Sprawozdanie z pradnicy tachometrycznej- Aktuatory WE PDF

Preview

Summary

Sprawozdanie z pradnicy tachometrycznej- Aktuatory WE,
mechatronika...

Description

Politechnika Poznańska Nazwisko i imię:

Laboratorium: Aktuatory Elektromagnetyczne Semestr:

Wydział:

BMiZ Numer i temat ćwiczenia:

Kierunek

Grupa:

Mechatronika Prowadzący zajęcia:

Badanie prądnic tachometrycznych

Specjalizacja:

Ocena:

Dr. hab. inż. Paweł Idziak

1. Cel ćwiczenia Poznanie zasady działania różnych typów prądnic tachometrycznych oraz ich podstawowych charakterystyk. Zbadanie wpływu obciążenia prądnic tachometrycznych na kształt charakterystyki wyjściowej w zależności od zadanej prędkości obrotowej.

2. Wstęp teoretyczny 2.1. Prądnice tachometryczne są przetwornikami mechaniczno-elektrycznymi służącymi do przetwarzania ruchu obrotowego na sygnał elektryczny, który jest proporcjonalny do prędkości obrotowej. Sygnał w postaci napięcia może być wykorzystany do pomiaru prędkości obrotowej lub zostać przetworzony w układach regulacji. Podstawowym wymaganiem stawianym prądnicom tachometrycznym jest zachowanie proporcjonalności pomiędzy prędkością wirowania oraz napięcia indukowanego na wyjściu prądnicy, niezależnie od temperatury, obciążenia i innych zakłóceń. Ponadto amplituda napięcia wyjściowego nie powinna zależeć od kierunku wirowania, napięcie wyjściowe nie powinno zawierać składowych zniekształcających jego przebieg, czułość prądnicy powinna być możliwie duża oraz prądnica powinna mieć małą bezwładność. Zależność na podstawie której działa prądnica jest opisywana wzorem: 𝐸 =𝑘×𝛷×𝑛 gdzie E – siła elektromotoryczna k – współczynnik proporcjonalności φ – strumień wzbudzenia n – prędkość obrotowa Omawiany wzór określa charakterystykę zewnętrzną prądnicy, która z założenia powinna być linią prostą – warunek proporcjonalności napięcia wyjściowego prądnicy tachometrycznej do prędkości obrotowej. W rzeczywistości powyższe wymagania nie mogą zostać w pełni spełnione. Uchyby napięcia wyjściowego zależną są nie tylko od typu i prawidłowego zaprojektowania prądnica, lecz w dużej mierze od zastosowanych materiałów, dokładności wykonania i montażu, sposobu połączenia itd. Dlatego też każda prądnica klasyfikowana jest do pewnego zakresu dokładności i przeznaczenia. 2.2. Prądnice tachometryczne prądu stałego Prądnica tachometryczna prądu stałego może mieć wzbudzenie o magnesach trwałych lub wzbudzenie obce. W przeprowadzanym ćwiczeniu zajmiemy się prądnicą o wzbudzeniu o magnesach trwałych. Zatem niepotrzebne jest dodatkowe źródło zasilania wzbudzenia. Siła elektromotoryczna powstająca w uzwojeniu twornika jest proporcjonalna do prędkości obrotowej i strumienia 𝐸 =𝑘×𝛷×𝑛

1

Jeżeli strumień φ = const, to 𝐸 = 𝑘′ × 𝑛 Przy obciążeniu prądnicy napięcie wyjściowe zmniejsza się o spadek napięcia na rezystancji całkowitej twornika 𝑈 = 𝐸 − (𝐼 × 𝑅𝑐𝑡 ) gdzie:

I – prąd twornika Rct – rezystancja całkowita obwodu twornika

Uwzględniając, że 𝐼=

𝑈 𝑅𝑜𝑏𝑐

gdzie Robc to rezystancja obciążenia, otrzymujemy 𝑈=

𝐸 𝑘′ × 𝑛 = 𝑅𝑐𝑡 𝑅 1+ 𝑅 1 + 𝑅 𝑐𝑡 𝑜𝑏𝑐 𝑜𝑏𝑐

Jeżeli przyjmiemy, że Rct i Rob są stałe, to 𝑈 = 𝑘′′ × 𝑛 gdzie

𝑘 ′′ =

𝑘′ 𝑅 1+ 𝑐𝑡

𝑅𝑜𝑏𝑐

Zatem napięcie wyjściowe zależne jest od rezystancji obciążenia. Im ta rezystancja jest większa, tym charakterystyka prądnicy jest zbliżona do charakterystyki przy biegu jałowym, gdzie R obc = ∞. Według naszych założeń stałego strumienia oraz rezystancji obciążenia, charakterystyki powinny być liniowe niezależnie od stosunku rezystancji całkowitej obwodu twornika oraz rezystancji obciążenia. W rzeczywistości założenia nie są spełnione z racji tego, że przy obciążaniu maszyny powstaje oddziaływanie twornika, które może powodować zmniejszanie strumienia. Wówczas powstałe napięcie wyjściowe będzie zależne nie tylko od prędkości obrotowej, lecz także od wartości obciążenia.

Rysunek 1. Zależność U=f(n) dla różnych obciążeń prądnicy tachometrycznej DC

2

Ponadto rezystancja obwodu twornika nie jest stała, gdyż zawiera w sobie jeszcze rezystancję przejścia pomiędzy szczotkami a komutatorem, która zmniejsza ise wraz ze wzrostem prądu obciążenia. Zatem oddziaływanie twornika może spowodować odchylenie się charakterystyki od linii prostej (linie przerywane na rysunku 1). 2.3. Prądnice tachometryczne asynchroniczne dwufazowe Budowa prądnic tachometrycznych asynchronicznych dwufazowych niczym nie różni się od budowy dwufazowego silnika asynchronicznego o wirniku klatkowym lub kubkowym. Zasada działania prądnice tego typu jest następująca:

Przy zasilaniu uzwojenia wzbudzenia dwufazowej maszyny napięciem Ux wytwarza się strumień φx skierowany

zgodnie z osią x maszyny. Strumień ten oscyluje z częstotliwością sieci. Jeżeli dla uproszczenia przyjmuje się część zwartego wirnika jako zezwój B-B to w zezwoju będzie indukowała się SEM transformacji. Ponieważ zezwój ten jest zwarty, popłynie w nim strumień φB skierowany przeciwnie do strumienia głównego. Strumień wypadkowy wytwarza sem E B o wartości: 𝐸 = 4,44 × 𝑘1 × 𝑓 × 𝑧 × 𝛷𝐵 Gdzie E B – siła elektromotoryczna k1 – współczynnik uzwojenia f – częstotliwość napięcia zasilanego z – liczba zwojów uzwojenia wirnika ΦB – strumień magnetyczny Jeżeli wirnik obraca się, wtedy w zezwoju A-A przesuniętym o 90 w stosunku do osi X nie indukuje się żadna sem i na zaciskach uzwojenia Y traktowanego jako uzwojenie wtórne sprzężone ze zwartym uzwojeniem A -A nie występuje napięcia. Gdy wirnik zacznie się obracać, wtedy będzie się w nim indukowała sem rotacji, którą można sobie wyobrazić jako siłę elektromotoryczną, indukowaną w zezwoju A-A prostopadłym do strumienia. Wartość chwilowa tej siły elektromotorycznej wyrazi się wzorem: 𝑒𝐴 = 𝑙 × 𝑛 × 𝐵𝐵 × sin(𝜔𝑡) Gdzie l – czynna długość przewodów n – prędkość obrotowa wirnika BB – wartość chwilowej indukcji wytworzonej przez strumień ΦB eA – siła elektromotoryczna Ponieważ indukcja jest proporcjonalna do strumienia, czyli wartość sem wirowania w osi Y przy stałym strumieniu Φx jest proporcjonalna do prędkości obrotowej. Ponieważ powyższy proces odbywa się w zwartym wirniku, więc sem wirowania wzbudza strumień ΦY skierowany prostopadle do ΦB. W uzwojeniu Y będzie indukowała się sem o wartości 𝐸 = 4,44 × 𝑘2 × 𝑓 × 𝑧𝑌 × 𝛷𝑌

3

zakładając, że 4,44 × 𝑘2 × 𝑓 × 𝑧𝑌 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 oraz strumień 𝛷𝑌 jest proporcjonalny do prędkości obrotowej, otrzymamy: 𝐸𝑌 = 𝑐 × 𝑛 Z powyższego uproszczenia wynika, że w uzwojeniu wtórnym dwufazowej prądnicy asynchronicznej powstaje sem proporcjonalna do prędkości wirowania wirnika. Jej częstotliwość nie jest zależna od tej prędkości i równa się częstotliwości napięcia zasilającego. Jest to jedna z najważniejszych zalet prądnicy tachometrycznej asynchronicznej. Zatem teoretycznie zależność U=f(n) jest linią prostą, której kąt nachylenia zależy tylko i wyłącznie od rezystancji obciążenia. W rzeczywistości charakterystyki te mogą odbiegać od linii prostej.

3. Przebieg ćwiczenia 3.1. Badanie prądnicy prądu stałego Cel: Wyznaczyć charakterystyki wyjściowe dla prądnicy nieobciążonej oraz obciążonej rezystancjami kolejno 3k Ω i 20k Ω (zgodnie z normą). Badana prądnica: prądnica tachometryczna prądu stałego firmy Evershed – DC 106/207D. Schemat stanowiska

Układ napędowy z regulacją prędkości oparty o silnik o napięciu nominalnym U = 220V AC, M = 600Gcm. Regulacja obrotów na wale prądnicy tachometrycznej odbywa się poprzez przełożenie, które oparte jest o wirujący ze stałą prędkością talerz na którym oparte jest koło tarciowe zespolone wraz z wałem prądnicy. Przemieszczanie koła tarciowego od środka obrotu tarczy powoduje płynną zmianę prędkości obrotowej wału prądnicy. Wyniki pomiarów

Uprądnicy[V] n[obr/min] 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Brak obciążenia 11,3 14,1 16,9 20,0 22,4 25,3 28,5 31,0 33,8 36,5 39,5

20k Ω

3k Ω

11,3 14,1 16,7 19,3 22,2 25,0 27,7 30,4 33,4 36,0 38,8

10,3 12,9 15,4 18,0 20,8 23,2 26,0 28,6 31,0 33,8 36,4

4

Charakterystyka wyjściowa prądnicy tachometrycznej prądu stałego Evershed 40,0

35,0

Upr [V]

30,0

25,0

20,0

Brak obciążeni a

15,0

10,0 400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

npr [obr/min]

3.2. Badanie prądnicy asynchronicznej dwufazowej Cel: Wyznaczyć charakterystyki wyjściowe dla prądnicy nieobciążonej oraz obciążonej rezystancjami kolejno 3k Ω i 20k Ω (zgodnie z normą). Wyznaczyć charakterystykę wyjściową przy stałej prędkości obrotowej 1000 obr/min i zmiennym napięciu zasilania. Badana prądnica: prądnica tachometryczna (silnik) asynchroniczna dwufazowa – producent Mikroma Września, rok produkcji 1976, Uznam = 110V, I = 0,3A, f = 50Hz, n = 1050 obr/min, M = 200 Gcm. Schemat stanowiska

Układ napędowy taki sam jak w poprzednim badaniu. Jedno z uzwojeń prądnicy tachometrycznej zasilamy napięciem regulowanym pochodzącym z autotransformatora i badamy jego napięcie woltomierzem na wejściu w celu weryfikacji jego wartości. R obciążenia podłączone do zacisków wyjściowych prądnicy. Pomiar prędkości obrotowej następuje poprzez pomiar tachometrem optyczny.

5

Wyniki pomiarów: Uzasilania = 110 V Prędkosć obrotowa n = 0 – 1400 obr/min Kolejno dla obciążeń: Bez obciążenia, 20k Ω oraz 3k Ω

Uwyj [V] n [obr/min] 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Bez obciążenia 8,9 11,3 13,5 16,0 18,1 20,3 22,4 24,6 26,6 28,4 30,0

20k Ω

3k Ω

9,0 11,0 13,2 15,4 17,8 20,0 22,3 24,1 26,1 27,9 29,4

8,0 10,3 12,2 14,3 16,6 18,5 20,3 22,3 24,0 25,9 27,6

Charakterystyka wyjściowa prądnicy tachometrycznej asynchronicznej 2-fazowej

30,0

Uwyj [V]

25,0

20,0

15,0

Brak obciążenia 20k Ohm

10,0

3k Ohm Liniowa (20k Ohm)

5,0

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

n [obr/min]

6

Wyniki pomiarów: dla

n = const = 1000 obr/min Uzasil = 0 - 110V Brak obciążenia

Uzasil[V] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Charakterystyka wyjściowa prądnicy tachometrycznej indukcyjnej 2fazowej dla zmiennego napięcia zasilania i stałej prędkości obrotowej

25

Napięcie uzwojenia [V]

Uuzw[V] 0,1 – 0,25 1,6 3,6 6 8,2 10,3 12,3 14,7 16,7 18,6 20,5 22,1

20 15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Napięcie zasilania [V]

4. Wnioski Analizując wyniki dla prądnicy tachometrycznej prądy stałego możemy jednoznacznie stwierdzić słuszność stawianych tez we wstępie teoretycznym. Dla braku obciążenia, czyli nieskończenie dużej rezystancji (pomiar woltomierzem), otrzymujemy charakterystykę, której kąt nachylenia jest największy a ponadto wartości otrzymywanych napięć również są największe. Dla malejących obciążeń kąt nachylenia charakterystyk oraz wartości napięć wyjściowych dla tych samych prędkości obrotowych maleją. Charakterystyki te są w przybliżeniu liniowe gdyż prawie pokrywają się z linią trendu, tak jak zakładaliśmy we wstępie teoretycznym. Wyniki dla prądnicy asynchronicznej dwufazowej również są zgodne z omawianym przykładem we wstępie teoretycznym. Największe nachylenie oraz największe wartości napięć wyjściowych uzyskaliśmy dla układu bez obciążenia (do wyjścia podłączony wyłącznie woltomierz – R nieskończenie duże). Każda kolejna malejąca wartość rezystancji obciążenia powoduje spadek kąta nachylenia charakterystyki oraz wartości uzyskiwane na uzwojeniu wyjściowym. Ponadto dla tej prądnicy możemy zauważyć opadanie charakterystyki przy wysokich prędkościach obrotowych. Zauważmy, że prędkość obrotowa znamionowa

7

tej prądnicy to 1050 obr/min. Przyglądając się charakterystyce możemy zauważyć, że do tej prędkości charakterystyka jest w przybliżeniu liniowa. Rosnąca prędkość obrotowa powoduje załamywanie się charakterystyki. Ostatnia analiza została przeprowadzona dla zmiennego napięcia zasilania uzwojenia prądnicy przy stałej prędkości obrotowej 1000 obr/min. Otrzymana charakterystyka jest w przybliżeniu liniowa. Zatem można dojść do wniosku, że zmieniając napięcie zasilania uzwojenia twornika możemy regulować sobie rozdzielczość napięcia wyjściowego prądnicy. Dodatkowo przy zerowym napięciu zasilania zauważyliśmy, że wartość napięcia wyjściowego waha się od 0,1 do 0,25V. Norma przewiduje, że wartość ta – wartość uchybu zera, powinna maksymalnie osiągać 0,1V. Zatem zastosowanie takiej prądnicy do dokładniejszych pomiarów prędkości obrotowej nie jest zalecane.

8...