Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie KATEDRA MASZYN ELEKTRYCZNYCH LABORATORIUM Elektrotechnika z napędami
EA1 - Silniki wykonawcze prądu stałego
Wydział EAIiE kierunek AiR rok II		Grupa ćwiczeniowa A	Grupa laboratoryjna 2
L.p.	Imię i nazwisko	Ocena	Data zaliczenia
1.	Franczyk Marek
2.	Gąsior Tomasz
3.	Juszczyk Bartłomiej
4.	Hajec Anna
5.	Kapusta Marta
Data wykonania ćwiczenia 02.04.2001			Podpis

I. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z konstrukcją, zasadą działania i układem sterowania silników wykonawczych prądu stałego, a następnie wykonanie charakterystyk mechanicznych i regulacyjnych dla silnika elektromagnetycznego oraz magnetoelektrycznego.

Silniki wykonawcze są przetwornikami elektromechanicznymi przeznaczonymi do otrzymywania jednoznacznej zależności funkcyjnej odpowiedzi mechanicznej (np. prędkość obrotowa) od sygnału sterującego. Znajdują one szerokie zastosowanie w praktyce dzięki liniowości i dobrej stabilności charakterystyk sterowania. W celu uzyskania tych zalet obwód magnetyczny powinien być nienasycony, a wpływ oddziaływania twornika pomijalnie mały.

Silniki wykonawcze prądu stałego wykonywane są jako klasyczne maszyny prądu stałego o uzwojonych biegunach magnetycznych lub magnesach stałych umieszczonych w stojanie i uzwojonym wirniku z komutatorem lub bez. Silniki, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez obwód wzbudzenia nazywa się silnikami o wzbudzeniu elektromagnetycznym, a silniki, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnesy trwałe - o wzbudzeniu magnetoelektrycznym. W silnikach o wzbudzeniu elektromagnetycznym istnieją dwa niezależne obwody, z których każdy może być obwodem sterownia. W silnikach magnetoelektrycznych obwodem sterowania jest zawsze obwód twornika.

II. PROGRAM ĆWICZENIA:

Na program ćwiczenia składał się pomiar statycznych charakterystyk mechanicznych i sterowania silnika elektromagnetycznego obcowzbudnego oraz magnetoelektrycznego.

Charakterystyka mechaniczna podaje nam zależność prędkości obrotowej od prądu twornika (ponieważ moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu twornika) n = f(I_a) przy stałej wartości napięcia twornika i prądu wzbudzenia. W regulowanym zakresie wartości prądu charakterystyki powinny być liniowe i jednoznaczne.

W przypadku silnika elektromagnetycznego zmierzyliśmy charakterystyki regulacyjne przy:

1 - sterowaniu od strony twornika n = f(U_a). Sygnałem sterującym było napięcie twornika, a wyjściowym - prędkość obrotowa przy stałej wartości prądu wzbudzenia i prądu twornika;

2 - sterowaniu od strony wzbudzenia n = f(I_f). Sygnałem sterującym był prąd wzbudzenia, a wyjściowym prędkość obrotowa przy stałej wartości napięcia i prądu twornika;

Z oczywistych względów w przypadku silnika magnetoelektrycznego zmierzona została tylko charakterystyka przy sterowaniu od strony twornika n = f(U_a).

III. WYKONANIE ĆWICZENIA:

1. Pomiar charakterystyk silnika elektromagnetycznego.

Dane znamionowe silnika elektromagnetycznego:

PAMd12c 225 W 24 V 13.4 A 1500 obr/min I_wzb=1.2 A η =70 % I_tw20=0.192 Ω.

a) pomiar charakterystyk mechanicznych:

Zmierzone zostały trzy charakterystyki mechaniczne n(I_a), gdy:

• U_a=24 [V], I_f=1.2 [A]

• U_a=12 [V], I_f=1.2 [A]

• U_a=12 [V], I_f=0.8 [A].

Prąd twornika (obciążenia) regulowany jest poprzez zmianę mocy oddawanej przez prądnicę obciążającą, która jest identyczną maszyną jak maszyna badana. Regulowane jest napięcie wzbudzenia prądnicy autotransformatorem i rezystancje obciążenia prądnicy.

Charakterystyki regulacyjne mierzone są w tym samym układzie pomiarowym. Różnica jest tylko taka, że w tym przypadku trzeba utrzymywać stałą wartość prądu obciążenia, natomiast sygnał sterujący zmniejszać od wartości znamionowej do zatrzymania układu.

Utw=24 [V], Iw=1.2 [A]		Utw=12 [V], Iw=1.2 [A]		Utw=12 [V], Iw=0.8 [A]
n [obr/min]	Itw [A]	N [obr/min]	Itw [A]	n [obr/min]	Itw [A]
1860	2,1	927	0,9	1050	0,6
1868	1,5	935	0,5	1060	0,0
1856	3,4	945	0,0	1035	1,3
1847	4,1	915	1,5	1028	1,8
1876	0,8	905	2,0	1000	2,9
1855	2,7	910	2,4	1010	2,4
1840	4,8	890	3,4	990	3,4
1887	0,2	895	2,9	978	4,0

Rys. 1 - Charakterystyki mechaniczne silnika elektromagnetycznego.

b) pomiar charakterystyk regulacyjnych:

Sterowanie od strony twornika n=f(U_tw).

Charakterystyka ta podaje zależność prędkości obrotowej od napięcia twornika przy stałej wartości prądu wzbudzenia I_w=0.8 [A] i prądu twornika I_tw=6 [A].

Utw [V]	n [obr/min]
24	1740
22	1620
20	1460
18	1310
16	1160
14	1020
12	870
10	713
8	554
4	279
0	0

Rys. 2 - charakterystyka sterowania od strony twornika silnika elektromagnetycznego.

Sterowanie od strony wzbudzenia n=f(I_w).

Charakterystyka ta podaje zależność prędkości obrotowej od prądu wzbudzenia przy stałej wartości napięcia U_tw=12 [A] i prądu twornika I_tw=6 [A].

Iw [A]	N [obr/min]
1,2	1840
1,1	1860
1,0	1915
0,9	2035
0,8	2130
0,7	2300
0,6	2500
0,5	2750
0,4	3050

Rys. 3 - charakterystyka sterowania od strony wzbudzenia silnika elektromagnetycznego.

2. Pomiar charakterystyk silnika magnetoelektrycznego.

Dane znamionowe silnika magnetoelektrycznego:

PTT-16 300 W 50 V 7.5 A 3000 obr/min T_n = 0.95 Nm R_tw20 = 1.0 Ω.

a) pomiar charakterystyk mechanicznych:

Charakterystyki te podają zależność prędkości obrotowej od prądu twornika n=f(I_tw) przy stałej wartości napięcia twornika - 50 oraz 30 [V].

Utw = 50 [V]		Utw = 30 [V]
n [obr/min]	Itw [A]	n [obr/min]	Itw [A]
3540	4,0	2120	2,8
3507	4,6	2089	3,4
3480	5,0	2068	3,8
3458	5,5	2034	4,2
3430	6,0	2005	5,0
3410	6,5	1976	6,0

Rys. 4 - charakterystyki mechaniczne silnika magnetoelektrycznego

b) pomiar charakterystyki regulacyjnej:

Charakterystyka regulacyjna podaje zależność prędkości obrotowej od napięcia twornika przy stałej wartości prądu twornika I_tw= 1[A].

Sterowanie od strony twornika n=f(U_tw).

Utw [V]	n [obr/min]
50	3549
45	3300
40	2816
35	2455
30	2080
25	1695
20	1330
15	970
10	646
0	0

Rys. 5 - charakterystyka sterowania silnika magnetoelektrycznego.

IV. WNIOSKI I SPOSTRZEŻENIA:

Wymagania, które powinny spełniać silniki wykonawcze są następujące:

• Samohamowność przy braku sygnału sterującego;

• Liniowy przebieg charakterystyk mechanicznych i regulacyjnych;

• Duży moment rozruchowy;

• Duża szybkość działania;

• Stabilność pracy w całym zakresie zmian prędkości obrotowej;

• Mała moc sterowania;

• Małe napięcie rozruchu;

• Duża trwałość i niezawodność.

Spełnienie tych wymagań jest związane bezpośrednio z konstrukcją silnika i rodzajem napięcia zasilającego. Spełnienie podstawowego wymagania jakim jest proporcjonalność i jednoznaczność odpowiedzi wiąże się z samohamownością, a więc brakiem momentu obrotowego z chwilą zaniku sygnału sterującego. Spełnienie warunku samohamowności silników prądu przemiennego osiąga się przez odpowiedni dobór parametrów uzwojenia wirnika (rezystancji). Natomiast silniki prądu stałego, z którymi mieliśmy do czynienia w przeprowadzonym ćwiczeniu, przy braku sygnału sterującego nie wytwarzają momentu obrotowego.

W silnikach wykonawczych prądu stałego zmiany napięcia zasilającego obwód sterowania wywołują zmiany wielkości wyjściowych (momentu obrotowego i prędkości obrotowej). Wyłączenie obwodu sterowania powoduje natychmiastowy zanik momentu obrotowego, dzięki czemu w silnikach wykonawczych prądu stałego nie występuje zjawisko samobiegu. Jak wcześniej wspomniałam, nie występuje w nich również zjawisko samohamowności, jednak przy małych momentach bezwładności wirnika i występowaniu sił tarcia czas wybiegu może być krótki.

Istnienie komutatora i szczotek jest przyczyną wielu niekorzystnych cech silników wykonawczych prądu stałego. Ten węzeł konstrukcyjny wymaga okresowej kontroli i obserwacji, czyszczenia i wymiany szczotek, a następujące z czasem zużycie komutatora jest praktycznie równoważne zużyciu całej maszyny. Przy zmiennej prędkości obrotowej i zmiennym obciążeniu, występujących bardzo często przy eksploatacji silnika, na komutatorze może wystąpić iskrzenie, powodujące zakłócenie radioelektryczne (do których ograniczenia jest konieczne stosowanie filtrów przeciwzakłóceniowych jak i odpowiedniej obudowy) i przeciwwskazania do pracy w atmosferze wybuchowej. Atmosfera chemicznie czynna może również łatwo doprowadzić do uszkodzeń lub nieprawidłowości pracy układu szczotka - komutator.

Mimo tych wad silniki wykonawcze prądu stałego znajdują szerokie zastosowanie w praktyce, a to dzięki liniowości i dobrej stabilności charakterystyk sterowania. W celu uzyskania tych zalet obwód magnetyczny powinien być nienasycony, a wpływ oddziaływania twornika pomijalnie mały.

W silnikach wykonawczych prądu stałego moc pobierana przez twornik stanowi 80% mocy pobieranej przez silnik natomiast moc pobierana przez elektromagnesy to 20% całej mocy pobieranej przez silnik. W identycznym stosunku pozostają moce potrzebne do sterowania silnika od strony twornika i od strony magnesów. W praktyce stosuje się sterowanie od strony twornika (korzystniejszy kształt charakterystyk).

Przy sterowaniu silnika wykonawczego od strony magnesów charakterystyka sterowania prędkości obrotowej jest nieliniowa, więc zakres stosowania tego sposobu sterowania jest ograniczony. Z drugiej strony zaletą sterowania od strony magnesów jest mała moc sterowania w porównaniu ze sterowaniem od strony twornika.

Przeprowadzone przez nas pomiary i wykreślone charakterystyki potwierdzają jednoznaczną zależność funkcyjną pomiędzy sygnałem sterującym a prędkością obrotową. Charakterystyki te są liniowe (z wyjątkiem sterowania silnika wykonawczego od strony magnesów). Oba typy silników wykazują stabilność pracy oraz szybkość działania. Wyłączenie obwodu sterowania powoduje zanik momentu obrotowego.

---