POLITECHNIKA POZNAC
SKA
Konspekt: Pomiar prędkości obrotowej
LABORATORIUM MECHATRONIKI
1. Cel ćwiczenia:
" zapoznanie sie z najczęściej stosowanymi sposobami pomiaru prędkości obrotowej oraz
u\
ywanymi do tego czujnikami.
" wyznaczenie zale\
ności prędkości obrotowej silnika elektrycznego:
o od częstotliwości zasilania silnika elektrycznego,
o od częstotliwości sygnału mierzonego na zaciskach czujnika indukcyjnego PCID,
o od napięcia mierzonego na zaciskach przetwornika prędkości SERIA EE65,
o od napięcia mierzonego na zaciskach prądnicy tachometrycznej.
2. Schemat stanowiska pomiarowego
Prądnica
V
tachometryczna
Czujnik
prędkości V
Przetwornik Silnik
przepływu
częstotliwości elektryczny
Alspa VF z wentylatorem
Czujnik
Hz
indukcyjny
Tachometr
Obr/
cyfrowy
Hz min
Obr/
Wykaz aparatury:
min
" Przetwornik częstotliwości Alspa VF 2005,
" Silnik elektryczny z wentylatorem,
" Prądnica tachometryczna,
" Czujnik indukcyjny PCID-2.5ZN,
" Czujnik prędkości przepływu E65,
" Multimetr WENS 53,
" Tachometr cyfrowy z mo\
liwością pomiaru laserowego i stykowego,
" Oscyloskop OWON PDS 5022S.
3. Budowa i zasada działania elementów u\
ytych do budowy stanowiska
Silnik elektryczny asynchroniczny
Silnik elektryczny asynchroniczny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w
energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola
magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.
Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana i ruchomego
wirnika. Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie
zmiennego pola magnetycznego dla ka\
dej z faz w taki sposób, \
e wypadkowe pole jest polem
wirującym. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika silnik
1
indukcyjny) powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod wpływem
której płynie przez uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana
i wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego i ruch.
Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (zwarte - silnik zwarty) lub ich końcówki
są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących przez szczotki prąd na zewnątrz silnika
(silnik pierścieniowy). Wyprowadzone na zewnątrz uzwojenia są połączone przez oporniki lub
zwarte. Oporniki podłącza się na czas rozruchu silnika, następnie zmniejsza się opór i zwiera
uzwojenia. Oporniki ograniczające prąd uzwojeń wirnika stosuje się w celu zwiększenia momentu
obrotowego i zmniejszenia prądu pobieranego przez silnik szczególnie podczas rozruchu silnika
lub w celu uzyskania łagodnego startu silnika.
W sieci energetycznej w Polsce prąd elektryczny ma częstotliwość 50 Hz co odpowiada
prędkości synchronicznej 3000 obrotów na minutę, a obroty znamionowe silnika asynchronicznego
2800 - 2900 obr/min. Najpopularniejsze są silniki o dwóch parach biegunów, których obroty
synchroniczne wynoszą 1500 obr/min, zaś znamionowe 1410-1480 obr/min.
Największymi wadami silnika asynchronicznego jest brak bezpośredniej mo\
liwości regulacji
prędkości obrotowej, a w silnikach klatkowych tak\
e gwałtowny rozruch.
Dlatego te\
dawniej stosowano silniki pierścieniowe. Zastosowanie oporników włączanych w
obwód uzwojeń wirnika umo\
liwiało łagodny rozruch. Obecnie powszechnie stosowanym
rozwiązaniem, mającym na celu ograniczenie prądu podczas rozruchu, jest podłączanie uzwojeń
silnika na czas rozruchu w gwiazdę, a po uzyskaniu właściwych obrotów - przełączenie w trójkąt.
Połączenie w gwiazdę zmniejsza moc silnika i mo\
e być stosowane tak\
e podczas pracy silnika
je\
eli nie ma zapotrzebowania na moc.
Regulacji prędkości obrotowej dokonywano dawniej przez łączenie silników pierścieniowych z
prądnicą i silnikiem prądu stałego w układy Leonarda. Rozwiązanie to stosowane było tylko w
silnikach du\
ej mocy. Stosowano te\
układy uzwojeń, w których w zale\
ności od podłączenia
uzyskiwano ró\
ną liczbę biegunów, a tym samym i ró\
ne obroty. Silniki z takimi układami były
stosowane w pralkach automatycznych, uzyskując małe obroty podczas prania a du\
e podczas
wirowania.
Wraz z rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy, triaków i
mikroprocesorów, zaczęto stosować układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować
prędkość obrotową przemiennikami częstotliwości. Rozwój technologiczny i spadek kosztów
układów falownikowych są przyczyną coraz częstszego stosowania tego typu urządzeń dla
silników klatkowych. Układy z regulacją obrotów, umo\
liwiają uzyskanie znacznych oszczędności
energii zastępując układy, w których maszyna (pompa, wentylator) pracowała cyklicznie, przepływ
był dławiony lub tracony.
Silniki pierścieniowe dzisiaj są wobec tego coraz rzadziej stosowane.
Elektroniczna przetwornica częstotliwości
Przetwornica częstotliwości jest urządzeniem elektronicznym słu\
ącym do zamiany jednego
rodzaju energii elektrycznej na inny (\
ądany). Zbudowana jest z zasilacza-prostownika
jednofazowego (230V) lub trójfazowego (400V), części sterującej oraz elementów mocy.
2
Zasada działania: przemienne napięcie zasilające jest prostowane w zasilaczu (energia
składowana jest w kondensatorach elektrolitycznych du\
ej pojemności), następnie napięcie to
przekazywane jest do układów wykonawczych-tranzystorów lub częściej zespołów tranzystorów
IGBT.
Układ sterujący ma za zadanie: regulować częstotliwość wyjściową przetwornicy impulsowej
nadzorować takie parametry pracy jak prąd obcią\
enia, czas narastania i opadania częstotliwości i
napięcia wyjściowego oraz współczynnik mocy odbiornika.
Zastosowanie: regulacja prędkości obrotowej silników elektrycznych, układy nagrzewania
powierzchniowego metali, wzmacniacze klasy D
Przetwornica powinna posiadać funkcje, które umo\
liwiają pracę w najtrudniejszych
warunkach, takich jak niskie częstotliwości wyjściowe i zmienne obcią\
enie silnika, aby mo\
liwa
była praca w całym zakresie prędkości obrotowych. Takie funkcje nazywamy kompensacjami, np.:
- kompensacja rozruchu i napięcia rozruchu,
- kompensacja częstotliwości początkowej,
- kompensacja poślizgu,
- kompensacja napięcia wyjściowego w funkcji obcią\
enia,
- kompensacja strumienia w niedowzbudzonym silniku,
- kompensacja składowej magnesującej prądu obwodowego wirnika.
Kompensacja rozruchu i napięcia rozruchu ma za zadanie zapewnić optymalny strumień
magnesujący wirnika lub strumień w szczelinie i maksymalny moment początkowy przy pracy z
niskimi prędkościami za pomocą zwiększenia wartości napięcia wyjściowego przy niskich
częstotliwościach. Kompensacja poślizgu jest funkcją, która umo\
liwia stabilną pracę układu
napędowego w całym zakresie prędkości obrotowej z wykluczeniem częstotliwości
rezonansowych. Polega kontrolowaniu poślizgu przez zwiększanie częstotliwości, proporcjonalnie
do składowej czynnej. Kompensacja napięcia wyjściowego w funkcji obcią\
enia polega na
dopasowaniu napięcia wyjściowego przetwornicy do zmieniających się warunków obcią\
enia.
Metoda ta powinna być stosowana tylko w czasie rozruchu silnika, gdy częstotliwość jest niska.
Kompensacja pozwala na maksymalne wykorzystanie właściwości dynamicznych silnika.
Prądnica tachometryczna
Prądnice tachometryczne generują napięcie proporcjonalne do prędkości obrotowej. Zasada
działania opiera się na klasycznej prądnicy prądu stałego, z tą ró\
nicą, \
e w prądnicach
tachometrycznych stosuje się szczotki o małej rezystancji przejściowej (w normalnych prądnicach
szczotki powodują nieliniowość) - dzięki temu uzyskuje się błąd nieliniowości rzędu 1%. Prądnice
tachometryczne sprzęgnięte są z wałem silnika, a napięcie wyjściowe porównywane jest z
napięciem zadającym regulatora.
Pomiary przy pomocy prądnic tachometrycznych są jednak zakłócone przez szumy (działanie
komutatora, zakłócenia zewnętrzne) szczególnie niekorzystne przy małych wartościach prędkości
obrotowej, a co za tym idzie niskich napięciach wyjściowych.
Szumy niejednokrotnie dominują nad sygnałem pomiarowym czyniąc go bezu\
ytecznym.
Rozwiązaniem mo\
e być zastosowanie magnesów trwałych na wirniku, a uzwojenia umieścić
na stojanie. Jednak nie unikniemy problemów związanych z prostownikami i filtrami (które
dodatkowo wprowadzają opóz
nienia). Znowu przy niskich częstotliwościach trudno uzyskać
napięcie stałe na wyjściu.
Czujnik indukcyjny
W indukcyjnych czujnikach zbli\
eniowych obwód drgający wraz z cewką tworzy przed
aktywną powierzchnią czujnika zmienne pole elektromagnetyczne. Pojawienie się metalowego
przedmiotu w tym polu powoduje tłumienie sygnału w obwodzie drgającym. Je\
eli tłumienie to
przekroczy określoną wartość progową, na wyjście układu podawany jest sygnał przełączający.
3
Budowa czujnika indukcyjnego
Część aktywną czujnika indukcyjnego stanowi cewka nawinięta na ferrytowym rdzeniu
kubkowym, wytwarzająca zmienne pole magnetyczne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym
obwodzie magnetycznym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skierowanie go
w kierunku strefy pomiarowej czujnika.
Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki, na podstawie stopnia
tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy. Najczęściej jest to sygnał dwustanowy: obiekt
jest w zasięgu czujnika lub go nie ma. Mo\
e te\
być to sygnał analogowy, wówczas jest on
odwrotnie proporcjonalny do odległości przedmiotu.
Zasada pomiaru prędkości obrotowej przy u\
yciu czujnika indukcyjnego.
Koło zębate zmienia wartość indukcyjności - zmiany napięcia wyjściowego (ich częstotliwość
jest proporcjonalna do prędkości obrotowej).
Termoprzepływomierz (termoanemometr)
V
Termorezystor RJ włączony w układ mostka, ogrzewany jest prądem elektrycznym
przepływającym przez niego. Natomiast chłodzony jest przepływającym materiałem (gaz, ciecz).
Przy braku natę\
enia przepływu temperatura termorezystora ma wartość powy\
ej temperatury
otoczenia. Przepływający czynnik powoduje obni\
enie temperatury termorezystora, co spowoduje
zachwianie stabilności mostka.
Te zmiany mo\
emy obserwować mierząc napięcie przy stałej wartości prądu lub przyrost prądu
potrzebnego do stabilizacji temperatury termorezystora.
4
4. Przebieg ćwiczenia:
Zadając za pomocą przetwornika Alspa VF (potencjometru) częstotliwości zasilania silnika
elektrycznego z zakresu fc = 10  50 Hz dokonać pomiaru następujących parametrów:
- napięcie na zaciskach prądnicy tachometrycznej ( Ut)
- napięcie na zaciskach czujnika prędkości przepływu (Up)
- częstotliwość sygnału na zaciskach czujnika indukcyjnego (fi)
- prędkości obrotowej za pomocą tachometru laserowego (Tl)
- prędkości obrotowej za pomocą tachometru stykowego (Ts)
Przebieg pomiarów:
1. Uruchomić oscyloskop przyciskiem  POWER a następnie przycisnąć dowolny przycisk.
Podłączyć przewody oscyloskopu do odpowiednich zacisków pomiarowych.
2. Uruchomić multimetr przyciskiem  POWER podłączyć przewody czarny do gniazd  COM w
multimetrze oraz czerwony do gniazda  V . Przełączyć rodzaj pomiaru na napięcie stałe  DC
za pomocą przycisku  AC/DC . Podłączyć przewody multimetru do zacisków pomiarowych.
3. Podłączyć stanowisko pomiarowe do zasilania (240V) oraz załączyć urządzenie
przełącznikiem znajdującym się na panelu obok zacisków pomiarowych.
4. Ustawić częstotliwość na przetworniku Alspa VF np. 12 Hz (za pomocą potencjometru
znajdującego się na panelu pomiarowym) oraz
a. odczytać częstotliwość sygnału z czujnika indukcyjnego za pomocą oscyloskopu,
b. odczytać napięcie na zaciskach prądnicy tachometrycznej,
c. odczytać napięcie na zaciskach czujnika prędkości przepływu,
d. odczytać wskazania tachometru cyfrowego laserowego,
e. odczytać wskazania tachometru cyfrowego stykowego
5. Punkt 4 powtórzyć 20 razy w całym zakresie częstotliwości.
6. Po wykonaniu pomiarów nastawić częstotliwość przetwornika Alspa VF na 0 Hz oraz
wyłączyć urządzenie przełącznikiem znajdującym się na panelu obok zacisków pomiarowych.
7. Wyłączyć oscyloskop i multimetr oraz rozłączyć przewody pomiarowe.
5. Opracowanie wyników
Na podstawie dokonanych pomiarów wykonać wykresy zale\
ności �t(fc), �r(fc), �r(Ut), �r(Up).
Tl(fc), Ts(fc). Obliczyć współczynniki korelacji dla otrzymanych charakterystyk.
Prędkość obrotowa (teoretyczna z uwzględnieniem poślizgu)  obliczamy ze wzoru:
fc �" 60 obr
�ł łł
�t = , fi [Hz], m  ilość par biegunów w silniku elektrycznym (w tym
�łmin śł
1,07142 �" m
�ł �ł
przypadku: 1)
fi �"60 obr
�ł łł
Prędkość obrotowa rzeczywista - obliczamy ze wzoru �r = , n  ilość impulsów
�łmin śł
n
�ł �ł
generowanych przez czujnik indukcyjny w czasie jednego obrotu wału (w tym przypadku 2).
6. Sprawozdanie
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
" opisaną, w formie schematu blokowego strukturę stanowiska badawczego
" wyniki pomiarów, obliczenia prędkości oraz wykresy charakterystyk z wartościami
współczynników korelacji
" wnioski z przeprowadzonych pomiarów
5