Ćwiczenie 12

Ćwicz. 12
Elementy wykonawcze
SiEWA/SPSK
Temat ćwiczenia: WŁASNOŚCI OBCIĄŻONEGO SILNIKA
ELEKTRYCZNEGO
1. Wprowadzenie
Celem ćwiczenia jest badanie wpływu momentu obrotowego na pracę silnika
elektrycznego DC.
W ćwiczeniu używane są silniki prądu stałego typu komutatorowego. Jest to konstrukcja
silnika znana od ponad stu lat i pomimo swoich wad, jest powszechnie stosowana w różnych
urządzeniach głównie ze względu na łatwość regulacji obrotów i momentu obrotowego. Silnik
tego typu składa się z czterech podstawowych części:
 komutatora – jest to szereg płytek miedzianych, umieszczonych na bocznej powierzchni
walca, po których ślizgają się węglowe szczotki, podłączone do napięcia. Jego zadaniem
jest zmiana kierunku przepływu prądu w uzwojeniach tak, aby oddziaływanie ze stałym
polem magnetycznym stojana spowodowało obracanie się wirnika,
 uzwojeń rotora umieszczonych w szczelinach żelaznego rdzenia, podłączonych do
komutatora,
 trwałych magnesów stojana wytwarzających stałe pole magnetyczne,
 szczotek węglowych, które przenoszą napięcie do komutatora.
Rys.1. Budowa silnika komutatorowego z magnesem trwałym [2]






Do cech silników komutatorowych, niezależnie od rodzaju, należą między innymi:
duży moment obrotowy i rozruchowy,
dobry stosunek mocy do masy i rozmiarów silnika,
stosunkowo hałaśliwa praca i iskrzenie komutatora,
prosty sposób regulacji obrotów i momentu obrotowego,
możliwość uzyskania wysokich obrotów rzędu 30000 obr./min i więcej,
stosunkowo niska trwałość z uwagi na zużywające się szczotki i komutator.
Obroty silnika komutatorowego zależą w sposób liniowy od napięcia zasilania, a
moment obrotowy – od natężenia prądu. Silnik ten odznacza się tak zwaną miękką
charakterystyką obciążania, którą cechuje obniżanie obrotów, wzrostu momentu obrotowego
oraz poboru prądu pod wpływem wzrastającego obciążenia. Silniki zbudowane w oparciu o
magnesy trwałe cechuje fakt, że prąd wirnika zmienia się liniowo w funkcji obciążenia. Silniki te
pozwalają także na bardzo szeroki zakres regulacji napięcia zasilania przy zachowaniu
stosunkowo dużego momentu obrotowego. Dzięki zastosowanym magnesom trwałym, po
EWA-1
1
20/07/2017
Ćwicz. 12
Elementy wykonawcze
SiEWA/SPSK
odłączeniu zasilania i obciążeniu zacisków silnika, pojawia się magnetyczny moment hamujący.
Fakt ten pozwala na wykorzystanie silnika jako prądnicy elektrycznej, a w pewnych
przypadkach, przy umiejętnym sterowaniu, pozwala na odzyskiwanie energii hamowania.
Głównymi elementami składającymi się na układ laboratoryjny są dwa silniki prądu
stałego, czujnik momentu obrotowego wraz z dedykowanym wyświetlaczem oraz układ
obciążenia elektrycznego prądnicy. Pierwszy z silników działa jako napęd układu (silnikowy tryb
pracy), a drugi w roli prądnicy (praca prądnicowa silnika) i połączony jest z silnikiem
napędowym za pomocą czujnika momentu obrotowego oraz sprzęgieł mechanicznych.
W zależności od stopnia obciążenia elektrycznego prądnicy, zmianie podlega moment
obrotowy, powstający na osi łączącej prądnicę z silnikiem. Prądnica działa zatem jako hamulec
dla silnika. Bieżący wynik pomiaru tego momentu eksponowany jest za pomocą urządzenia
wyświetlającego MD-100M, pełniącego także rolę zasilacza czujnika momentu. Ponadto,
urządzenie wyświetlające pozwala na przesyłanie wyników do komputera, wyposażonego w
dedykowaną aplikację oraz zwrotnie – aplikacja pozwala na zmiany ustawień urządzenia
wyświetlającego.
Część układu odpowiadająca za obciążenie elektryczne prądnicy, składa się z układu
obciążająco - filtrującego o stałej rezystancji oraz układu mikroprocesorowego z tranzystorem
mocy, który reguluje współczynnik wypełnienia (PWM) prądu przepływającego przez obciążenie
rezystancyjne i uzwojenie prądnicy, a co za tym idzie, wpływa na średnią wartość prądu
przepływającego przez obciążenie w czasie. Powoduje to zmianę obciążenia elektrycznego
prądnicy. Układ oparty na mikroprocesorze sterowany jest za pomocą napisanej specjalnie do
tego celu aplikacji komputerowej i pozwala na płynne dobieranie żądanych parametrów. Schemat
blokowy stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 2 [1].
W ćwiczeniu prądnica obciążana jest z pominięciem elektronicznego sterowania obciążenia
wprost rezystancją.
Rys.2. Schemat blokowy zestawu do badania momentu obrotowego silnika elektrycznego[1]
Pomiar wartości momentu obrotowego za pomocą bezstykowego czujnika DFM 2x2,5.
Opiera się on magnetoindukcyjnej metodzie pomiarowej.
Zasada działania czujnika DFM 2x2,5 opiera się na zjawisko magnetostrykcji bazującej
na zmianie formy w zależności od namagnesowania. Efekt odwrotny do efektu Joule’a, czyli
EWA-1
2
20/07/2017
Ćwicz. 12
Elementy wykonawcze
SiEWA/SPSK
zmiana namagnesowania przez zmianę formy (torsję) znajduje zastosowanie w czujnikach wg
technologii FAST. Mechaniczne obciążenie (torsja) czujnika wywołuje zmianę wprowadzonego
do materiału czujnika kodowania na poziomie mikroskopowym (cz. pierwotny). Zmiana
kodowania magnetycznego podlega detekcji bezstykowo przez czujnik pola magnetycznego
i przetworzona zostaje na sygnał użyteczny czujnika (cz. wtórny). Elementy składowe czujnika
to: czujnik pierwotny - oś stalowa kodowana magnetycznie, czujnik wtórny - czujnik pola
magnetycznego z elektroniką przetwornika [5].
2. Zestaw aparatury
 zasilacz regulowany
 dwa silniki prądu stałego (GR 42x40) sprzężone czujnikiem momentu obrotowego
(DFM 2x2,5),
 wyświetlacz czujnika momentu obrotowego (MD-100M),
 układ kluczowania PWM ( niewykorzystywany),
 układ obciążenia – zestaw rezystorów,
 komputer z oprogramowaniem układu PWM i wyświetlacza ( niewykorzystywany),
 multimetry.
3. Zadania
3.1
Podłączyć układ badawczy według schematu (rys. 2).
W zasilaczu ustawić napięcie zasilające zadane przez prowadzącego (4 - 24 V).
Włączyć wyświetlacz, dokonać kalibracji i wyzerowania wskaźnika momentu obrotowego
zgodnie z instrukcją obsługi wskaźnika MD100M. W trakcie kalibracji czujnika należy
wpisać jego stałą kalibracyjną (czułość) – parametry czujnika zamieszczone poniżej – po
uwadze p.3.4.
3.2
Podłączyć oscyloskop i woltomierz DC (zakres ponad 25V) do zacisków prądnicy i
wykonać pomiar napięcia na prądnicy, momentu obrotowego, prąd zasilania i prędkość
obrotów silnika nieobciążonego (obciążonego wyłącznie czujnikiem momentu obrotowego
i silnikiem - prądnicą z rozwartymi elektrycznymi stykami) dla napięć zasilania od 4V do
24V co 4V. Obroty silnika należy określić na podstawie obserwowanych na oscyloskopie
tętnień generowanych przez prądnicę. Zarejestrować w komputerze obraz tętnień
widocznych na oscyloskopie. Należy uwzględnić fakt, iż dla jednego obrotu silnika
kolektor przełącza 8 razy jego uzwojenia.
Czujnik momentu obrotowego po każdym pomiarze ulega rozkalibrowaniu, z tego względu
należy do pomiaru uwzględniać początkową wartość wskazywaną przy odłączonym
zasilaniu silnika.
Należy też, co jakiś czas, powtarzać proces zerowania wskaźnika.
EWA-1
3
20/07/2017
Ćwicz. 12
Elementy wykonawcze
SiEWA/SPSK
3.3
Powtórzyć pomiary jak w p. 3.2 przy obciążeniu prądnicy rezystorami: 100, 50, 20,
10 5 i 1. Zewrzeć na chwilę prądnicę i zmierzyć prąd i obciążenie silnika dla napięć
4V, 10V i 24V.
3.4
Ustawić na zasilaczu napięcie 4V, zatrzymać oś prądnicy i włączyć zasilanie silnika.
Odczytać prąd i moment obrotowy (rozruchu) silnika.
UWAGA pomiar może być wykonywany przez krótki czas do ok. 5s.
odczytów odłączyć zasilanie silnika i puścić oś prądnicy.
Po dokonaniu
Czujnik momentu obrotowego:
Model2200-2.5 Part No. 10050602/Rev.1 Ser. No. B11201272287
Calibration 652.91mV/Nm (885.34mV/1lb-ft)
Nominal Torque 0 to 2.5Nm
Maximum Overload 5.0Nm
Degree of protection IP50
Suply Voltage Vcc 9-12V
Signal Output at 0Nm (adjustable) 2.5V
Nominal current In 4.8 – 8.8 mA
4. Opracowanie wyników.
4.1 Zamieścić tabelę pomiarów z p. 3.2 i 3.3.
4.2 Zaprezentować na wykresie wpływ napięcia i zasilania na obroty silnika nieobciążonego.
4.3 Zaprezentować wpływ momentu obrotowego na prąd i obroty silnika (rodzina charakterystyk
dla poszczególnych napięć zasilania).
4.4 Oszacować moc mechaniczną dostarczaną do prądnicy oraz moc elektryczną wydzielaną na
dołączanych rezystorach - dla poszczególnych napięć zasilania - zaprezentować: sprawność
elektromechaniczną oraz elektryczno - elektryczną w funkcji momentu obrotowego.
4.5 Zamieścić uwagi i wnioski.
5. Literatura
[1] Grabowski - Popow M., Szczodruch M., „Układ do elektronicznej regulacji momentu
obrotowego silnika elektrycznego”, praca dyplomowa, PG., Wydz. ETI, Katedra Systemów
Elektroniki Morskiej 2012,
[2] Przepiórkowski I.J.: Silniki elektryczne w praktyce elektronika. Warszawa: BTC, 2007
[3] Instrukcja obsługi wyświetlacza MD-100M.
[4] Instrukcja obsługi czujnika momentu obrotowego DFM 2x2,5.
[5] Nowa technologia bezstykowego pomiaru momentu obrotowego, www.wobit.com.pl
[6] Opis techniczny silnika GR 42x40, 20 W
EWA-1
4
20/07/2017
Ćwicz. 12
Elementy wykonawcze
SiEWA/SPSK
6. Załącznik – Dane techniczne silnika elektrycznego
Parametry silników Dunkermotor GR 42x40 wersja 24 V:

Znamionowe napięcie zasilania [VDC]
24

Znamionowa prędkość [obr./min.]
3100

Znamionowy moment obrotowy [Ncm]
5,7

Znamionowy prąd [A]

Moment startowy [Ncm]

Prąd startowy [A]

Moc silnika [W]

Bezwładność rotora [gcm2]

Masa silnika [g]
1,2
33
5,68
20
110
490
Wykres parametrów silnika GR 42x40
Dane techniczne oraz wykres parametrów pochodzą z noty katalogowej producenta Dunkermotoren.
EWA-1
5
20/07/2017