Laboratorium Elektromechanika

Silnik wykonawczy prądu stałego

Automatyka i Robotyka, sem III,

grupa 4, sekcja 1

Data odbycia ćwiczenia:

Skład sekcji:

1. Wrzeszcz Konrad

2. Piekorz Dawid

3. Pokładnik Maciej

4. Słodczyk Jakub

5. Grelewicz Patryk

6. Kowalczyk Piotr
7. Pilarz Karolina

8. Stefański Marek

9. Nowak

10. reszty nie pamietam

1. Wstęp teoretyczny:

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać.

Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego ,obracając się wokół osi. W wyniku swojej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zero a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Silnik wykonawczy można podzielić na : prądu stałego oraz dwufazowy asynchroniczny silnik wykonawczy.

Silniki wykonawcze prądu stałego możemy podzielić na dwie grupy(ze względu na sposób sterowania):

• sterowanie twornikowe (sterowane od strony twornika)

• Uw , iw -> stałe

• Us , is -> zmienne ; Us - napięcie sterujące

• sterowanie biegunowe (sterowane od strony biegunów, mała moc sterowania)

• Us -> stałe

• Uw , iw , is -> zmienne ; Uw - napięcie sterujące

Silnik wykonawczy prądu stałego musi spełnić następujące wymagania :

• możliwość płynnej regulacji prędkości kątowej

• charakterystyki statyczne są linowe , a praca w stanie ustalonym stabilna

• duży moment rozruchowy

• samohamowność ( brak samobiegu) - bez napięcia wirnik się nie porusza

• dobre właściwości dynamiczne

• niewielka strefa nieczułości

• mała moc sterowania

• możliwość pracy przy zahamowanym wirniku

• niezawodność, małe gabaryty i ciężar, niska cena

1. Zależności użyte przy obliczeniach:

Aby uzyskać potrzebne do wykreślenia rodzin charakterystyk wartości musieliśmy użyć

następujących zależności:

A) Moment siły na wale:

M[Gcm] = Q[G] * L[cm] * sin(beta)[stopnie]

gdzie:

Q=150[G] - ciężar odważnika

L=10[cm] - długość ramienia

beta[stopnie] - położenie kątowe odważnika

B) Moce sterowania i wzbudzenia:

Ps[W] = Is[A] * Us[V]

Pw[W] = Iw[A] * Uw[V]

C) Moc mechaniczna:

Pm[W]=10E-5*M[Gcm]*n[obr/min]

gdzie:

n= ω – prędkość obrotu

D) Sprawność silnika:

η [1] = Pm[W] / (Pw + Ps)[W]

1. Charakterystyki robocze silnika:

1. Tabela pomiarowo – obliczeniowa:

1. Charakterystyki:

1. Charakterystyki sterowania silnika:

1. Tabele obliczeniowo – pomiarowe:

1. Charakterystyki:

1. Wnioski:

Badania przeprowadziliśmy na silniku prądu stałego sterowanym twornikowo. Oznacza to, że napięciem sterującym jest napięcie znajdujące się na wirniku. Do wykonania odpowiednich pomiarów użyliśmy amperomierzy i woltomierzy analogowych, laserowego czujnika obrotów, oraz hamulca elektromagnetycznego wyposażonego w skalę odchylenia ramienia w stopniach.

Wszystkie wykresy zamieszczone w sprawozdaniu zostały otrzymane przy pomocy programu Microsoft Excel. Wszystkie linie proste, naniesione na wykresy to linie aproksymowane.

Podczas wykonywania pomiarów sprawdziliśmy również wartość napięcia utyku. Możliwość pracy przy zahamowanym wirniku jest jednym z wymagań silników wykonawczych, co potwierdza taki właśnie charakter badanego przez nas urządzenia. Zmierzone przez nas napięcie utyku wynosi 6V.

Otrzymana rodzina charakterystyk mechanicznych silnika jest zgodna z naszymi oczekiwaniami- charakterystyki są liniowe i (prawie) równoległe oraz przesuwają się "w górę" wraz ze wzrostem napięcia sterowania, natomiast moment na wale spada wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Charakterystyki mocy wzbudzenia, sterowania i mocy mechanicznej także są liniowe. Przy czym charakterystyka mocy wzbudzenia jest stała, gdyż napięcie i prąd wzbudzenia także były stałe (sterowanie twornikowe).

W przypadku charakterystyk sprawności narysowaliśmy tylko przybliżony, przewidywany ich kształt, gdyż na podstawie naszych pomiarów nie dało się wyznaczyć ich dokładniej. Istotny jest fakt, iż silnik nie pracował w swoich nominalnych warunkach, przede wszystkim jeśli chodzi o napięcie znamionowe, które wynosi 110V (my używaliśmy najwyżej 60V).

Z tego powodu uzyskaliśmy dość niską sprawność. W warunkach nominalnych sprawność powinna prawdopodobnie wynieść ok. 60-80%.

Wszystkie otrzymane charakterystyki regulacyjne są liniowe. Prędkość obrotu wzrasta wraz ze wzrostem napięcia sterowania, natomiast charakterystyka „obniża się”

wraz ze wzrostem obciążenia wału, reprezentowanego przez kąt wychylenia obciążenia, tzn. zwiększenie obciążenia zmniejsza prędkość obrotu.

Charakterystyka mocy wzbudzenia, podobnie jak wcześniej, jest stała z powodu

stałości napięcia i prądu wzbudzenia.

Nachylenie charakterystyki mocy sterowania w zależności napięcia sterowania

zależy od momentu obciążenia wału. Wraz ze wzrostem obciążenia kąt między osią

OX a wykresem zwiększa się, tzn. wraz ze wzrostem obciążenia zwiększa się także

moc sterowania.

Charakterystyki mocy mechanicznej zaczynają się w jednym punkcie na osi OX, przy czym należy zauważyć, że dla zerowego kąta mamy zerowe obciążenie i w związku z tym moc mechaniczna wynosi zero.

Podobnie jak w przypadku mocy sterowania, charakterystyki "unoszą się" nad oś OX wraz ze wzrostem obciążenia.

Na ostateczny kształt wykresów ( pochylenie poszczególnych wykresów oraz brak równoległości niektórych charakterystyk ) mogły mieć wpływ błędy pomiarowe.

Możemy jednak stwierdzić że otrzymane wykresy zgadzają się z założeniami teoretycznymi.

Silniki wykonawcze prądu stałego znajdują zastosowanie w układach napędowych automatyki i robotyki ponieważ ich charakterystyki zachowują charakter linowy.