu przetwornika LEM * współczynnik
transformacji przetwornika LEM w [V/V]
• Czas t (time) jest rejestrowany bezpośrednio w sekundach!
6
M. RONKOWSKI, M. KAMIŃSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA
• Wartości ustalone i udarowe (maksymalne) wielkości mierzonych należy odnieść do wartości
znamionowych silnika (np. na rys. 2 dla wartości udarowej prądu twornika podano: Iaud =
9.438 Ian)
• Na podstawie zarejestrowanych przebiegów należy określić czas rozruchu silnika (np. na rys.
2 podano tr = 1.205 [s]).
Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO. Pomiary komputerowe
50.0
1
2
7
150
(980.000m,141.572)
(2.1450,48.028)
37.5
Iaud = 9.438Ian
100
Uaus = 0.218Uan
25.0
50
Iaus = 0.337Ian
12.5
Ua = 0
>>
0
0
1
1
1.0
2
(2.1450,5.0492)
Ia = 0
Chan0*330.54
2
Chan2*31.342
(969.234m,839.378m)
500
Ifus = 1.302 Ifn
(2.1458,522.372)
nus = 522 obr/min
(198.000m,501.323m)
0.5
250
tr = 1.205 s
(941.000m,7.7202)
SEL>>
0
0
0s
1
0.5s
Chan1*2.563 2
1.0s
(Chan3/140.3m)*522
1.5s
2.0s
2.5s
3.0s
Time
Rys. 2. Przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów czasowych dynamiki rozruchu silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy braku
obciążenia na wale:
Chan0 - napięcia zasilania twornika [V], Chan1 - prąd wzbudzenia [A], Chan2 - prąd twornika [A], Chan3 - prędkość obrotowa [obr/min]
Moment elektromagnetyczny silnika jest opisany zależnością: Te = Gaf (i f )i f ia
gdzie, Gaf(if) – indukcyjność rotacji zależna o prądu wzbudzenia silnika if, ia – prąd twornika silnika.
Zatem przy założeniu stałej wartości if i pominięciu oddziaływania twornika moment silnika jest opisany
zależnością Te ~ ia , czyli jest proporcjonalny do prądu twornika (przebiegu chan2*31.342).
M. RONKOWSKI, M. KAMIŃSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA
8
Np. dla wielkości zarejestrowanej w kanale „0” (chan0 = napięcia zasilania twornika) przeskalowanie
wykonano za pomocą odpowiednich opcji procesora graficznego PROBE, które umożliwiają wykonanie
wielu operacji, np. mnożenia, dzielenia zmiennej przez wielkość stałą; całkowania, różniczkowania
zmiennej; itp.. Zatem przeskalowanie napięcia twornika ma postać:
ua = chan0 * 330.54 [V]
gdzie,
liczba 330.54 = współczynnik transformacji zastosowanego przetwornika LEM w [V/V].
Do przeskalowania prędkości obrotowej n (zarejestrowanej w chan3 ), ze względu na problemy dokładnego
określenia stałej prądniczki tachometrycznej, wybrano następujący sposób:
n = (chan3 / 140.3m) * 522 [obr/min]
gdzie,
liczba 140.3m = wartość ustalona przebiegu napięciowego na wyjściu przetwornika LEM w [mV],
odczytana bezpośrednio na wykresie zmiennej za pomocą opcji Cursor procesora graficznego
PROBE;
liczba 522 = wartość ustalona prędkości obrotowej nus, odczytana bezpośrednio na obrotomierzu w
[obr/min].
Analogicznie jak przebieg prędkości obrotowej można przeskalować inne przebiegi zarejestrowane,
szczególnie w przypadku braku wartości współczynnika transformacji zastosowanego przetwornika
LEM.
3.3.
Badanie rozruchu silnika przy obciążeniu na wale
Badanie rozruchu silnika polega na wykonaniu kolejno czynności:
• załączeniu stałego napięcia zasilania do obwodu wzbudzenia i ustawieniu prądu wzbudzenia silnika
(wg zadanej wartości) i prądu wzbudzenia prądnicy;
• załączeniu skokowym stałego napięcia zasilania do obwodu twornika przy obciążenia na wale
(obciążony „obwód mechaniczny”, tzn. dodatkowa maszyna prądu stałego jest sprzężona
mechanicznie z badanym silnikiem i pracujące jako prądnica) i zerowej początkowej prędkości
obrotowej;
• rejestracji przebiegów czasowych: napięcia i prądu twornika, prądu wzbudzenia i prędkości
obrotowej;
• pomiarze wartości ustalonych: napięcia i prądu twornika, prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej.
Schemat układu pomiarowego do badania rozruchu silnika (pokazany na rys. 1) należy uzupełnić o układ
połączeń dodatkowej maszyny prądu stałego (pokazany na rys. 3), pracującej jako prądnica i obciążonej
rezystancją Ro.
Pomiary próby rozruchu należy wykonać dla przypadków podanych w tablicy 2.
Uwagi:
•
•
Jako miarę obciążenia badanego silnika należy przyjąć wartość jego prądu twornika w
stanie ustalonym Iaus, która jest odniesiona do znamionowego prądu twornika.
Wartość prądu twornika Iaus badanego silnika ustala się za pomocą rezystancji obciążenia
Ro lub/i prądu wzbudzenia prądnicy Ifp (patrz rys. 3).
Można przyjąć, przy pominięciu strat mechanicznych i strat na prądy wirowe, że moment obciążenia silnika
TL jest praktycznie równy momentowi elektromagnetycznemu silnika Te:
TL ≅ Te = Gaf ( I f ) I f ia
(2)
gdzie, Gaf(If) – indukcyjność rotacji silnika zależna o prądu wzbudzenia silnika If, ia – prąd twornika silnika.
Z kolei można przyjąć, przy pominięciu strat mechanicznych i strat na prądy wirowe prądnicy, że moment
obciążenia silnika, jest praktycznie równy momentowi elektromagnetycznemu prądnicy:
TL ≅ Tep = Gafp ( I fp ) I fp iap
(3)
Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO. Pomiary komputerowe
9
gdzie, Gafp(Ifp) – indukcyjność rotacji prądnicy zależna o prądu wzbudzenia prądnicy Ifp, iap – prąd twornika
prądnicy.
W3
A
A1
Iap
V
Ro
Uap
G
E2
E1
B2
+
A
Ifp
-
P
AT
W2
Rys. 3. Schemat połączeń maszyny prądu stałego pracującej jako prądnica obciążona rezystancją Ro
(maszyna służy jako obciążenie badanego silnika w układzie pomiarowym pokazanym rys. 1)
Tablica 2. Warunki zasilania i obciążenia silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy próbie rozruchu
Numer
próby
Prąd wzbudzenia
If
Napięcie
twornika
Ua
Krotność udarowego
prądu rozruchowego
kIaud
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
If = Ifn
If > Ifn
If < Ifn
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua = Uan
Ua < 0,20Uan
Ua < 0,20Uan
Ua < 0,20Uan
Ua < 0,25Uan
Ua < 0,25Uan
Ua < 0,25Uan
kIaud < 3
kIaud < 3
kIaud < 3
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 6
kIaud < 10
kIaud < 10
kIaud < 10
Moment
obciążenia
wg ustalonego
prądu twornika
silnika
TL ~ Iaus
Iaus = Ian
Iaus = Ian
Iaus = Ian
Iaus = Ian
Iaus = Ian
Iaus = Ian
Iaus = 0,5Ian
Iaus = 0,5Ian
Iaus = 0,5Ian
Iaus = 0,5Ian
Iaus = 0,5Ian
Iaus = 0,5Ian
Rezystancja
dodatkowa
Rd
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
wg wzoru (1)
0
0
0
0
0
0
Uwagi:
•
•
Celem ograniczenia wartości prądu rozruchowego silnika należy dobrać odpowiednią
wartość rezystancji dodatkowej Rd wg zależności (1).
Próbę nr od 7 do 12 należy wykonać przy zasilaniu obwodu twornika z baterii
akumulatorów.
M. RONKOWSKI, M. KAMIŃSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA
10
Uwzględniając iap = eap /( Ra + Ro ) oraz eap = Gafp ( I fp ) I fp ω rm wyrażenie (3) przyjmie postać:
TL ≅
(Gafp ( I fp ) I fp ) 2
Rap + Ro
ω rm
(4)
gdzie, Rap – rezystancja twornika prądnicy, Ro – rezystancja obciążenia prądnicy, ωrm - prędkość obrotowa
silnika (prądnicy).
Z kolei przy Ifp= const., Ro= const. i pominięciu oddziaływania twornika wyrażenie (4) można
zapisać w postaci:
TL ~ ω rm
(5)
Zatem moment obciążenia silnika jest proporcjonalny do prędkości obrotowej silnika (prądnicy).
4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
PYTANIA KONTROLNE
Podać i omówić schemat połączeń układu pomiarowego do badania przebiegów czasowych
rozruchu silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale.
Podać i omówić schemat połączeń układu pomiarowego do badania przebiegów czasowych
rozruchu silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy obciążeniu na wale.
Podać i uzasadnić przebiegi prądu rozruchowego (twornika) i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadek rozruchu
bezpośredniego (znamionowe napięcie twornika, znamionowy prąd wzbudzenia, brak rezystancji
dodatkowej - rozruchowej). Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program
PSPICE). Wyróżnić trzy przypadki relacji między stałymi czasowymi silnika. Czy stałe czasowe
mają wpływ na czas rozruchu?
Podać i uzasadnić przebiegi prądu rozruchowego (twornika) i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadek rozruchu przy
napięciu twornika Ua = 0,5Uan. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program
PSPICE). Wyróżnić trzy przypadki relacji między stałymi czasowymi silnika. Jak jest efekt
obniżenia napięcia? Czy ma ono wpływ na stałe czasowe przebiegów i czas rozruchu?
Podać i uzasadnić przebiegi prądu rozruchowego (twornika) i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadek rozruchu z
rezystancją dodatkową w obwodzie twornika. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą
symulacyjną (program PSPICE). Omówić wpływ stałych czasowych silnika na charakter
przebiegów. Jak jest efekt rezystancji dodatkowej? Czy ma ona wpływ na stałe czasowe przebiegów
oraz na czas rozruchu?
Podać i uzasadnić przebiegi momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadek rozruchu
bezpośredniego. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE).
Wyróżnić trzy przypadki relacji między stałymi czasowymi silnika. Czy stałe czasowe mają wpływ
na czas rozruchu?
Podać i uzasadnić przebiegi momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadek rozruchu przy
napięciu twornika Ua = 0,5Uan. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program
PSPICE). Wyróżnić trzy przypadki relacji między stałymi czasowymi silnika. Jak jest efekt
obniżenia napięcia? Czy ma ono wpływ na stałe czasowe przebiegów i czas rozruchu?
Podać i uzasadnić przebiegi momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadek rozruchu z
rezystancją dodatkową w obwodzie twornika. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą
symulacyjną (program PSPICE). Omówić wpływ stałych czasowych silnika na charakter
przebiegów. Jak jest efekt rezystancji dodatkowej i czy ma ona wpływ na stałe czasowe przebiegów
oraz na czas rozruchu?
Podać i uzasadnić przebiegi prądu rozruchowego (twornika) i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadki rozruchu
bezpośredniego przy trzech wartościach prądu wzbudzenia: If = Ifn, If > Ifn, If < Ifn. Posłużyć się
przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). Jak jest efekt zmiany wartości
prądu wzbudzenia? Czy ma ona wpływ na stałe czasowe przebiegów oraz na czas rozruchu?
Ćwiczenie: BADANIE DYNAMIKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO. Pomiary komputerowe
11
10. Podać i uzasadnić przebiegi momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej silnika prądu
stałego (obcowzbudnego) przy braku obciążenia na wale. Rozważyć przypadki rozruchu
bezpośredniego przy trzech wartościach prądu wzbudzenia: If = Ifn, If > Ifn, If < Ifn. Posłużyć się
przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). Jak jest efekt zmiany wartości
prądu wzbudzenia? Czy ma ona wpływ na stałe czasowe przebiegów oraz na czas rozruchu?
11. Podać metody ograniczania wartości prądu rozruchowego silnika prądu stałego (obcowzbudnego).
Jakie są powody jego ograniczania? Jakie zaleca się krotność ustalonego prądu rozruchowego w
zastosowaniach praktycznych? Podać sposób szacowania wartości udarowego prądu rozruchowego.
5.
1.
6.
ZADANIA
Na podstawie wyników pomiaru rozruchu badanego silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy
braku obciążenia na wale (otwarty „obwód mechaniczny”):
• wykreślić przebiegi czasowe: napięcia i prądu twornika, momentu elektromagnetycznego
(wyliczyć wg wzoru (3)), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej;
• uzasadnić fizyczne i analitycznie charakter pomierzonych przebiegów;
• wyznaczyć wartości udarowe i ustalone: napięcia i prądu twornika, momentu
elektromagnetycznego (wyliczyć wg wzoru (3)), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej;
• wyznaczyć czas rozruchu i porównać go ze stałymi czasowymi silnika (elektromagnetyczną i
elektromechaniczną) oraz stałą rozruchową silnika, podać przyczyny rozbieżności.
Na podstawie dynamicznego modelu obwodowego silnika o danych wartościach parametrów
modelu obwodowego:
• obliczyć „ręcznie” (oszacować) wartości udarowe i ustalone: prądu twornika, momentu
elektromagnetycznego (wyliczyć wg wzoru (3)), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej.
• porównać z wynikami wyznaczonymi doświadczalnie, podać przyczyny rozbieżności.
2.
Na podstawie wyników pomiaru rozruchu badanego silnika prądu stałego (obcowzbudnego) przy
obciążeniu na wale (obciążony „obwód mechaniczny”):
• wykreślić przebiegi czasowe: napięcia i prądu twornika, momentu elektromagnetycznego
(wyliczyć wg wzoru (3)), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej;
• uzasadnić fizyczne i analitycznie charakter pomierzonych przebiegów;
• wyznaczyć wartości udarowe i ustalone: napięcia i prądu twornika, momentu
elektromagnetycznego (wyliczyć wg wzoru (3)), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej;
• wyznaczyć czas rozruchu i porównać go ze stałymi czasowymi silnika (elektromagnetyczną i
elektromechaniczną) oraz stałą rozruchową silnika, podać przyczyny rozbieżności.
Na podstawie dynamicznego modelu obwodowego silnika o danych wartościach parametrów
modelu obwodowego:
• obliczyć „ręcznie” (oszacować) wartości udarowe i ustalone: prądu twornika, momentu
elektromagnetycznego (wyliczyć wg wzoru (3)), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej.
• porównać z wynikami wyznaczonymi doświadczalnie, podać przyczyny rozbieżności.
3.
Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program PSPICE) dla zadania
1 (wybrać jeden z przebiegów, np.: napięcie twornika, prąd twornika, moment elektromagnetyczny,
prąd wzbudzenia lub prędkość obrotową). Podać przyczyny rozbieżności.
4.
Porównać wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program PSPICE) dla zadania
21 (wybrać jeden z przebiegów, np.: napięcie twornika, prąd twornika, moment elektromagnetyczny,
prąd wzbudzenia lub prędkość obrotową). Podać przyczyny rozbieżności.
SPRAWOZDANIE
Opracowanie sprawozdania powinno zawierać:
• stronę tytułową wg następującego układu wg wzoru podanego niżej;
• nr zadania;
• dane znamionowe, parametry modelu obwodowego i stałe czasowe badanego silnika (wartości
parametrów należy nanieść na rysunku przedstawiającym model obwodowy silnika!);
• określenie wymuszeń elektrycznych i mechanicznych;
• określenie warunków początkowych (wartości początkowe prądów i prędkości obrotowej);
12
M. RONKOWSKI, M. KAMIŃSKI, G. KOSTRO, M. MICHNA
• „ręczne” oszacowanie wartości udarowych i ustalonych wielkości badanych silnika oraz ich
porównanie z wartościami otrzymanymi na drodze doświadczalnej i symulacyjnej;
• uzasadnienie fizyczne i analityczne uzyskanych wyników
(powinno to być napisane w stylu inżynierskim! —- tzn. minimum języka tekstowego a
maksimum języka graficznego i symbolicznego);
• krótkę dyskusję wpływu dokładności pomiarów i założeń upraszczających modelu silnika na
uzyskane wyniki metodą doświadczalną i symulacyjną (program PSPICE);
• wykaz literatury wykorzystanej przy pisaniu sprawozdania.
Wzór strony tytułowej sprawozdania
POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN
ELEKTRYCZNYCH
LABORATORIUM
SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE
Kierunek Elektrotechnika Studia niestacjonarne 2-ego
stopnia, semestr 1
ĆWICZENIE
SILNIKI PRĄDU STAŁEGO
BADANIE CHARAKTERYSTYK DYNAMICZNYCH
ZASTOSOWANIE POMIARÓW KOMPUTEROWYCH
Opracowali:
Imię i nazwisko:
..............................................................
..............................................................
Nr grupy laboratoryjnej/dziekańskiej:
Data oddania sprawozdania:
Ocena:
7.
LITERATURA
1. S. Bolkowski: Stany nieustalone w obwodach elektrycznych. WNT, Warszawa, 1976.
2. R.H. Cannon (jr.): Dynamika układów fizycznych. WNT, Warszawa, 1973.
3. P.C. Krause i O. Wasynczuk: Electromechanical Motion Devices. Mc Graw -Hill Book Comp., New
York, 1989. Purdue University, USA.
4. P.C. Krause: Analysis of Electric Machinery. Mc Graus - Hill Book Comp., New York, 1986.
5. W. Latek: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1982.
6. Z. Manitius: Maszyny elektryczne cz. I, II. Skrypt PG, 1982, 1984.
7. M. Michna: Instrukcja Programu NIDAQScope rejestracji pomiarów z zastosowaniem karty
pomiarowej National Instruments MIO-PCI 16E4 i komputera PC. Materiały pomocnicze do
laboratorium maszyny elektryczne II. Podstawy dynamiki maszyn elektrycznych. Katedra
Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych. WEiA. PG, Gdańsk, 2001.
(www.ely.pg.gda.pl/e-mechatronika)
8. W. Paszek: Stany nieustalone maszyn elektrycznych prądu przemiennego. WNT, Warszawa, 1986.
9. M. Ronkowski: Szkic do wykładów z przedmiotu Maszyny elektryczne II. Dynamika maszyn
elektrycznych. Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych. WEiA. PG, Gdańsk, 2001.
(www.ely.pg.gda.pl/ e-mechatronika)
10. S. Roszczyk: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1979.
11. P. Zimny, K. Karwowski: SPICE klucz do elektrotechniki. Instrukcja, program, przykłady. Skrypt
PG, 1993.