DAPTA – dwufazowa asynchroniczna prądnica tachometryczna

Prądnica tachometryczna jest urządzeniem, które przetwarza energię mechaniczną na elektryczną, a dokładniej ruch obrotowy na sygnał elektryczny taki jak napięcie lub częstotliwość. Ze względu na efekt pracy prądnice tachometryczne dzieli się na maszyny prądu stałego lub zmiennego. Dla prądu zmiennego wyróżnia się z kolei prądnice indukcyjne oraz synchroniczne. DAPTA to urządzenie asynchroniczne, tzn. nie istnieje żaden związek pomiędzy prędkością z jaką obraca się wirnik a częstotliwością napięcia sinusoidalnie zmiennego, jakie prądnica generuje. Zmiana prędkości wirnika powoduje zmianę wytwarzanego napięcia.

Budowa i zasada działania:

DAPTA składa się wirnika i stojana. Na stojanie znajdują się dwa uzwojenia rozłożone przesunięte względem siebie o kąt elektryczny π/2. Jedno z nich jest uzwojeniem wzbudzenia, na które podajemy napięcie sinusoidalnie zmienne o stałej częstotliwości i amplitudzie. Z drugiego z nich odbieramy energię elektryczną przetworzoną w maszynie.

Na uzwojenie wzbudzenia podajemy napięcie sinusoidalnie zmienne. To powoduje przepływ przez nie prądu, co jest z kolei przyczyną powstania zmiennego strumienia w szczelinie maszyny. Skutkiem tego jest pojawienie się w wirniku wirowych prądów transformacji. Jeżeli teraz zaczniemy kręcić wirnikiem to prądy w nim płynące będą spowodowane superpozycją napięcia rotacji i napięcia transformacji. Prądy płynące w wirniku przyczyniają się z kolei do wytwarzania strumienia, który oddziałuje bezpośrednio na uzwojenie wyjściowe maszyny i wymuszają w nim napięcie sinusoidalnie zmienne.

1. Schemat połączeń

SYMULATOR SWPS

Silnik wykonawczy prądu stałego posiada cechę charakterystyczną w swojej budowie, a mianowicie komutator. Zjawisko komutacji jest to zmiana kierunku prądu w zwoju zwartym przez szczotkę. Uzwojenie stojana jest skupione i umieszczone na biegunach, a uzwojenia wirnika jest ułożone w żłobkach. Komutator jest umieszczony na wale wirnika, a poszczególne punkty uzwojenia wirnika są połączone z komutatorem. Do komutatora przylegają nieruchome szczotki. W taki sposób zrealizowane jest galwaniczne połączenie obracających się uzwojeń wirnika z nieruchomym obwodem zewnętrznym, który jest umieszczony w osi prostopadłej do osi biegunów głównych. Obracające się uzwojenie wytwarza pole magnetyczne działające wzdłuż osi szczotek. Kiedy zwój podchodzi pod szczotkę, wówczas następuje zmiana kierunku prądu płynącego przez zwój na przeciwny.

Silnik wykonawczy musi spełnić następujące wymagania:

• możliwość płynnej regulacji prędkości kątowej,

• charakterystyki statyczne liniowe, a praca w stanie ustalonym stabilna,

• duży moment rozruchowy,

• samohamowność, brak samobiegu,

• dobre właściwości dynamiczne,

• niewielka strefa nieczułości,

• mała moc sterowania,

• możliwość pracy przy zahamowanym wirniku,

• niezawodność, małe rozmiary i ciężar, niska cena.

Ze względu na sposób sterowania można wyróżnić silniki wykonawcze prądu stałego sterowane od strony twornika (sterowanie twornikowe) oraz sterowane od strony biegunów (sterowanie biegunowe).

Obliczenia zostały przeprowadzone na podstawie poniższych zależności opisujących SWPS:

1. U₁=R₁I₁

2. U₂=R₂I₂+L_12mI₁ω_r

3. M_e=M_z= L_12mI₁I₂

Zależności opisujące charakterystyki robocze i regulacyjne SWPS:

1.Sterowanie biegunowe:

$$\text{Me} = \frac{L_{12m}U_{2}}{R_{1}R_{2}}U_{1} - \frac{{L_{12m}}^{2}}{{R_{1}}^{2}R_{2}}{U_{1}}^{2}{\omega\ }_{r}\text{\ \ \ \ \ }{\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\omega}_{r} = \frac{R_{1}U_{2}}{L_{12m}}\frac{1}{U_{1}} - \frac{{R_{1}}^{2}R_{2}}{{L_{12m}}^{2}}\frac{1}{{U_{1}}^{2}}\text{Me}$$

2.Sterowanie twornikowe:

$$\text{Me} = \frac{\text{LmU}1}{R1R2}U2 - \frac{\text{Lm}^{2}{U1}^{2}}{{R1}^{2}R2}\text{wr}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{wr} = \frac{R1}{\text{LmU}1}U2 - \frac{{R1}^{2}R2}{\text{Lm}^{2}{U1}^{2}}\text{Me}$$

Współczynnik tłumienia wewnętrznego można obliczyć z zależności:

D=M_ek/ω_ro M_ek=L_12mU₁U₂/R₁R₂; ω_ro=R₁U₂/L_12mU₁

Prądnica prądu stałego - prądnica, przetwarzająca energię mechaniczną ruchu obrotowego na energię elektrycznąprądu 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 uzwojenie stojana zasilane zewnętrznym źródłem prądu stałego. Prąd elektryczny jest odbierany z komutatora znajdującego się na osi wirnika przy pomocy szczotek grafitowych, umieszczonych na stojanie.

Prądnice prądu stałego były niegdyś stosowane w pojazdach do zasilania urządzeń elektrycznych pojazdu oraz ładowania akumulatorarozruchowego, zostały jednak stopniowo wyparte przez alternatory, charakteryzujące się większą wydajnością i niezawodnością oraz mniejszymi gabarytami.

Prądnica tachometryczna prądu stałego to prądnica, w której napięcie jest proporcjonalne do prędkości kątowej wirnika. Najważniejszym zastosowaniem PTPS jest analogowy pomiar prędkości kątowej

PTPS można podzielić na:

• Prądnicę samowzbudną- pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes trwały. W tym polu obraca się wirnik. Uzwojenie wirnika przyłączone jest do komutatora. Napięcie indukowane w uzwojeniu wirnika podczas jego wirowania jest doprowadzane z komutatora do tabliczki zaciskowej za pośrednictwem szczotek.

• Prądnicę obcowzbudną- na biegunach stojana umieszczone jest uzwojenie wzbudzenia. W obcowzbudnych prądnicach tachometrycznych decydujący wpływ na wartość napięcia wyjściowego ma wartość napięcia wzbudzenia.

DASW – dwufazowy asynchroniczny silnik wykonawczy

Silnik asynchroniczny zbudowany jest jak wszystkie silniki elektryczne z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Stojan wykonany jest w formie wydłużonego pierścienia złożonego z blach żelazo-krzemowych odizolowanych od siebie lakierem lub papierem. Na wewnętrznej części obwodu stojana wycięte są żłobki, w których po wyłożeniu ich materiałem izolacyjnym umieszcza się wzajemnie do siebie prostopadłe uzwojenie (wzbudzenia i sterujące). Wirnik również złożony jest z blach, wyciętych w kształcie koła. Sprasowane blachy osadzone są na wale zamocowanym w łożyskach. W blaszkach wytłoczone są żłobki, w których umieszczone jest uzwojenie. Ze względu na sposób wykonania wirnika dzielimy silniki asynchroniczne na: pierścieniowe i klatkowe.

Zasada działania

Doprowadzenie napięcia dwufazowego do uzwojenia stojana spowoduje powstanie magnetycznego pola wirującego. Pole to przecina pręty wirnika, indukując w nich siły elektromotoryczne. Pod ich wpływem w zamkniętym uzwojeniu wirnika płynie prąd, który wytwarza własne pole magnetyczne. Pole magnetyczne stojana oddziałując na pole magnetyczne wytwarza moment obrotowy zgodny z prędkością wirowania pola stojana. Jeżeli moment ten będzie większy od momentu obciążenia silnika, wirnik zacznie się obracać. Wirnik silnika musi obracać się z prędkością obrotową N mniejszą od prędkości synchronicznej (prędkości obrotowej pola wirującego), stąd nazwa silnika asynchronicznego. W przypadku gdy prędkość obrotowa wirnika byłaby równa prędkości synchronicznej, pręty uzwojenia wirnika nie byłyby przecinane przez pole wirujące, w wirniku nie indukowałaby się siła elektromotoryczna.

Obiektem badanym jest dwufazowy asynchroniczny silnik wykonawczy o następujących danych:

- napięcie wzbudzania U_wn= 60 [V ]

- napięcie sterowania U_sn = 75 [V]

- częstotliwość f = 50 [Hz]

- moc znamionowa P_n= 2 [W]

- prędkość obrotowa n_n= 1500 [obr/min]

Wzory i oznaczenia:

M = m*g*R*sin() - moment mechaniczny

cos(_w ) = P_w / I_w*U_w - cosinus przesunięcia fazowego napięcia wzbudzenia

cos(_s ) = P_s / I_s * U_s - cosinus przesunięcia fazowego napięcia sterującego

P_m = 2**n*M/60 - moc mechaniczna

= P_m / ( P_s + P_w) - sprawność

m = 0,05 [kg] - masa tarczy

R = 0,1 [m] - promień tarczy

- wychylenie

g - przyspieszenie ziemskie

n - liczba obrotów na minutę

1. Schemat połączeń

SWPS –Silnik Wykonawczy Prądu Stałego

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.

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