Politechnika Radomska Wydział Transportu		LABORATORIUM Maszyn i Napędów Elektrycznych			Data:
Imię i Nazwisko:			Grupa:	Zespół	Rok akademicki:
Nr ćwiczenia:	Temat: Badanie silnika szeregowego zasilanego impulsowo.				Ocena i podpis:

1. Wiadomości wstępne.

W taborze trakcyjnym prądu stałego podstawowym dotychczas sposobem dokonywania rozruchu silników trakcyjnych jest rozruch oporowy, polegający na zmianie rezystancji w obwodzie twornika. Oporność ta jest stopniowo zmniejszana w miarę wzrostu prędkości obrotowej silnika. Opory rozruchowe obniżają napięcie na zaciskach silnika, ale pochłaniają przy tym znaczne ilości energii. W celu ograniczenia tych strat w trakcji elektrycznej stosuje się przełączanie silników w czasie rozruchu, rozpoczynając od połączenia szeregowego. Napięcie zasilające silniki zmienia się w dwóch lub trzech skokach. Energia tracona w oporach rozruchowych stanowi przy dużej ilości zatrzymań np. w komunikacji podmiejskiej około 15% całej energii zużywanej przez pojazdy (bez przełączania silników straty są dwukrotnie większe). Ponadto przy tym sposobie rozruchu mogą występować wahania wielkości momentu obrotowego, powodujące szarpnięcia taboru i ułatwiające poślizg.

Zastosowanie zasilania impulsowego eliminuje lub ogranicza wady występujące tradycyjnym sposobem zasilania silnika. Opracowanie i rozwój półprzewodnikowych elementów energoelektroniki umożliwiło realizację rozwiązania teoretycznie znanego od dawna polegającego na cyklicznym załączaniu i wyłączaniu zasilania. Praca tyrystorowego przekształtnika impulsowego (chopera) polega na przetwarzaniu napięcia stałego o wielkości nieregulowanej na napięcie stałe o wartości regulowanej-(rys. 1).

Rys. A Zasada sterowania impulsowego

Średnia wartość napięcia doprowadzonego do zacisków silnika wynosi:

gdzie:

Us- napięcie sieci zasilającej,

współczynnik wypełnienia impulsu.

Aby wyeliminować oddziaływanie wyższych harmonicznych na sieć zasilającą na wejściu urządzenia znajduje się filtr wejściowy (L_f, C_f), a silnik jest zbocznikowany diodą prądu zerowego Do. Dzięki temu tętnienia prądu w sieci zasilającej i w obwodzie silnika są wygładzone i zmniejszane do wartości dopuszczalnych. Zasada działania sterowania impulsowego przedstawionego na rys. 1 jest następująca. Kiedy łącznik tyrystorowy ŁT przewodzi, prąd płynie z sieci zasilającej do silnika i równocześnie jest magazynowana energia w indukcyjnościach L_s i L_f. W czasie tego cyklu prąd w obwodzie silnika wzrasta, natomiast napięcie na kondensatorze filtru C_f maleje. Po upływie czasu t_p łącznik ŁT przestaje przewodzić powodując przerwanie dopływu prądu ze źródła do silnika. Dzięki energii zmagazynowanej w indukcyjności L_f prąd z sieci płynie nadal ładując kondensator C_f. Prąd silnika jest podtrzymywany energią zmagazynowaną w indukcyjności L_f i zamyka się przez diodę prądu zerowego D_o. Powtarzając zamykanie i otwieranie łącznika ŁT z dostatecznie dużą częstotliwością otrzymamy średni prąd silnika I_M.

Ponieważ dla γ<1 napięcie na zaciskach silnika jest mniejsze od napięcia sieci, zgodnie z prawem zachowania energii wartość prądu pobieranego z sieci będzie mniejsza od prądu silnika i wynosi:

Doprowadzenie do silnika napięcia w postaci ciągu prostokątnych impulsów wpływa niekorzystnie na jego pracę. Ciąg ten można przedstawić w postaci sumy średniej wartości napięcia i szeregu składowych harmonicznych o częstotliwościach będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowej f_i i amplitudach zależnych od współczynnika wypełnienia impulsu:

Powoduje to pogorszenie warunków pracy silnika a w szczególności:

• zwiększenie strat w uzwojeniach i w obwodzie magnetycznym silnika ze względu na pulsacje prądu, strumienia i straty występujące w łączniku tyrystorowym,

• pogorszenie jakości komutacji,

• powstawanie pulsacji momentu obrotowego i jego zmniejszenie,

• zmianę rozkładu temperatury w obwodzie magnetycznym, w uzwojeniach i komutatorze,

• powstawanie trudniejszych warunków pracy dla izolacji uzwojeń.

Mając na uwadze te niedogodności należy dążyć do takiej konstrukcji silnika prądu stałego zasilanego impulsowo aby był mało wrażliwy na składowe przemienne prądu. Sprawność silnika zasilanego impulsowo jest mniejsza o kilka procent od sprawności tego samego silnika zasilanego tradycyjnie.

Jest to spowodowane większymi stratami występującymi w obwodzie magnetycznym silnika związanymi z pulsacjami prądu i strumienia. Natomiast sprawność całego układu napędowego zasilanego impulsowo jest większa od sprawności układu zasilanego z sieci prądu stałego przez opornik rozruchowy, którym jednocześnie reguluje się prędkość obrotową silnika. Jest to wynikiem zdecydowanie większych strat występujących w oporniku w porównaniu z łącznikiem tyrystorowym.

Zastosowanie impulsowego zasilania silników trakcyjnych umożliwia:

• znaczne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej,

• uzyskanie płynnego rozruchu (co stwarza możliwość lepszego wykorzystania siły przyczepności),

• wyeliminowanie przełączania układu silników,

• utrzymanie dowolnej stałej prędkości pociągu, mniejszej od prędkości końca rozruchu bez dodatkowych strat,

• zmniejszenie kosztów napraw dzięki wyeliminowaniu łączników mechanicznych stykowych, oporników rozruchowych,

• zmniejszenie wartości średnich prądu pobieranego przez pociągi, co powoduje zmniejszenie strat w sieci i podstacjach trakcyjnych,

• zmniejszenie spadków napięcia w sieci trakcyjnej i w efekcie zwiększenia średniej prędkości pociągów,

• ułatwienie automatyzacji pracy taboru trakcyjnego,

• prowadzenie hamowania z odzyskiem energii.

Urządzenia energoelektryczne stanowią istotną zmianę techniki w stosunku do dotychczas stosowanej w trakcji elektrycznej. Możliwość uzyskania korzyści eksploatacyjnych pozwala pod względem ekonomicznym uzasadnić stosowanie urządzeń energoelektronicznych w pojazdach trakcyjnych.

Przebieg ćwiczenia

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z pracą silnika szeregowego prądu stałego zasilanego przez łącznik tyrystorowy. Ponadto należy porównać i ocenić sprawność silnika przy różnych rodzajach zasilania.

2. Dane znamionowe

Przed rozpoczęciem ćwiczenia należy zapoznać się z danymi znamionowymi silnika i współpracującej z nim prądnicą. Po zanotowaniu danych znamionowych dokonuje się oględzin zewnętrznych maszyn oraz łącznika tyrystorowego.

3. Przebieg pomiarów

3.1. Pomiar prądu i napięcia silnika zasilanego przez łącznik tyrystorowy

Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys. 2.

Uruchomienie układu pomiarowego polega na załączeniu do źródła napięcia bloku sterowania łącznikiem tyrystorowym. Regulator współczynnika wypełnienia impulsu ustawia się na pozycji zbliżonej do minimum. silnik szeregowy uruchamia się przez zamknięcie wyłącznika W. Punkt pracy znamionowej ustala się regulując punkt prądu obciążenia (opornikiem wodnym) i współczynnik wypełnienia impulsu.

Pomiary przeprowadza się przy stałym momencie obciążającym silnik (M = 0,9 Mn) dla trzech wartości współczynnika wypełnienia impulsu: γ = 0,2; 0,5; 0,8. Za każdym razem rejestruje się prąd i napięcie silnika oraz notuje się wskazania mierników.

Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 1.

Tabela A

Lp.	γ	Is	Uz	Us
	-	A	V	V
1 2 3

Rys. B. Schemat pomiarowy do badania silnika szeregowego zasilanego przez łącznik tyrystorowy

3.2. Wyznaczanie strat mocy w łączniku tyrystorowym

Straty mocy w łączniku tyrystorowym wyznacza się według schematu pomiarowego przedstawionego na rys. 2. Po uruchomieniu układu ustala się opornikiem w obwodzie wzbudzenia prądnicy stały prąd wzbudzenia I_w = I_wn = const.

Regulatorem współczynnika wypełnienia impulsu zmienia się wartość napięcia zasilającego silnik od wartości minimalnej do chwili gdy γ = 1. Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 2.

Tabela B

Lp.	PZ	PS	n	γ	ΔPŁT	ΔPR	Rodzaj regulacji nap. US
	W	W	obr/min	-	W	W
1 2 3 4 5							Łącznikiem tyrystorowym
1 2 3 4 5							Opornikiem R

Straty w łączniku tyrystorowym wylicza się korzystając ze wzoru:

Należy wykreślić zależność:

ΔP_ŁT=f(γ)

Straty w łączniku tyrystorowym wynoszą co najwyżej kilka procent w stosunku do mocy znamionowej silnika w całym zakresie napięć zasilających. W przypadku zastosowania regulacji opornikowej straty mocy dochodzą do 50 % mocy znamionowej silnika, oraz są równe zeru przy zasilaniu znamionowym.

3. 3. Wyznaczenie sprawności silnika szeregowego zasilanego przez łącznik tyrystorowy

Korzystając ze schematu pomiarowego przedstawionego na rys. 2 dla dwóch różnych współczynników wypełniania impulsu γ = 0,8 i γ =1 przeprowadza się pomiary w zależności od prądu obciążenia silnika. Prąd wzbudzenia prądnicy bocznikowej obciążającej silnik jest stały i wynosi I_w = I_wn = const.

Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 3.

Tabela C

Pomiary

Obliczenia

Lp.

UZ

US

IS

Up

Ip

IW

n

P1S

ΔP0

ΔPCu

ΔPd

P2S

ΔPms

η

Zasilanie:

V

V

A

V

A

A

obr/min

W

W

W

W

W

W

-

1 2 3 4 5 6 7 8

Impulsowe

1 2 3 4 5 6 7 8

Prądem stałym

gdzie:

U_S = γ U_Z

P_1S = U_S I_S - moc pobrana przez silnik

ΔP₀ - straty biegu jałowego prądnicy wyznaczone w/g punktu 3.6. (patrz rys. 5)

ΔP_Cu = I_p² R_pΣ - straty obciążeniowe prądnicy

R_pΣ - całkowita rezystancja obwodu twornika prądnicy wyznaczona według 3.4.

ΔP_d = 0,01 U_pI_p - straty dodatkowe prądnicy

ΔP_ms - straty mechaniczne silnika wyznaczone według punktu 3.6.

P_2s = P_1p. - moc przekazywana przez silnik prądnicy

P_2s = U_pI_p + ΔP₀ + ΔP_Cu + ΔP_d - ΔP_ms

- sprawność silnika

3.4. Wyznaczenie sprawności silnika szeregowego zasilanego ze źródła napięcia stałego

Schemat pomiarowy do wyznaczania sprawności silnika przedstawiony jest na rys. 3.

Rys. 3 Schemat pomiarowy do wyznaczania sprawności silnika szeregowego

Sinik jest zasilany napięciem znamionowym.

Obciążenie silnika zmienia się opornikiem R_obc.

Prąd wzbudzenia prądnicy I_w = I_wn = const. ustala się opornikiem R_w. Te same pomiary przeprowadza się dla napięcia zasilania Us = 0,8 U_n co odpowiada napięciu zasilania przy sterowaniu impulsowym dla γ = 0,8.

Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 3 i wyznacza się sprawność silnika zasilanego ze źródła napięcia stałego korzystając ze wzorów podanych w punkcie 3. 3.

3. 5. Wyznaczenie strat mocy w oporniku regulacyjnym obwodu twornika silnika szeregowego

Korzystając ze schematu pomiarowego przedstawionego na rys. 4 należy wyznaczyć straty mocy w rezystancji R.

Wartość napięcia zasilającego silnik zmienia się przez zmianę rezystancji R, tak aby uzyskać te same wartości napięć zasilających silnik jak w punkcie 3. 2.

Straty mocy w oporniku R wylicza się ze wzoru:

ΔP_R = P_Z - P_S

Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 2 oraz wykreśla się charakterystykę

ΔP_R = f(γ)

3. 6. Wyznaczenie strat biegu jałowego prądnicy obciążającej silnik szeregowy

Na rys. 5. przedstawiono schemat pomiarowy do wyznaczania strat biegu jałowego. Pomiary te należy wyznaczać po uprzednim rozprzęgnięciu prądnicy z silnikiem. Duża czasochłonność tej operacji nie pozwala w warunkach laboratoryjnych na klasyczne (bez silnika) wyznaczenie strat biegu jałowego prądnicy.

Badaną prądnicę zasila się napięciem regulowanym opornikiem R od wartości minimalnej do wartości znamionowej. Prąd wzbudzenia reguluje się opornikiem R_w tak, by I_w = I_wn = const. Prądnica pracuje jako silnik bocznikowy obcowzbudny i jest sprzęgnięta z silnikiem szeregowym. wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 4.

Rys. 4. Schemat pomiarowy do wyznaczania strat biegu jałowego prądnicy bocznikowej

Tabela 4.

Lp.	IW	U	IO	n	ΔP0
	A	V	A	obr/min	W
1 2 3 4 5 6 7 8	const.

Straty biegu jałowego oblicza się ze wzoru:

ΔP₀ = U I₀ - I²₀ R_pΣ

Na podstawie pomiarów i obliczeń wykreślić zależność:

ΔP₀ = f(n) i ΔP₀ = f(U²)

Po wykreśleniu krzywej tabelę 3 należy uzupełnić o wartości ΔP₀ odczytane z wykresu ΔP₀ = f(n) dla danej prędkości obrotowej.

Starty mechaniczne - niezależne od obciążenia - wyznacza się wykreślając zależność: ΔP₀ = f(U²)

3. 7. Pomiar całkowitej rezystancji obwodu twornika prądnicy bocznikowej

Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys. 5.

Rysunek 5. Schemat do pomiaru rezystancji uzwojenia obwodu twornika

Uzwojenie twornika jest zasilane napięciem stałym regulowanym opornikiem R. Wartości prądu utrzymuje się w granicach (0,3 - 0,7) I_n, a pomiary dokonuje się możliwie szybko, aby wyeliminować zmianę rezystancji pod wpływem wzrostu temperatury uzwojenia.

Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli 5.

Tabela 5

Lp.	U	I	R	RPZ
	V	A	Ω	Ω
1 2 3

4. Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:

• obliczenia :

współczynnika wypełnienia impulsu, amplitudy, prądu i napięcia na podstawie oscylogramu

• wnioski i spostrzeżeni.

12

---