Wyznaczanie charakterystyk statycznych

Wyznaczanie charakterystyk statycznych

Ćwiczenie:
Technika wyznaczania charakterystyk statycznych przekształtnikowych układów
napędowych
Cel i program ćwiczenia
1. Nauka uruchamiania tyrystorowego napędu prądu stałego i wstępnego nastawiania jego
charakterystyk
2. Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu
przemiennego obciążonego tyrystorowym zespołem napędowym prądu stałego
3. Nauczenie się uruchamiania i wstępnego nastawiania charakterystyk zespołu: silnik
indukcyjny - falownik ALSPA
4. Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu stałego
obciążonego zespołem: silnik indukcyjny - falownik napięcia ALSPA
Wiadomości wprowadzające
2.1. Równanie równowagi momentów mechanicznych, konwencje oznaczeń zmiennych
Podstawowymi zmiennymi opisującymi ruch układu napędowego są: kątowa prędkość
wirowania wału ω i momenty obrotowe m działające na wał silnika. Zamiast prędkości
kątowej ω, wyrażanej w radianach na sekundę, używa się też często równoważnej prędkości
obrotowej n , wyrażanej w obrotach wału silnika na minutę:
n=
ω
⋅ 60
2π
(2-0)
Aby uniknąć niejednoznaczności trzeba przyjąć umowy dotyczące określenia dodatniego
kierunku (zwrotu) prędkości i poszczególnych momentów. W Laboratorium przyjęto, że
dodatnim kierunkiem wirowania zespołu maszynowego jest kierunek, przy którym wał silnika
indukcyjnego zasilanego normalnie, napięciami o zgodnej kolejności faz, obraca się w prawo,
tzn. zgodnie z ruchem wskazówek zegara patrząc na silnik od strony sprzęgła. Nie zmienia się
tej umowy w przypadku ćwiczeń, w których zespół napędzany jest od strony maszyny prądu
stałego. Określenia "w prawo", "prędkość dodatnia" mają wówczas to samo znaczenie jak w
ćwiczeniach w których badany jest silnik indukcyjny.
Równanie
równowagi momentów obrotowych na wale silnika
można zapisać w
następującej postaci:
me _ s − mstr _ s − mw = md _ s
(2-1)
dω
dt
(2-2)
md _ s = J s ⋅
gdzie:
me_s
- moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik [Nm]
mstr_s - moment strat mechanicznych w silniku [Nm]
mw
- moment obciążający wał silnika i sprzęgło [Nm]
md_s
- moment dynamiczny potrzebny do zmiany prędkości silnika [Nm]
Js
- moment bezwładności silnika [kgm2]
ω
- prędkość kątowa silnika [rad/s]
Znaki minus w równaniu (2-1) są wyrazem umowy, że dodatni moment elektromagnetyczny
me działa zgodnie z przyjętym za dodatni zwrotem prędkości silnika ω, a dodatnie wartości
momentu strat mstr_s i momentu obciążenia mw oznaczają działanie w kierunku przeciwnym.
W momencie obciążającym wał mw można wyróżnić kilka składowych:
mw = mob + mstr _ ob + J ob
dω ω dJ ob
+ ⋅
dt 2 dt
(2-3)
Pierwsza składowa, użyteczny moment obciążenia mob, wyraża tę część momentu, która w
procesie technologicznym wykonuje użyteczną pracę. Drugi składnik uwzględnia straty w
układzie przeniesienia mocy mechanicznej od wału silnika do miejsca gdzie jest
wykorzystywana. Trzeci i czwarty składnik to momenty dynamiczne związane ze zmianą
prędkości i zmianą momentu bezwładności układu napędzanego. Parametr Job wyraża
sprowadzony do wału silnika zastępczy moment bezwładności wszystkich elementów
ruchomych związanych z wałem silnika. Takie sprowadzenie jest możliwe przy założeniu
idealnej sztywności wszystkich elementów przeniesienia napędu i tylko wtedy wzór (2-3) jest
2
słuszny. Przy założeniu sztywności połączeń momenty strat i momenty dynamiczne tak w
silniku jak i w maszynie roboczej zależą od tej samej prędkości ω. Istnieje więc naturalna
tendencja, aby łączyć je ze sobą i – rezygnując z określania momentu obciążenia wału
silnika mw – zastąpić równanie (2-1) bardzo podobnie wyglądającym równaniem (2-4):
me _ s − mstr − mob = md
(2-4)
gdzie:
me_s
- moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik
mstr
- łączny moment strat mechanicznych w silniku i układzie przeniesienia napędu
mob
- moment obciążenia użytecznego
md
- łączny moment dynamiczny potrzebny do zmiany prędkości silnika sztywno
sprzęgniętego z obciążeniem
Przy założeniu, że moment bezwładności obciążenia jest stały, można wyrazić łączny moment
dynamiczny następującym wzorem :
md = J ⋅
dω
dt
(2-5)
gdzie:
J = Js + Job - zastępczy łączny moment bezwładności silnika i maszyny napędzanej [kgm2]
Na rysunku 2.1a pokazano schemat kinematyczny odpowiadający równaniom 2-1 do 2-3.
Równaniom 2-4, 2-5 odpowiada schemat kinematyczny pokazany na rys.2.1b. Moment
obciążenia użytecznego mob. powiększony o moment strat mstr nazywany jest momentem
oporowym mop:
mop = mob + mstr
(2-6)
W Laboratorium jedna z dwóch sprzęgniętych ze sobą maszyn elektrycznych pracuje
jako silnik w badanym układzie napędowym, a druga stanowi obciążenie zastępując maszynę
roboczą. Równanie (2-4) pozostaje ważne, przy odpowiedniej interpretacji poszczególnych
składników:
me_s: moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik w badanym układzie napędowym
mstr: łączny moment strat mechanicznych zestawu maszynowego
3
mdyn: moment dynamiczny potrzebny do zmiany prędkości zestawu maszynowego
mob : moment
obciążenia równy
obciążającej, po
wartości momentu elektromagnetycznego maszyny
zmianie znaku: mob = -me_ob
Potrzeba zmiany znaku momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej wynika z
przyjętej dla wszystkich maszyn w Laboratorium silnikowej konwencji zwrotów momentu
względem prędkości.
a
1
2
Js
4
ω me_s
mstr_s
md_s
3
1+2+3
b
Job
J
ω me_s md
mw= md_ob.+mstr_ob+mob
mstr+mob=mop
Rys.2.1. Schemat kinematyczny układu napędowego: a) wyjściowy, b) zredukowany (1- silnik, 2sprzęgło, 3- maszyna robocza, 4- strzałki kierunkowe)
2.2. Charakterystyki mechaniczne napędu w stanie ustalonym
W ustalonym stanie równowagi układu napędowego wał silnika wiruje ze stałą
prędkością, moment dynamiczny jest równy zeru, a moment elektromagnetyczny silnika me_s
jest równy momentowi oporowemu mop. Właściwości napędu w stanach ustalonych można
przedstawiać m.in. w postaci charakterystyk mechanicznych pokazujących zależność
prędkości ω od momentu oporowego mop lub momentu obciążenia użytecznego mob. Przy
pominięciu strat mechanicznych charakterystyki te są identyczne z charakterystykami
prędkości w funkcji momentu elektromagnetycznego silnika napędowego me_s. Kształt
charakterystyk ω= f(me_s) zależy od struktury i parametrów układów regulacyjnych i
pomiarowych,
charakterystyk
przekształtnika,
a
także
-
zwłaszcza
dla
napędów
nieregulowanych - od typu i parametrów silnika.
Charakterystyki typowego napędu regulowanego, zdolnego do oddawania energii do sieci,
przedstawiono na rysunku 2.2b. Idealizowana charakterystyka składa się z trzech odcinków:
środkowego odpowiadającego pracy w zakresie stabilizacji prędkości i dwóch skrajnych,
odpowiadających pracy w zakresie stabilizacji momentu elektromagnetycznego silnika.
4
Środkowy odcinek jest niemal poziomy; mówimy o małym nachyleniu lub dużej sztywności
charakterystyki na tym odcinku. Napęd jest wówczas nieustępliwy, tzn. moment obciążenia w
bardzo niewielkim stopniu wpływa na prędkość. Niezależność prędkości od momentu
obciążenia zapewnia regulator prędkości, na który podawana jest różnica między prędkością
zadaną i zmierzoną, czyli uchyb regulacji prędkości. Regulator tak steruje przebiegiem
momentu elektromagnetycznego silnika, dopasowując go do aktualnego momentu obciążenia,
aby w stanie ustalonym uchyb regulacji prędkości był bliski zera. Położenie środkowego
odcinka charakterystyki można łatwo nastawiać poprzez zmianę wartości zadanej prędkości.
ωz
ω
Mz_max
1
mz
me
2
ω
I
3
I
me
Mz_min
III
a
b
IV
Rys. 2.2. Typowa struktura regulacyjna układu napędowego: a- schemat
blokowy, b- charakterystyki statyczne (1-regulator prędkości, 2- regulator
momentu, 3- przekształtnik, silnik i układy pomiarowe)
Dwa skrajne odcinki charakterystyki są niemal pionowe; mówimy w tym wypadku o
dużej miękkości lub ustępliwości charakterystyki mechanicznej. Niewielkie nawet zmiany
momentu obciążenia wywołują bardzo duże zmiany prędkości napędu, ponieważ moment
elektromagnetyczny nie jest już sterowany w funkcji uchybu prędkości, ale jest utrzymywany
na stałym poziomie przez regulator momentu. Przechodzenie od jednego do drugiego typu
charakterystyki odbywa się automatycznie, dzięki pokazanej na rys. 2.2a strukturze regulacji
z pętlą regulacji momentu podporządkowaną pętli regulacji prędkości. Jak długo sygnał
wyjściowy regulatora prędkości mieści się w zadanych granicach momentu maksymalnego
Mz_max i minimalnego Mz_min, tak długo moment elektromagnetyczny dostosowywany jest do
momentu obciążenia i napęd pracuje w strefie stabilizacji prędkości. Gdy sygnał wyjściowy
regulatora prędkości osiągnie jedną z granic, wówczas pętla regulacji prędkości zostaje
przerwana i moment elektromagnetyczny silnika jest utrzymywany przez regulator momentu
na stałym poziomie, zależnym od nastaw Mz_max , Mz_min ogranicznika napięcia wyjściowego
regulatora prędkości .
W przedstawionym wyżej uproszczonym opisie kształtowania charakterystyk kluczową
rolę odgrywają regulatory i układy pomiarowe dostarczające sygnałów prędkości i momentu,
5
a parametry obwodów mocy zdają się nie mieć żadnego znaczenia. Taki uproszczony obraz
jest bliski rzeczywistości, ale tylko w pewnych granicach zmian momentu i prędkości, poza
którymi mechanizmy regulacyjne nie mogą działać. Parametry sieci, przekształtnika i silnika
narzucają szereg ograniczeń na osiągalny obszar pracy napędu. Przykładowo, napędy
niezdolne do pracy prądnicowej, tzn. oddawania energii z maszyny do przekształtnika (i dalej
do sieci lub do innego odbiornika energii), nie mogą pracować w II i IV ćwiartce układu
ω
me_s
a
ω
mstr
mob
ω
b
c
Rys.2.3. Wpływ momentu strat mechanicznych na charakterystyki statyczne napędu: awykres prędkości w funkcji momentu elektromagnetycznego silnika b- zależność momentu
strat od prędkości, c-wykres prędkości w funkcji momentu obciążenia
współrzędnych (me, ω). Niektóre typy napędów nie umożliwiają rewersji (zmiany znaku)
momentu; ich zakres pracy jest ograniczony do ćwiartek I i IV.
Wartości maksymalne
prędkości i momentu nie mogą (nie powinny) przekraczać wartości dopuszczalnych
wynikających z parametrów sieci, przekształtnika i silnika. W przypadku wielu napędów
zakres regulacji prędkości jest również poważnie ograniczony od dołu. Napędy
nieregulowane lub nie w pełni regulowane mogą mieć charakterystyki znacznie odbiegające
od idealizowanej trójodcinkowej charakterystyki pokazanej na rys. 2-2b.
Moment strat mechanicznych, pominięty w dotychczasowych rozważaniach, powoduje że
kształt charakterystyki mechanicznej w funkcji momentu obciążenia ω(mob) nieznacznie
odbiega od charakterystyk w funkcji momentu oporowego lub elektromagnetycznego ω(me_s).
Różnice są widoczne przede wszystkim na odcinkach charakterystyki o dużym nachyleniu.
Moment strat działa zawsze w kierunku przeciwnym do prędkości. Powoduje to przesunięcie
charakterystyki ω(mob) w lewo dla prędkości dodatnich i w prawo dla prędkości ujemnych
(rys.2.3). Skokowa zmiana momentu przy prędkości zerowej jest wywołana tarciem suchym.
6
Punkt pracy na charakterystyce mechanicznej napędu zależy od aktualnego obciążenia. W
przypadku, gdy moment obciążenia jest funkcją prędkości, najdogodniej jest wyznaczyć
punkt pracy z przecięcia się charakterystyki mechanicznej napędu ω=f(mob) z odwróconą
charakterystyką zależności momentu obciążenia od prędkości. W Laboratorium moment
obciążenia jest w większości ćwiczeń kształtowany przez regulowany układ napędowy o
trójodcinkowych charakterystykach zbliżonych kształtem do przedstawionych na rys. 2.2.
Moment obciążenia jest wówczas równy momentowi elektromagnetycznemu maszyny
obciążającej po zmianie znaku (mob = -me_ob). Oznacza to, że dla wykreślenia charakterystyki
prędkości w funkcji momentu obciążenia trzeba obrócić względem osi pionowej
charakterystykę prędkości w funkcji momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej,
pokazaną na rys.2.4b. Aby zmieniać punkt pracy badanego napędu – możemy się posłużyć
zarówno możliwością przemieszczania środkowego odcinka charakterystyki układu
obciążającego, jak i jej odcinków skrajnych.
Punkt pracy można nastawić łatwiej i
precyzyjniej, gdy charakterystyki: badana i obciążenia przecinają się pod możliwie dużym
kątem. Wynika z tego, że przemieszczając punkt pracy po stromo nachylonych częściach
charakterystyki badanej korzystniej jest zmieniać wartość zadaną prędkości układu
obciążeniowego (rys. 2.4c), a przy zdejmowaniu sztywnej części charakterystyki lepiej
operować poziomem ograniczenia momentu maksymalnego (rys.2.4d). Pierwszy sposób
ω
ω
me_o
mob
b
a
ω
ω
mob
mob
d
c
Rys.2.4. Wyznaczanie charakterystyki mechanicznej napędu: a-badana charakterystyka, bcharakterystyka momentu elektromagnetycznego maszyny obciążającej przy zerowej
prędkości zadanej układu obciążającego. c- zmiana obciążenia przez zmianę prędkości
zadanej, d- zmiana obciążenia przez zmianę momentu ograniczenia Mz_max przy ujemnej
wartości prędkości zadanej
7
(zmiana prędkości zadanej) pozwala zdjąć całą charakterystykę, drugi tylko jej część; aby
zdjąć pozostałe części trzeba zmienić wartość zadaną prędkości.
2.3. Uproszczony schemat zespołu: przekształtnik DML – maszyna prądu stałego i
sposoby wpływania na jego charakterystyki
Uproszczony schemat obwodów mocy i sterowania napędem prądu stałego z
dwukierunkowym 2-pulsowym przekształtnikiem tyrystorowym DML pokazano na rys.
2.5. Przekształtnik składa się z diodowego prostownika wzbudzenia (9), oraz
tyrystorowego prostownika w obwodzie twornika (8). Prostownik wzbudzenia jest pod
napięciem od chwili załączenia zasilania sieciowego przekształtnika DML, natomiast
prostownik w obwodzie twornika dopiero po załączeniu dodatkowego stycznika (7). W
obwód wzbudzenia można włączyć dodatkowe rezystancje, pozwalające obniżyć poziom
prądu i strumienia wzbudzenia. W podstawowej konfiguracji połączeń, widocznej na
rys.2.4, wykorzystywany jest opornik tak dobrany, aby napęd mógł pracować w obu
kierunkach wirowania przy prędkościach przekraczających o około 10% prędkość
znamionową. W obwód twornika może być włączony dodatkowy dławik zmniejszający
tętnienia prądu.
Struktura regulacyjna przekształtnika odpowiada mniej więcej
ogólnej strukturze
przedstawionej na rysunku 2.2a. W maszynie obcowzbudnej prądu stałego pracującej przy
stałym strumieniu wzbudzenia moment elektromagnetyczny jest proporcjonalny do prądu
twornika. Dlatego rolę regulatora momentu może pełnić regulator prądu twornika (6),
podporządkowany regulatorowi prędkości (4). Ogranicznik sygnału wyjściowego
regulatora prędkości zapewnia utrzymywanie prądu twornika w dopuszczalnych granicach
±Ia_ogmax . Granice te można zawężać wstawionym między regulator prędkości a regulator
prądu dodatkowym, zewnętrznym potencjometrem P2 (5). Nadmierne zawężenie tych
granic spowodowałoby utratę sterowalności napędu, dlatego zastosowano szeregowo
włączone z potencjometrem diody, uniemożliwiające zmniejszenie prądu ograniczenia do
zera.
Zakres
prądu ograniczenia ±Ia_og, możliwy do osiągnięcia nastawianiem
potencjometru P2 wynosi orientacyjnie ±(0.3 .. 1)Ia_ogmax dla napędów bez dławika
8
wygładzającego i ±(0.5 .. 1)Ia_ogmax dla napędów z dławikiem w obwodzie twornika.
Zależność prądu ograniczenia Ia_og od nastawy potencjometru P2 nie jest liniowa.
Zależnie od pozycji umieszczonego na płycie czołowej przekształtnika przełącznika
(3), do regulatora prędkości jako sygnał sprzężenia zwrotnego może być doprowadzony
jeden z dwóch sygnałów:
―
napięcie prądniczki tachometrycznej
―
sygnał proporcjonalny do napięcia na zaciskach wyjściowych przekształtnika.
3x220V, 50Hz
3x230V,
50Hz
1
7
4
5
6
8
2
9
3
10
11
12
Rys.2.5. Schemat zespołu napędowego DML-maszyna prądu stałego ( 1- przełącznik 'lewoprawo' zadanego kierunku prędkości, 2- potencjometr P1 zadawania prędkości, 3 – przełącznik
u/n rodzaju sprzężenia zwrotnego, 4- regulator prędkości, 5-potenjometr P2 ogranicznania
momentu maksymalnego, 6- regulator prądu twornika, 7- stycznik zasilania przekształtnika w
obwodzie twornika, 8 – przekształtnik w obwodzie twornika, 9- prostownik wzbudzenia, 10- pole
łączeniowe tablicy mocy, 11- prądnica tachometryczna, 12- maszyna obcowzbudna prądu stałego
9
W przypadku sprzężenia napięciowego regulator przestaje regulować prędkość, ale stara
się stabilizować napięcie na wyjściu przekształtnika. Powoduje to, że wskutek spadków
napięcia na rezystancjach twornika, środkowy odcinek charakterystyk mechanicznych
napędu staje się bardziej ustępliwy niż w przypadku sprzężenia prędkościowego. Jest to
cecha raczej niekorzystna przy ocenie właściwości układu jako badanego napędu,
natomiast pożądana przy wykorzystywaniu układu jako obciążenia. Dzięki niej możliwe
jest w miarę wygodne ustalanie punktu pracy na całej charakterystyce obciążenia
badanego napędu przy wykorzystywaniu jednego tylko potencjometru P1. Nachylenie
Rys. 2.6 Widok pola łączeniowego DML na tablicy sterowania i pomiarów: a- przed
połączeniem, b- po połączeniu podstawowej konfiuracji
charakterystyk mechanicznych zespołu DML - maszyna prądu stałego można radykalnie
zwiększyć włączając w obwód twornika dodatkowe rezystancje wyprowadzone na tablicę
łączeniową obwodów mocy.
Zewnętrzne elementy sterujące i sygnalizacyjne przekształtnika DML są umieszczone
na tablicy sterowania i pomiarów. Widok fragmentu pola DML tej tablicy przed i po
połączeniu pokazano na rys. 2.6. Oprócz omówionych dotychczas elementów sterujących
znajdują się tam:
― przełącznik 'lewo-prawo' do zadawania kierunku wirowania,
10
― przełącznik 'blokada-start' do blokowania i odblokowywania impulsów sterujących
przekształtnikiem,
― przycisk 'reset' do kwitowania stanu awaryjnego wyłączenia (zablokowania impulsów)
napędu,
― łącznik 'zero-P1' do zadawania prędkości
Łącznik do zadawania prędkości łączy wyjście potencjometru P1 z jednym z trzech wejść
zadających regulatora. Wejście oznaczone napisem 'łagodne' jest de facto wejściem
dodatkowego członu ograniczającego pochodną sygnału zadanego prędkości. Dwa pozostałe
wejścia doprowadzają sygnał bezpośrednio do regulatora.
ω
a
c
ωN
b
mob
−ωN
Rys.2.7. Trzy typy charakterystyk zespołu obciążającego: a- moment bierny
imitujący charakterystykę tarcia suchego, b- moment czynny c-moment zależny
od prędkości
Sugerowany sposób postępowania przy wykorzystywaniu zespołu DML-maszyna prądu
stałego jako zespołu obciążającego dla wyznaczania charakterystyk statycznych badanego
napędu:
― połączyć obwody mocy
sterowania zgodnie z programem ćwiczenia, kierując się
wskazówkami do ćwiczenia 1.
― nastawić potencjometry P1 i P2 na minimum
― uruchomić badany napęd i sprawdzić jego działanie na biegu jałowym
― odblokować przekształtnik załączając przełącznik START/Blokada. Spowoduje to
obciążenie napędu momentem nie przekraczającym połowy momentu znamionowego.
11
― zwiększać obciążenie zwiększając nastawę potencjometru P2
― dla zmniejszenia obciążenia ustawić przełącznik 'lewo-prawo' w pozycji zgodnej z
kierunkiem wybranym dla badanego napędu i zwiększać nastawę potencjometru P1, aż do
zaobserwowania zmiany (zmniejszenia) obciążenia. Dla precyzyjnego ustawienia punktu
pracy użyć potencjometru P2.
Powyższy sposób postępowania jest odpowiedni dla wyznaczenia punkt po punkcie
charakterystyki statycznej badanego napędu. Podczas badania zachowania się napędu w
stanach nieustalonych, np. przy rozruchu lub nawrocie pod obciążeniem istotne jest, aby
ukształtować charakterystyki układu obciążającego zgodnie z jedną z typowych
charakterystyk maszyn roboczych. Podstawowa konfiguracja połączeń zespołu DMLmaszyna prądu stałego daje możliwość realizacji następujących typów charakterystyk
obciążenia, pokazanych na rys.2.7 :
a) Charakterystyka z dominującym momentem biernym wywołanym tarciem suchym.
Moment obciążenia zmienia skokowo swą wartość przy zmianie kierunku wirowania
(rys.2.7a). Dla realizacji tej charakterystyki potencjometr P1 nastawiany jest na zero, a
potencjometrem P2 ustawia się żądaną wartość momentu obciążenia. Dla usztywnienia
środkowej części charakterystyki przełącznik 'u/n' można przełączyć w pozycję 'n'.
b) Charakterystyka z dominującym momentem czynnym (aktywnym). Moment nie zmienia
znaku przy zmianie kierunku wirowania. Dla realizacji tej charakterystyki potencjometr
P1 nastawia się na maksimum a przełącznik 'lewo-prawo' odpowiednio do żądanego
znaku momentu obciążenia. Przełącznik ustawiony w pozycji 'lewo' daje moment
obciążenia mob. dodatni (rys 2.7b), a ustawiony w pozycji 'prawo' – moment obciążenia
ujemny. Dla prędkości mieszczących się w zakresie roboczym (około ±1700 obr/min)
utrzymywana jest stała wartość momentu obciążenia, zależna od nastawienia
potencjometru P2. W przypadku przekroczenia prędkości znamionowej i osiągnięcia
granicy obszaru roboczego – moment jest zmniejszany i utrzymywana jest stała,
bezpieczna prędkość. Zakres prędkości roboczych można zawęzić zmniejszając nastawę
potencjometru P1.
c) Charakterystyka z dominującym momentem biernym zależnym od prędkości. Moment
zmienia znak przy zmianie kierunku wirowania ale przy prędkościach bliskich zera jest
znikomy (brak tarcia suchego). Ten typ charakterystyki można zrealizować włączając
dodatkową rezystancję w obwód twornika maszyny obciążającej, przy nastawieniu
12
potencjometru P1 na zero, a przełącznika 'u/n' w pozycję 'u'. Trójodcinkowy przebieg
charakterystyki (rys.2.7c) może służyć jako zgrubne przybliżenie często spotykanych
charakterystyk wentylatorowych. Charakterystyki tego typu stwarzają znacznie lżejsze
warunki rozruchu w porównaniu z poprzednimi przypadkami.
Opisane metody kształtowania charakterystyk układu obciążającego dotyczą podstawowej
konfiguracji połączeń, w której elementami kształtującymi są ręcznie ustawiane
potencjometry i przełączniki. Szersze możliwości kształtowania charakterystyk powstają po
zastąpieniu potencjometrów elementami sterowanymi analogowo lub cyfrowo. Będącymi do
dyspozycji elementami sterowanymi sygnałem analogowym są mnożarki, których gniazda są
dostępne w dolnej części tablicy sterowania i pomiarów. Włączając mnożarkę zamiast
potencjometru P2 między regulator prędkości lub napięcia a regulator prądu twornika,
uzyskuje się możliwość uzależnienia prądu ograniczenia Ia_ogr i momentu ograniczenia Mogr
od sygnału analogowego, np., prędkości ω. W stanowiskach wyposażonych w komputer z
kartą pomiarowo-sterującą zamiast mnożarki można wykorzystać mnożący przetwornik
cyfrowo analogowy. Cyfrowy sygnał sterujący jest wówczas generowany programowo, co
stwarza znacznie szersze możliwości kształtowania charakterystyk obciążenia a ponadto
umożliwia częściową automatyzację i rejestrację charakterystyk statycznych badanych
napędów. W chwili pisania skryptu programy sterująco-rejestrujące i dodatkowe układy
sprzętowe (filtry antyaliasingowe) nie są jeszcze gotowe. Po uruchomieniu ćwiczeń z
częściową automatyzacją pomiarów ich opisy znajdą się w plikach dyskowych komputera na
danym stanowisku.
2.4. Obliczanie momentu obrotowego na podstawie pomiarów zmiennych elektrycznych
W przypadku gdy moment obciążenia wytwarzany jest przez maszynę prądu stałego, jego
przybliżoną średnią wartość Mob. w stanie ustalonym można obliczyć z następującego wzoru:
M ob ≡ − M e _ ob = − kΦ ⋅ I a
(2-7)
gdzie:
kΦ - stała wzbudzenia [Wb]
13
Ia - średnia wartość prądu twornika maszyny obciążającej [A]
Prąd twornika Ia jest wyznaczany z pomiarów. Strumień wzbudzenia zależy od napięcia
zasilania i parametrów (m.in. rezystancji) obwodu wzbudzenia, a także w pewnym stopniu od
prądu twornika. Proponuje się obliczać strumień z następującego wzoru, aproksymującego
reakcję twornika funkcją kwadratową:
 I
kφ = kφ f − kφa  a
 I aN



2
(2-8)
Parametry kφf, kφa wyznaczone z szczegółowych pomiarów identyfikacyjnych każdego
zespołu obciążającego będą podane ćwiczącym przed rozpoczęciem zajęć, a także dostępne
wraz z formułami obliczeń w arkuszach kalkulacyjnych przygotowanych dla każdego
stanowiska. Aktualność parametru kφf należy zweryfikować przed rozpoczęciem serii
pomiarów, mierząc prędkość n i napięcie twornika Ua maszyny obciążającej przy otwartym
obwodzie twornika (ia=0), aby następnie obliczyć kφf z wzoru (2-9):
kφ f =
Ua
 n 
2 ⋅π ⋅  
 60 
(2-9)
Dla zmniejszenia wpływu błędów pomiarowych należy utrzymywać prędkość nie mniejszą
niż 500 obr/min oraz uśrednić wynik obliczeń z pomiarów dla kilku prędkości dodatnich i
kilku ujemnych.
W niektórych ćwiczeniach, w których badany jest napęd prądu stałego, jako
obciążenie wykorzystywany jest sterowany wektorowo silnik indukcyjny współpracujący z
przemiennikiem częstotliwości. Program sterujący przekształtnikiem wylicza m.in. moment
elektromagnetyczny silnika, na podstawie wzoru analogicznego do 2-7. Strumień
magnetyczny i składowa prądu stojana odpowiedzialna za moment są wyliczane w sztucznym
układzie współrzędnych wirujących synchronicznie z polem magnetycznym w maszynie. Nie
należy przeceniać dokładności tak obliczonego przez program momentu, tym nie mniej
wynik udostępniany przez program jest znacznie dokładniejszy niż wynik uzyskany z
obliczeń na podstawie zewnętrznych pomiarów prędkości, napięć i prądów stojana.
14
W celu wyznaczenia momentu oporowego Mop do momentu obciążenia Mob. należy
dodać moment strat mechanicznych. Dla każdego zespołu maszynowego zostały wyznaczone
charakterystyki
momentu
strat
mechanicznych
w
funkcji
prędkości
obrotowej.
Charakterystyki te zostały aproksymowane następującym wzorem:
M str
 ω
= M 0 ⋅ sign(ω ) + M 1 ⋅ 
 ΩN

 ω
 + M 2 ⋅ 

 ΩN
2

 ⋅ sign (ω )

(2-10)
Parametry M0, M1, M2 wyznaczone z dokładnych pomiarów identyfikacyjnych każdego
zespołu są dostępne w arkuszu ‘Dane maszyn w Laboratorium.xls’.
Sposób wykonania ćwiczenia
2.1. Nauka uruchamiania i wstępnego nastawiania charakterystyk tyrystorowego napędu
prądu stałego
Wywołać i wystartować symulator. Połączyć stanowisko do pracy w strukturze: maszyna
prądu stałego zasilana z prostownika DML, bez dławika i bez rezystorów dodatkowych w
obwodzie twornika, z rezystorem dodatkowym 500 om w obwodzie wzbudzenia (struktura
'e2' z poprzedniego ćwiczenia). Przełącznik rodzaju sprzężenia zwrotnego
'u/n' w
przekształtniku DML ustawić w pozycji 'u'. Potencjometr P1 w polu DML tablicy sterowania
ustawić na 5 obrotów, a łącznik kierunku wirowania 'lewo/prawo' w prawo; pozostałe
elementy nastawcze pozostawić w pozycjach wyjściowych.
Załączyć łącznik ZASILANIE oraz stycznik przekształtnika DML, po czym odblokować
przekształtnik przełącznikiem 'blok/start' i załączyć sygnał zadanego napięcia twornika
łącznikiem 'zadawanie bezpośrednie'. Podczas rozruchu i w stanie ustalonym obserwować
wskazania przyrządów mierzących napięcie i prąd twornika Ua, Ia oraz prędkość. Zmienić
nastawę potencjometru P1. Sprawdzić, czy istnieje proporcjonalność między nastawą tego
potencjometru a napięciem twornika i prędkością na biegu jałowym. Sprawdzić, jakie są
15
wartości
maksymalne napięcia i prędkości przy potencjometrze P1
nastawionym na
maksimum (10 obrotów).
Dokonać nawrotu napędu przełączając łącznik kierunku 'lewo/prawo' w lewo. Sprawdzić
zależność napięcia i prędkości od nastawy potencjometru P1 przy zmienionym kierunku
wirowania zespołu. Sprawdzić napięcie i prędkość maksymalną (co do wartości
bezwzględnej) przy zmienionym kierunku wirowania.
W bloku 'y(x)' włączyć tryb 'trajektorie' nad oknem wykresów prędkości w funkcji momentu
silnika prądu stałego, po czym wrócić do schematu głównego. Zaobserwować wartości prądu
twornika jakie są utrzymywane przez przekształtnik podczas nawrotów prawo-->lewo i lewo->prawo. Zmienić (zmniejszyć) nastawę potencjometru P2 i ponownie obserwować wartości
prądów twornika podczas nawrotów. Powtórzyć obserwacje dla kilku nastaw potencjomeru
P2. Wyciągnąć wnioski odnośnie do zależności maksymalnych prądów rozwijanych przez
napęd tyrystorowy od nastaw P2, P1 i od aktualnej prędkości napędu. Zastanowić się nad
przybliżonym przebiegiem charakterystyk Ia = f(n) dla różnych nastaw potencjometrów P1 i
P2. Naszkicować te charakterystyki w układzie współrzędnych: n = f (Me) , zakładając że
moment elektromagnetyczny Me silnika prądu stałego jest proporcjonalny do prądu twornika
Ia. Porównać wyniki rozważań z kształtami trajektorii n=f(me2) zarejestrowanymi w bloku
y(x). Jak będą wyglądały charakterystyki w odwróconym układzie współrzędnych n =
f(Mob), jeżeli potraktujemy maszynę prądu stałego nie jako silnik, a jako obciążenie
(Mob= -Me) ?
Zatrzymać napęd łącznikiem zadawania prędkości (napięcia). Zablokować przekształtnik i
wyłączyć zasilanie stanowiska.
Połączyć ponownie obwód wzbudzenia bez dodatkowej
rezystancji. Uruchomić napęd i sprawdzić jakie rozwija maksymalne prędkości w obu
kierunkach wirowania. Uzasadnić, dlaczego są one mniejsze niż poprzednio. Sprawdzić, czy
zmieniły się nastawiane potencjometrem P2 wartości maksymalne prądu twornika,
obserwowane podczas rozruchu lub nawrotów napędu.
Wyłączyć napęd i przywrócić
poprzedni układ połączeń oraz pierwotne nastawy potencjometrów i łączników.
2.2.
Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu
przemiennego obciążonego tyrystorowym zespołem napędowym prądu stałego
16
Połączyć silnik indukcyjny do zasilania
bezpośrednio z sieci, kierunek wirowania w
prawo. Silnik prądu stałego pozostawić połączony jak w poprzednim punkcie. Załączyć
zasilanie i dokonać bezpośredniego rozruchu silnika indukcyjnego. Załączyć stycznik
przekształtnika DML i odblokować układ sterowania przekształtnikiem, bez załączania
łącznika zadawania prędkości. Przeanalizować zachowanie się napędu po tej operacji.
Naszkicować przybliżony przebieg charakterystyk mechanicznych silnika: n=f(Ms) oraz
charakterystyki zespołu obciążającego n=f(Mob).
Przy nastawie potencjometru P1=5 obrotów i przełączniku kierunku ustawionym w prawo
zamknąć łącznik zadawania bezpośredniego. Wyjaśnić, dlaczego nie obserwuje się żadnej
reakcji napędu na tę operację? Jak zmieniła się charakterystyka obciążenia n=f(Mob) po
zamknięciu łącznika?
Sprawdzić, w jakim zakresie można zmieniać punkt pracy ustalonej napędu (Mob,n)
zmieniając nastawę potencjometru P2. Moment obciążenia wyliczać jako iloczyn prądu
twornika ze zmienionym znakiem ( -Ia ) przez stałą strumienia kFi=1.4Vs. Na tle
charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego n=f(Ms) naszkicować charakterystyki
zespołu obciążającego n=f(Mob) przy skrajnych nastawach potencjometru P2.
Nastawić potencjometr P2 na maksimum i zwiększać nastawę potencjometru P1 od wartości
P1=5 obrotów aż do wartości przy której zaobserwuje się reakcję napędu (zmniejszenie
momentu obciążenia). Zwrócić uwagę na znak i wartość prądu twornika Ia oraz mocy Ps
pobieranej przez jedną fazę silnika indukcyjnego.
Sprawdzić, w jakim zakresie nastaw
potencjometru P1 można zmieniać obciążenie, oraz jaki jest zakres zmian tego obciążenia i
prędkości. Zarejestrować kilka punktów charakterystyki mechanicznej silnika naciskając
klawisz '1x' (przed naciśnięciem odczekać chwilę do osiągnięcia stanu ustalonego). Wyniki
obejrzeć w bloku y(x) na wykresie n=f(me1).
Przy nastawie P1 odpowiadającej pracy generatorowej silnika indukcyjnego zmienić
położenie łącznika kierunku z 'prawo' na 'lewo'. Przeanalizować zachowanie się napędu po tej
operacji. Wypróbować możliwości skokowego zadawania momentu obciążenia (dodatniego
lub ujemnego)
poprzez blokowanie i odblokowywanie przekształtnika DML łącznikiem
blok/start.
Za zgodą prowadzącego powtórzyć wybrane punkty programu na stanowisku fizycznym
17
2.2. Nauczenie się uruchamiania i wstępnego nastawiania charakterystyk zespołu: silnik
indukcyjny - falownik ALSPA
Połączyć stanowisko do pracy w strukturze (d): silnik indukcyjny zasilany przez przemiennik
częstotliwości ALSPA. Załączyć ZASILANIE i obserwować wskazania przyrządów i
wyświetlaczy w panelu ALSPA. Nastawić potencjometr P1 na około 5 obrotów, przełącznik
kierunku w 'prawo'. Odblokować przekształtnik łącznikiem 'blok/zezwol', po czym załączyć
sygnał zadany łącznikiem 'stop/start'. Obserwować wskazania przyrządów oraz przebiegi
prędkości, prądu i napięcia silnika: n, iAB, uAB. Odczytać wskazania pomiarów dostępnych
za
pośrednictwem
panelu
sterującego
przekształtnikiem.
Sprawdzić,
czy
istnieje
proporcjonalność między nastawą potencjometru P1 i prędkością n. Ustawić wyświetlacz
ALSPy na odczyt momentu silnika i dokonać nawrotu przez przełączenie łącznika kierunku
'lewo/prawo'. Powtórzyć nawroty dla kilku wartości nastaw potencjometru P2. Sprawdzić, czy
istnieje proporcjonalność między tymi nastawami, a momentem rozwijanym przez silnik
podczas nawrotu (Uwaga: zadawanie prędkości w ALPSPIe jest zawsze 'łagodne', tzn.
maksymalne przyspieszenie podczas nawrotów jest ograniczane przez zadajnik prędkości).
Zatrzymać i wyłączyć napęd w kolejności odwrotnej do załączania.
Za zgodą prowadzącego uruchomić i sprawdzić działanie napędu na stanowisku fizycznym.
2.4.
Opanowanie techniki wyznaczania charakterystyk mechanicznych napędu prądu
stałego obciążonego zespołem: silnik indukcyjny - falownik napięcia ALSPA
Połączyć stanowisko jak w punktach 1 i 3 łącznie. Uruchomić napęd od strony
przekształtnika DML. Potencjometrem P1 nastawić napięcie Ua=220V. W polu sterowania
ALSPĄ ustawić P1=5obrotów, P2=1obrót, kierunek prawo. Odblokować ALSPĘ. . Zamknąć
łącznik 'start' i postępować dalej analogicznie jak w punkcie 3.2, jednak tym razem
zmieniając ustawienia ALSPA a nie DML. Zanotować podobieństwa i różnice. Porównać
moment maszyny indukcyjnej (tym razem traktowany jako moment obciążenia ze
18
zmienionym znakiem, -Mob) z momentem elektromagnetycznym silnika prądu stałego
wyliczanym ze wzoru Me=kFi*Ia.
Zawartość sprawozdania
W sprawozdaniu należy:
•
Wymienić i krótko opisać wykonane w trakcie ćwiczenia zadania
•
Zamieścić szkice charakterystyk wykonane podczas ćwiczeń. Bardziej szczegółowo
opisać te punkty programu które sprawiły trudności, były niejasne, lub zbyt
pracochłonne.
•
Przedstawić i uzasadnić propozycje zmian w programie ćwiczenia.
•
Przedstawić szczegółowe uwagi dotyczące działania symulatora, opisać zauważone
błędy, zgłosić propozycje udoskonaleń.
19