Silnik wykonawczy prądu stałego

13

ĆWICZENIE 2 – SILNIK WYKONAWCZY PRĄDU STAŁEGO

Wprowadzenie

Silnik wykonawczy prądu stałego zasilany od strony twornika, ze wzbudzeniem od

magnesów trwałych, jest jednym z najbardziej popularnych przetworników

elektromechanicznych w układach automatyki i w układach napędowych małej mocy.

Silniki elektryczne o trzech zębach wirnika (Z = 3) są budowane jako maszyny

prądu stałego z komutatorem mechanicznym o trzech działkach (K = 3) bądź z

komutatorem elektronicznym. W zakresie małych mocy maszyny te są zwykle

wzbudzane magnesami trwałymi ferrytowymi. Silniczek prądu stałego z komutatorem

mechanicznym o mocy do około 2 W jest tani w produkcji i bardzo ekonomiczny w

eksploatacji (rys. 2.1). Jego głównymi zaletami są mała masa i wysoka sprawność

(ok. 50%), co predysponuje go do wszelkiego rodzaju napędów bateryjnych. Mała

liczba zębów i działek komutatora powoduje pulsacje napięcia rotacji.

Napięcie rotacji e zawiera składową stałą E

0

i składową zmienną e

~

.

0

~

E

e

e

−

=

(2.1)

W konsekwencji wszystkie parametry pracy silnika zawierają składowe stałe i

składowe zmienne













+

=

+

=

.

,

+

=

~

,

~

,

0

0

0

0

M

M

M

i

+

I

=

i

e

E

e

m

m

m

ω

ω

ω

~

~

(2.2)

Pulsacje występują w momencie elektromagnetycznym, a także w prądzie silnika,

co z kolei powoduje pulsacje prędkości obrotowej.

Pulsacje te, a także parametry elektromechaniczne silnika zależą od:

−

rozkładu pola magnetycznego w szczelinie silnika,

−

dokładności montażu poszczególnych podzespołów silnika.

Silnik wykonawczy prądu stałego

14

Silniki prądu stałego charakteryzują się stosunkowo małą trwałością, którą

determinuje trwałość zestyku ślizgowego szczotek z komutatorem. Zestyk ślizgowy

szczotek z komutatorem powiększa rezystancję silnika R o tzw. rezystancję dynamicz-

ną, na którą mają wpływ drgania szczotek, gładkość powierzchni komutatora i jej zab-

rudzenie, temperatura, wilgotność i prędkość obrotowa. Rezystancja dynamiczna wpły-

wa na stabilność parametrów pracy silnika. W szczególności jest źródłem stochas-

tycznych zmian prędkości obrotowej.

Komutator mechaniczny oprócz niskiej trwałości jest źródłem zakłóceń elektro-

magnetycznych. Natomiast zaletą komutatora mechanicznego jest jego niski koszt w

porównaniu z kosztem innych ekwiwalentnych rozwiązań.

Uzwojenie silnika może być połączone w trójkąt lub gwiazdę.

Silniki z uzwojeniem połączonym w gwiazdę mają większą sprawność. W prakty-

ce częściej jest stosowany układ połączenia uzwojenia w trójkąt. Wynika to stąd, że

uzwojenie połączone w trójkąt ma właściwości tłumiące wszelkiego rodzaju przepię-

cia, które generuje np. niestabilny styk ślizgowy szczotek z komutatorem. Wpływa to

korzystnie na pracę szczotek i kompatybilność elektromagnetyczną, tzn. zmniejsza

zakłócenia radioelektryczne.

4

5

6

1

2

3

4

1,2

1,2

27,5

12,5

φ

3

3

Rys. 2.1. Budowa silnika o trzech działkach komutatora na przykładzie silnika typu PRM33;

P

N

= 0,5 W; U

N

= 4 V; n

N

= 2000 obr/min: 1

−

obudowa, 2

−

magnes trwały, 3

−

żelazo wir-

nika, 4 – uzwojenie połączone w trójkąt, 5

−

komutator, 6

−

elementy przeciwzakłóceniowe

Silnik wykonawczy prądu stałego

15

A1

A2

N

S

i

U

-

+

i

A

A

B

C

o

ś

dz

ia

łk

i "

A

"

ko

m

ut

at

or

a

o

ś

N

-S

w

zb

u

d

ze

n

ia

o

ś s

zc

zo

te

k

A

1

-

A

2

o

ś s

ek

cji

"

A

"

uz

w

oj

e

ń

β

0

ω

ω

ϑ

ϑ

0

Rys. 2.2. Schemat elektryczny silnika z zaznaczonymi charakterystycznymi osiami i uzwojeniem

połączonym w gwiazdę. Przesunięcia kątowe zgodne ze strzałkami uważane są za dodatnie

Charakterystyka mechaniczna silnika jest charakterystyką typu bocznikowego

(rys. 2.3).

Silnik wykonawczy prądu stałego

16

M

0

M

M

N

z

mN

m0

m

Rys. 2.3. Charakterystyka mechaniczna mikrosilnika prądu stałego wzbudzanego magnesami trwałymi

przy U = const; M

z

– moment zwarcia,

ω

m0

– prędkość kątowa biegu jałowego

Opis stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne składa się z dwóch identycznych silników sprzęgniętych

razem za pomocą rurki elastycznej, zainstalowanych w rozbieralnej obudowie. Końce

uzwojeń tworników są wyprowadzone. Po rozprzęgnięciu silników, na wale jednego z

nich można zamocować kółko pasowe.

Silnikiem badanym w ćwiczeniu jest silnik wykonawczy prądu stałego typu AS-4

o danych znamionowych:

U

N

= 17 V; P

N

= 1,2W; M

N

= 19,6·10

-4

N·m (20 G·cm); n

N

= 6000 obr/min +15%-10%

(przy M

N

);

obr/min

6400

0

≥

n

;

A

07

,

0

0

≤

I

;

A

25

,

0

N

≤

I

.

Program ćwiczenia

a) Oględziny

Silnik należy rozmontować i obejrzeć stojan z magnesem trwałym, wirnik z

komutatorem oraz tarczę łożyskową ze szczotkami.

b) Wyznaczenie zależności momentu elektromagnetycznego silnika od prądu twornika

M

em

= f(I) przy

ω

m

= 0

Moment elektromagnetyczny silnika wykonawczego opisuje zależność

.

em

I

c

M

Φ

=

Silnik wykonawczy prądu stałego

17

Ponieważ strumień wzbudzenia

Φ

jest stały (pochodzi od magnesów trwałych),

więc moment elektromagnetyczny M

em

zależy tylko od prądu I płynącego w

uzwojeniach wirnika.

Silniki należy rozprzęgnąć i na wale jednego z nich zamontować kółko pasowe.

Pomiary wykonuje się przy zatrzymanym wirniku (

ω

m

= 0), przymocowując do

kółka pasowego dynamometr. Zmieniając napięcie zasilania silnika określa się

zależność między prądem twornika I a siłą F działającą na dynamometr. Iloczyn

wartości siły i długości ramienia, na które ta siła działa, daje wartość momentu

elektromagnetycznego silnika.

c) Wyznaczenie rodziny charakterystyk zewnętrznych n = f(I), n = f(M

em

)

Pomiary wykonuje się w obwodzie pokazanym na rys. 2.4. Silniki muszą być

sprzęgnięte.

U

R

b

obc

R

n

A

V

M

Osc

A

M

Rys. 2.4. Schemat ideowy obwodu do wyznaczania charakterystyk mechanicznych silnika

Silnik badany zasila się napięciem o stałej wartości z zasilacza prądu stałego.

Obciążenie silnika zmienia się poprzez zmianę rezystancji włączonej w obwód

twornika silnika drugiego, który pracuje jako prądnica. Prędkość silnika można badać

stroboskopem lub też mierząc (na oscyloskopie) częstotliwość komutowania prądu

maszyny zasilanej. Pomiary powtarza się dla kilku różnych wartości napięcia zasilania.

Porównując ze sobą otrzymaną charakterystykę n = f(I) i poprzednio zmierzoną

charakterystykę M

em

= f(I) otrzymuje się charakterystykę mechaniczną silnika

M

em

= f(n).

d) Wyznaczenie elektromagnetycznej stałej czasowej silnika

Silnik wykonawczy prądu stałego

18

Po załączeniu stałego napięcia na nieruchomy i nieobciążony silnik przebieg

czasowy prądu twornika można w uproszczeniu przedstawić zależnością

jednowykładniczą

)

1

(

)

(

0

T

t

e

I

t

i

−

−

=

,

gdzie:

I

0

– średnia wartość prądu twornika w ustalonym stanie pracy,

T – elektromagnetyczna stała czasowa, zależna od parametrów R, L obwodu

twornika.

Wartość

elektromagnetycznej

stałej

czasowej

determinuje

właściwości

dynamiczne silnika.

Stałą czasową należy wyznaczyć przy rozprzęgniętych silnikach. Wirnik maszyny

badanej powinien być zahamowany. Należy załączyć stałe napięcie i zarejestrować

przebieg prądu twornika (rys. 2.5).

Należy również zmierzyć metodą techniczną rezystancję bocznika R

b

.

Rezystancję uzwojenia twornika silnika R należy zmierzyć metodą techniczną,

zasilając nieruchomy silnik takim napięciem, aby prąd nie przekroczył 10% wartości

znamionowej. Napięcie pomiarowe należy przyłożyć bezpośrednio do dwóch

sąsiednich działek komutatora.

Osc

M

n

b

R

U

t=0

Rys. 2.5. Schemat ideowy układu do wyznaczania elektromagnetycznej stałej czasowej silnika

Silnik wykonawczy prądu stałego

19

i(t)

t

T

I

0

0

I

i

0

0,632

Rys. 2.6. Wyznaczanie elektromagnetycznej stałej czasowej

T na podstawie przebiegu prądu i(t)