INSTYTUT MECHATRONIKI
I SYSTEMÓW INFORMATYCZNYCH

POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ

ROK AKADEMICKI 2011/2012 1. Przemysław Szadkowski

SEMESTR IV 2. Artur Furmański

STUDIA Dzienne 3. Damian Wojtal

KIERUNEK AiR 4. Mateusz Grzybek

GRUPA LABORATORYJNA 3 5.

LABORATORIUM

Przetworników Elektromaszynowych

ĆWICZENIE NR 3

TEMAT: Regulacja prędkości obrotowej w silniku obcowzbudnym i bocznikowym prądu stałego

DATA WYKONANIA ĆWICZENIA	DATA SPRAWDZENIA SPRAWOZDANIA	UWAGI
04 VI 2012 r
DATA ODDANIA SPRAWOZDANIA	ZALICZENIE SPRAWOZDANIA
11 VI 2012 r

Spis treści:

• Opis stanowiska, dane znamionowe maszyny str. 2;

• Wykonanie cwiczenia str. 3 - 13;

1. Pomiar charakteerystyk naturalnych silnika prądu stałego str. 3 - 5,

2. Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzerz zmianę napięcia twornika str. 6 - 8,

3. Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę prądu wzb. str. 8 - 10,

4. Pomiar charakterystyki regulacji silnika prądu stąłego str. 11 - 13,

• Wnioski str. 13.

Opis stanowiska, dane znamionowe maszyny:

Schemat blokowy stanowiska:

Dane znamionowe maszyny (silnika prądu stałego) :

Nazwa firmy : Komel

Typ : PZMb44b Ip 44,

Prod. : polska,

Moc : 2,2 kW,

Napięcie zasilania : 220 V,

Prąd zasilania : 12,2 A

Pręd. Obrot. : 1500/min,

Prąd wzbudzenia : 0,49 A,

Wykonanie cwiczenia:

1) Pomiar charakterystyk naturalnych silnika prądu stałego (połączenie obcowzbudne)

Parametry stałe:

1. napięcie zasilania obw. twornika : Ua = 220V,

2. prąd wzbudzenia : 0,59 A

Wyniki pomiarów

Wzory wykorzystane do obliczeń :

Moc elektryczna : Pel = Ua * Ia,

Moc mechaniczna : Pmech = 2 * π * n/60 * M,

Sprawnośc : η = Pmech/Pel

Charakterystyka mechaniczna silnika pradu stałego (n = f(M) )

Charalterystyka mechaniczna, to zależnośc prędkości obrotowej wirnika w funkcji momentu M.

Jest to charakterystyka, która pozwala ocenic zachowanie silnika w układzie napędowym.

Przy U = const. oraz Rw = const, prąd wzbudzenia jest stały.

Ze wzrostem momentu obciążenia Mm maleje prędkośc obrotowa n i SEM E, w wyniku czego następuje wzrost prądu I oraz wzrost momentu elektromagnetycznego Mem.

Prosta może mieć różny przebieg w zależności od tego, jaki jest wpływ oddziaływania twornika(uzwojenia silnika elektrycznego) na zmiany wartości strumienia.

Ze wzrostem prądu obciążenia strumień maleje pod wpływem rosnącego oddziaływania twornika. Gdyby oddziaływanie twornika było bardzo duże, wówczas zmniejszanie strumienia ze wzrostem obciążenia mogłoby przewyższac wpływ wzrostu spadku napięcia na oporności obw. twornika. Zatem przy zwiększającej się wartości momentu obciążenia prędkośc obrotowa wzrastałaby(charakterystyka rosłaby liniowo), a wtedy silnik mógłby pracowac niestabilnie, mogłoby to doprowadzic do jego zatrzymania.

Charakterystyka zewnętrzna silnika prądu stałego ( n = f(It) )

Charakterystyka zewnętrzna jest to zależność prędkości obrotowej silnika od prądu twornika przy stałym napięciu zasilającym i stałym prądzie wzbudzenia. Z przebiegu krzywej wynika, że prędkośc obrotowa jest funkcją malejącą. Analizując wykres można przewidywac, że przy dużych obciążeniach prędkośc obrotowa będzie nieznacznie rosnąc z powodu zmniejszania się strumienia magnetycznego. Jest to wynikiem nakładania się na pole magnetyczne biegunów głównych pola powstającego od prądu twornika - tzw. oddziaływanie twornika.

Zależnośc prądu twornika silnika prądu stałego od momentu obciążenia

Z charakterystyki wynika, że im większy prąd twornika, tym wyższy moment obciążenia.

Moc silnika prądu stałego

Jak widzimy na powyższym wykresie moc silnika prądu stałego jest duża i staję się coraz większa przy wzroście momentu obciążenia.

Sprawnośc silnika prądu stałego

Srawnośc η silnika jest to stosunek mocy mechanicznej (wyjściowej) Pmech do mocy slektrycznej (wejściowej) Pel. Przy zwiększaniu momentu obciążenia sprawnośc silnika stabilizuje się.

2) Regulacja prędkości silnika prądu stałego porprzez zmianę napięcia twornika

Parametry stałe:

1. prąd wzbudzenia : If = 0,58 A,

2. moment obciążenia : M = 8 Nm

Wyniki pomiarów

Regulacja prędkości silnika prądu stałego porprzez zmianę napięcia twornika

Zmieniając napięcie zasilające twornik, można przy znamionowym obciążeniu regulowac prędkośc od

zera do wartości większej od predkości znamionowej. W całym zakresie regulacji prąd twornika nie ulega

zmianie i zależy tylko od obciążenia. Przy regulacji predkosci przez zmiane napiecia twornika ( przy stałym

strumieniu ) charakterystyka regulacyjna jest liniowa.

Moment wytwarzany w każdym z punktów odmierzonych prędkości jest taki sam.

Gdy wytworzymy napięcie twornika na poziomie 15 V, to moment rozruchowy będzie miał wartośc 8Nm.

Na obrazku widzimy że charakterystyka nie przechodzi przez zero. Sytuacja zmieni się tylko przy braku obciążenia, czyli biegu jałowym. 1 charakterystyka biegu jałowego będzie położona równolegle do drugiej i przesunieta w lewo, w prawo lub usytułowana wyżej od niej. Charakterystyka będzie położona najniżej, przy momencie znamionowym, natomiast najwyżej przy momencie równym zero, czyli jałowym. Więc zmieniając moment możemy przeskakiwac z jednej charakterystyki na drugą.

Zależnośc prądu twornika od prędkości obrotowej przy regulacji napięciem twornika

Prąd twornika zmienia się w funkcji prędkości obrotowej. Przy stałym strumieniu i stałym momencie obciążenia, prąd twornika rośnie. Na wykresie widzimy, ze charakterystyka nie przechodzi przez 0. Dzieje się tak w wyniku występowania strat mechanicznych. Straty te zależą od prędkości, ponieważ była regulowana w dużym zakresie. Te straty to m.in. tarcie, wentylacja.

Dlatego, gdy była regulowana prędkośc (w dużym zakresie), wówczas zmieniac musiał się także prąd, by pokryc dodatkowe straty wynikające z większej prędkości wirowania.

Moce silnika prądu stałego przy regulacji prędkości napięciem twornika

Na wykresie widzimy, że Moc zależy od prędkości obrotowej. Im większa jest prędkośc, tym bardzi wzrasta Moc.

Prędkośc obrotowa zmienia sięw bardzo duzym zakresie.

Sprawnośc silnika prądu stąłego przy regulacji prędkości napięciem twornika

Charakterystyka jest niemalże stała, mimo, że rosną straty mechaniczne. Właściwie powinna ona nieco malec, niż rosnąc.

3) Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę prądu wzbudzenia.

Parametry stałe:

a) napięcie twornika : Ua = 200V,

b) moment obciążenia : M = 8 Nm

Wyniki pomiarów

Regulacja prędkości silnika prądu stałego poprzez zmianę prądu wzbudzenia.

Regulacja prędkości w tym przypadku kieruje się w górę. Krzywa ma postac hiperboli i w niewielkim zakresie zmierza ku górze. Gdyby odłączyło się wzbudzenie, wówczas można byłoby uzyskac nieskończenie wielkie obroty.

Zależnośc prądu twornika od prędkości obrotowej przy regulacji prądem wzbudzenia

Na tym wykresie prędkości obrotowe zmieniają się w niewielkim stopniu ( odwrotnie niż w przypadku regulacji przy pomocy napięcia twornika, gdzie zmiany prędkości były znacznie większe), więc straty mechaniczne również zmieniają swe wartości w niedużym zakresie. Prąd twornika zmieniał się diametralnie, ze względu na to, że zmieniał się strumień.

Moce w silniku prądu stałęgo przy regulacji prędkości prądem wzbudzenia

W tym przypadku, tak jak w poprzednim prędkośc obrotowa zmienia się w niewielkim zakresie. Moc rośnie stosunkowo liniowo i tak jak prąd twornika (na poprzedniej charakterystyce) wzrasta bardzo szybko.

Sprawnośc silnika prądu stałego przy regulacji prędkości prądem wzbudzenia

Sprawnośc rośnie kiedy prąd wzbudzenia maleje, w tym czasie prędkośc obrotowa także się zwiększa. Wzrost sprawności jest niewielki i może być uznany za niemalże stały.

4) Charakterystyka regulacji silnika prądu stałego

Parametry stałe:

a) napięcie zasilania obwodu twornika : Ua = 220V,

b) prędkośc obrotowa : n = 1550 obr/min

Wyniki pomiarów

Charakterystyka regulacji silnika prądu stałego

Charakterystyka regulacyjna przedstawia zależnośc prądu wzbudzenia w funkcji momentu obciążenia.

Zmianę strumienia magnetycznego uzyskuje się poprzez zmianę prądu wzbudzenia If. Włączenie w obwód wzbudzenia dodatkowego rezystora prowadzi do zmniejszenia prądu If i osłabienia wspomnianego strumienia.

Zależnośc prądu twornika silnika prądu stąłego od momentu obciążenia (przy stałej prędkości)

Moc w silniku prądu stałego przy stalej prędkości obrotowej

Sprawnośc silnika prądu stałego (przy stałej prędkości)

Z charakterystyki widac, że sprawnośc silnika nie jest liniowa (stabilna). Sprawnoś silnika zależy od mocy maszyny.

Wnioski:

Silniki prądu stałego umożliwia płynną regulacę prędkosci obrotowej w szerokim zakresie, dzięki czemu znajdują zastosowanie w układach napędowych o regulowanej prędkości. Najcześciej są to silniki obcowbudne lub bocznikowe. W cwiczeniu badany jest układ zasilania i regulacji prędkości obrotowej silnika obcowzbudnego. Silnik obcowzbudny posiada oddzielne obwody zasilania (źródła) dla twornika i wzbudzenia.

Ze wzoru : n = U-It*Rt / c*Ф wynika, że prędkośc można regulowac na trzy sposoby:

- przez zmianę napięcia twornika,

- poprzez zmianę prądu wzbudzenia,

- zmianę strumienia magnetycznego.

Obserwując wyznaczoną charakterystykę mechaniczną można powiedzieć, że pokrywa się z założeniami teoretycznymi i jest linią prostą. Natomiast niewielkie odchylenia jakie mogłyby się pojawic związane byłyby z rzeczywistym oddziaływaniem twornika na maszynę.

Analizując charakterystykę regulacji prędkości obrotowej poprzez zmianę napięcia okazuje się, że owa zmiana napięcia może jedynie spowodowac spadek obrotów wirnika. Zatem jest to tzw. regulacja „w dół”.

Natomiast badanie charakterystyki traktującej o zmiany prądu wzbudzenia można wysunąc wniosek, że przy jego wzroście prędkośc obrotowa spada. Jak było to już wspomniane wcześniej, przy braku prądu wzbudzenia, obroty miałyby nieskończoną wielkośc. Zatem ten sposób wpływania na prędkośc obrotów również jest regulacją „w dół”

W jednym jak i w drugim przypadku sprawności silnika są niemalże stałe.

Przy obserwacji charakterystyki regulacji silnika prądu stałego można wywnioskowac, że prędkośc obrotowa rośnie przy spadku prądu wzbudzenia, zatem jest to sposób regulacji, który doprowadza do wzrostu prędkości obrotowej wirnika, czyli regulacja „w górę” W tym przypadku sprawnośc nie jest tak stabilna.

13

---