Maszyny elektryczne - Laboratorium
Temat: Badanie prądnic tachometrycznych.
ćwiczenie wykonali:
Kordian Urbaniak Tomasz Wierzba Adam Ferenc

1. Opis prądnic tachometrycznych:

Prądnica prądu stałego

Prądnica prądu stałego składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i z części ruchomej, zwanej wirnikiem. Wirnik służy do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiruje on w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes stały lub stojan zasilany zewnętrznym źródłem prądu stałego. Prąd elektryczny jest odbierany z komutatora znajdującego się na osi wirnika przy pomocy szczotek grafitowych, umieszczonych na stojanie.

Zależnie od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzającego (uzwojenia elektromagnesów) rozróżnia się prądnice prądu stałego: obcowzbudne (zasilanie uzwojenia wzbudzającego następuje z obcego źródła napięcia) oraz samowzbudne - bocznikowe, szeregowe lub szeregowo-bocznikowe (uzwojenie wzbudzające jest zasilane napięciem indukowanym w uzwojeniach własnego wirnika).

Prądnice prądu stałego były niegdyś stosowane w pojazdach spalinowych z zapłonem akumulatorowym, zostały jednak stopniowo wyparte przez alternatory, charakteryzujące się większą wydajnością i niezawodnością oraz mniejszymi gabarytami.

Najprostszą prądnicą prądu stałego jest dynamo rowerowe.

Prądnica asynchroniczna

Prądnice asynchroniczne, podobnie jak prądnice synchroniczne, składają się z dwóch zasadniczych elementów: stojana i wirnika. Na wewnętrznym obwodzie stojana umieszczone są uzwojenia (cewki), w których w wyniku działania zjawiska indukcji elektromagnetycznej pojawia się siła elektromotoryczna. W zależności od liczby uzwojeń wytwarzany prąd jest jedno- lub wielofazowy. Wirnik jest rdzeniem magnetycznym na obwodzie którego przymocowane są uzwojenia, w których płynie prąd wzbudzający pole magnetyczne. Obracanie się wirnika powoduje wirowanie wytworzonego pola magnetycznego, a jego zmienność względem uzwojeń stojana indukowanie się napięcia w jego przewodach. Maszyny asynchroniczne są rzadko stosowane jako prądnice ze względu na trudność w ich sterowaniu. W maszynach klatkowych polega ona na tym, że jedyny dostęp do maszyny jaki mamy to napięcie i częstotliwość, nie ma natomiast dostępu do wirnika. Obecnie jednak trwają prace nad rozwiązaniem tego problemu.

Natomiast w maszynach pierścieniowych jest dostęp do wirnika za pośrednictwem pierścieni ślizgowych jednak sterowanie parametrami maszyny nie jest proste - nadal występują problemy, ponieważ prądnica taka jest bardzo czuła na zmiany obciążenia w sieci. Spowodowane to jest brakiem zasilania wirnika stałym prądem magnesującym (tak jak to sie dzieje w prądnicach synchronicznych), a prąd magnesujący w prądnicach asynchronicznych powstaje na skutek indukcji magnetycznej (prądnica jest odbiornikiem mocy biernej indukcyjnej) zależnej m.in. od prędkości obrotowej. Efektem jest niestabilność napięcia na zaciskach maszyny. Dla utrzymania stałości napięcia trzeba odpowiednio szybko regulować prędkością obrotową wirnika. Należy w tym celu dodatkowo zainstalować układ sterowania tym parametrem, który bardzo szybko reaguje na wszelkie zmiany obciążenia w sieci. Układy takie, składające się z mikroprocesorów i falowników sterowanych, znajdują się jeszcze w fazie badań i udoskonaleń.

Silnik elektryczny asynchroniczny podłączony do sieci prądu przemiennego obracający się z prędkością obrotową większą od prędkości synchronicznej pracuje jako prądnica asynchroniczna.

Prądnice asynchroniczne mogą pracować tylko po podłączeniu do sieci ponieważ nie mają możliwości samodzielnego wzbudzenia (wirnik posiada klatkowe uzwojenie krótkozwarte). Natomiast po podłączeniu do sieci rolę takiej prądnicy może spełniać niemal każdy silnik trójfazowy o wirniku z uzwojeniem klatkowym krótko zwartym (czyli najczęściej spotykanym w praktyce). Warunkiem jest napędzanie go w taki sposób aby obracał się nieco szybciej od prędkości synchronicznej zależnej od ilości par biegunów nawiniętych w stojanie (należy uwzględnić tak zwany poślizg - zależny od wielkości obciążenia, który sprawia że takie silniki obracają się nieco wolniej od prędkości synchronicznej a prądnice powinny obracać się nieco szybciej). Ponieważ wzrost poślizgu powoduje znaczny wzrost mocy - prądnice te w pewnym zakresie mają możliwość samoregulacji. Niestety nadmierny wzrost poślizgu może doprowadzić do przeciążenia a w efekcie do spalenia uzwojeń.

Prądnica synchroniczna (jednofazowa i trójfazowa)

Strumień magnetyczny w maszynie synchronicznej może być wytwarzany przez magnes trwały lub przez elektromagnes. Bieguny magnetyczne wytwarzające stały w czasie strumień magnetyczny, najczęściej są umieszczone w wirniku zwanym magneśnicą. Uzwojenie magneśnicy nazywane jest inaczej uzwojeniem wzbudzenia. Jeżeli strumień jest wytwarzany przez elektromagnes, to uzwojenie magnesów jest zasilane prądem stałym zwanym prądem wzbudzenia.

W stojanie (zwanym twornikiem) jest umieszczone uzwojenie prądu przemiennego jednofazowe lub zacznie częściej trójfazowe. Prąd wzbudzenia jest pobierany zwykle z obcego źródła, np. baterii akumulatorów lub prądnicy prądu stałego, zwanej wzbudnicą, która może być umieszczona na wspólnym wale z maszyną synchroniczną. Wirnik powinien być tak skonstruowany, aby wytworzona liczba biegunów magnetycznych była taka sama, jak liczba biegunów magnetycznych wytworzonych przez uzwojenie stojana.

Prądnice te składają się ze stojana, który stanowi zewnętrzną, statyczną część maszyny. Na obwodzie stojana umieszczone są uzwojenia (cewki), w których indukuje się napięcie przemienne, pod wpływem którego płynie prąd przemienny. Wytwarzany prąd może być jedno- lub wielofazowy (najczęściej trójfazowy) - zależy to od liczby uzwojeń. Natomiast wewnątrz stojana znajduje się wirnik wykonany w postaci rdzenia magnetycznego, który stanowi dynamiczny element maszyny. Wirnik jest osadzony na wale, który w przypadku pracy prądnicowej połączony jest z urządzeniem napędzającym. Na wirniku umieszczona jest tzw. cewka wzbudzająca, przez którą płynie prąd stały doprowadzany z zewnętrznego źródła. Prąd ten wytwarza stałe pole magnetyczne w wirniku, stanowiącym elektromagnes. Obrót wirnika (a więc i pola magnetycznego) powoduje zmianę strumienia pola magnetycznego przenikającego przez uzwojenie stojana i na zasadzie zjawiska indukcji elektromagnetycznej powoduje indukowanie się napięcia przemiennego w uzwojeniach stojana, pod wpływem którego płynie prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym. Dla uzyskania odpowiedniej częstotliwości napięcia wirnik musi obracać się z odpowiednią prędkością, w celu regulacji napięcia zmienia się natężenie prądu wzbudzającego. Nazwa prądnicy synchronicznej wynika z synchronizmu prędkości obrotowej wirnika i pola magnetycznego maszyny. Pole magneśnicy i twornika wiruje w tym samym kierunku i z taką samą prędkością.

Niemal wszystkie urządzenia wytwarzające prąd przemienny są prądnicami synchronicznymi, przykładowo: generatory w elektrowniach, alternatory w samochodach.

Prądnica synchroniczna prądu przemiennego może być używana jako silnik synchroniczny.

Prądnice synchroniczne posiadają magnesy w wirniku (lub elektromagnesy) a ich główną zaletą jest możliwość generowania prądu przemiennego niezależnie od połączenia z siecią energetyczną - czyli praca autonomiczna. Niestety prądnice synchroniczne aby wytwarzać prąd o właściwej częstotliwości muszą obracać się ze ściśle określoną prędkością obrotową - mówi się wtedy że są zsynchronizowane z siecią. Oczywiście przy pracy autonomicznej możliwe jest pewne zwiększenie lub zmniejszenie obrotów ale wpływa to na zmianę częstotliwości wytwarzanego prądu co może niekorzystnie wpłynąć na pracę wielu zasilanych przez wiatrak urządzeń (niewrażliwe na częstotliwość zasilającego prądu są jedynie grzałki i silniki komutatorowe).

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową oraz zasada funkcjonowania prądnic tachometrycznych.

1. Opis techniczny licznika prędkości obrotowej:

Parametry licznika:

Napięcie zasilania	230V AC
Pobór prądu	50mA
Standardy wejść	Nadajnik linii +5V
	O.C. +12V
	O.C. +5V
Maksymalne obciążenie przekaźników	40V 100mA
Liczba cyfr wyświetlacza	6
Wymiary obudowy (wys./szer./dł.)	(45 ± 0,6 / 92 ±0,8 / 130) mm
Wymiary panelu	(48,7 ± 0,6 / 96 ± 0,8) mm
Zakres temperatury pracy	0 - 50^0C
Stopień ochrony	Panelu IP65
	Z tyłu IP40
Odporność na wibracje	5 – 35 Hz
Przy amplitudzie przemieszczania	0,35 mm
Wysokość cyfr wyświetlacza	13,5 mm
Zużycie energii	8 VA

Ustawienia licznika w stanowisku pomiarowym:

Nazwa funkcji:	Ustawienie:
PASS	0022001
DEcP	0
In	2
nodE	2
StoP	0
CoEF	0,0012
TinE	1,00
Jedn	1 min.
P2	100,00
P1	100,00

Opis funkcji:

PASS (zmiana hasła)

Ustawienie samych zer (000000) oznacza brak hasła. Standardowo ustawione jest hasło producenta „022001”.

DEcP (ilość miejsc dziesiętnych po przecinku)

Liczba wyświetlanych miejsc po przecinku: 0, 1, 2 lub 3.

In (tryb wejść)

1. A-conunt B-dir C-reset

Przy wyborze tego trybu: wejście A służy jako wejście licznika,

wejście B służy do rozpoznawania kierunku,

wejście C – reset.

1. A-up B-down C-reset

Przy wyborze tego trybu: wejście A służy jako wejście liczące w górę,

wejście B służy do wejście liczące w dół,

wejście C – reset.

1. X4 quadrate

Przy wyborze tego trybu licznik działa w trybie kwadraturowym – wartości z enkodera mnożone są przez 4.

NodE (tryb pracy)

0 – absolutny,

1 – absolutny z marginesem,

2 – wskaźnikowy.

StoP (podtrzymanie wyniku na wyświetlaczu)

Aktywność podtrzymania wyniku poprzez wejście C:

0 – nieaktywne,

1 – aktywne, ostatni wynik jest tak długo wyświetlany jak długo na wejściu C jest stan aktywny (logiczny 1).

CoEF (mnożnik)

Wartość mnożnika z zakresu 0,0001 do 99,9999

TinE (czas pomiaru)

Ta komenda pozwala na ustalenie czasu pomiaru prędkości: zakres od 00,01 do 99,99s.

Jedn (jednostka wyświetlania wyniku)

x na sekundę – 1s,

x na 10 sekund – 10s,

x na 100 sekund – 100s,

x na minutę – 1min.

P2 (wartość przy której zadziała przekaźnik P2)

Dzięki tej komendzie ustalana jest wartość progowa, powyżej której zadziała przekaźnik P2.

P1 (wartość przy której zadziała przekaźnik P1)

Dzięki tej komendzie ustalana jest wartość progowa, powyżej której zadziała przekaźnik P1.

1. Schemat układu pomiarowego:

1 – prądnica synchroniczna jednofazowa,

2 – prądnica synchroniczna trójfazowa,

3 – prądnica asynchroniczna,

4 – prądnica prądu stałego.

1. Tabele pomiarów i wykresy:

Prądnica synchroniczna jednofazowa:

Bieg jałowy
Obroty w prawo
U
[V]
0,1
6
10,5
16,2
22,8

Próba obciążenia przy obrotach w lewo
Obciążenia R=1000Ω
U
[V]
1,5
5,9
9,7
14
18,6

Prądnica synchroniczna trójfazowa:

Bieg jałowy
Obroty w prawo
U
[V]
0,3
16,6
27,7
41,7
59,8

Prądnica asynchroniczna:

Bieg jałowy
Obroty w prawo
U
[V]
5,5
8
14,2
30
50
78

Próba obciążenia przy obrotach w lewo
Obciążenia R=1000Ω
U
[V]
1,5
2,7
5,4
13,8
30
44,7

Prądnica prądu stałego:

Bieg jałowy
Obroty w prawo
U
[V]
7,4
25,9
46
70,5
102,5

Próba obciążenia przy obrotach w lewo
Obciążenia R=1000Ω
U
[V]
9,5
24,1
44,2
62,8
85,9

1. Wnioski:

Prądnice tachometryczne są to małe prądnice elektryczne, których napięcie wyjściowe zawiera informację o prędkości obrotowej, a w niektórych przypadkach także o kierunku tej prędkości. Najważniejszą cechą prądnic tachometrycznych jest zależność napięcia wyjściowego lub częstotliwości tego napięcia od prędkości obrotowej wirnika. Innymi cechami branymi pod uwagę podczas doboru prądnicy do konkretnego zastosowania jest zakres prędkości, wrażliwość przebiegu charakterystyki wyjściowej na ewentualne obciążenie prądowe jej uzwojenia wyjściowego i zmiany temperatury otoczenia, kształt napięcia wyjściowego, wartość napięcia zerowego (przy =0) oraz zakres liniowości charakterystyki.

W naszym ćwiczeniu prądnice napędzane były silnikiem. Zwiększanie prędkości wału silnika powodowało, że prądnica wytwarzała wyższe napięcie. Podczas wykonywania ćwiczenia zmienialiśmy prędkość obrotową silnika (a co za tym idzie także prędkość obrotową wału prądnicy) i odczytywaliśmy w poszczególnych punktach pomiarowych napięcie wyjściowe prądnicy oraz prędkość obrotową prądnicy. Czynności te wykonaliśmy dla obciążeń prądnicy: 1[kΩ], 2[kΩ], 3[kΩ] oraz bez obciążenia (próba biegu jałowego).