Měření charakteristik DC motoru s cizím buzením (MCB) pokyny k měření

Transkript

1 Měření charakteristik DC motoru s cizím buzením (MCB) pokyny k měření Laboratorní cvičení č. V-2 Zadání: 1. Seznamte se s rozdílem mezi sériovým a derivačním buzením. 2. Seznamte se se schématem obvodů spouštěče spalovacího motoru. 3. Seznamte se s měřením mechanických veličin = rychlosti a momentu a konstrukcí dynamometru. 4. Proveďte kontrolu zapojení obou obvodů motoru s cizím zdrojem a opravte schéma podle skutečnosti. 5. Naučte se postupu spouštění MCB a způsobům regulace rychlosti. 6. Naučte se obsluhu dynamometru. 7. Změřte mechanické = f(m) a elektrické I a = f(m) charakteristiky pro 2 různá napětí kotvy a 3 hodnoty spouštěcího odporu (R SP = 0, R SP1 = 105, R SP2 = 185, udržováním konstantního mg toku (I b = ma). 8. Změřte hodnoty záběrových veličin stav nakrátko (při n = 0). 9. Všechny tyto změřené charakteristiky vyneste do jediného grafu, aby byl vidět vliv napětí a spouštěcího odporu. 10. Vypočítejte výkony, příkony a účinnosti a vyneste do provozních grafů podle pokynů. Pokyny k zadání: Ad 1. Sériové buzení jsme zaznamenali už u Dynama, ale lépe si ho vysvětlíme teď u motoru, kde se vyskytuje i samostatně. Takže již známe derivační (nebo cizí) buzení, které je obecně napájeno z napětí podobného jako kotva a pak v porovnání s kotvou odebírá malý proud, jen pár procent. Tedy má velký odpor = tenký drát a mnoho závitů. Musíme si uvědomit, že v DC obvodu je proud omezen jen odporem vinutí (indukčnost cívky má vliv jen v přechodném ději). Sériový motor má budicí vinutí v sérii s kotvou a tak jsou obě protékány stejným proudem. Pro stejné magnetické napětí (Nd*Id = Ns*Is) při větším proudu stačí menší počet závitů (např. 1000x0,3A = 50x6A), samozřejmě velký proud chce velký průřez vodiče a pár závitů je malá délka vodiče, takže odpor sériového buzení bude malý a bude na něm i malý úbytek napětí (Ub = Rb Ia) a převážná část napájecího napětí zůstane na kotvu. Navíc málo zatížená kotva znamená malý proud také v budicí cívce, a ten vyvolá jen malý tok! Slabé MAGNETICKÉ POLE. Ad 2. Spouštěč nebo startér je asi nejrozšířenější sériový motor a najdete ho u každého spalovacího motoru. S jeho řezem i zapojením se seznámíme na obraze v laboratoři. Napájený je ze startovacího akumulátoru, kde na štítku kromě napětí (12 V) a kapacity C 10 = xxx Ah, je uveden i startovací proud (podle DIN, nebo ASA) konkrétní hodnoty zjistěte na webu. Pro tyto stovky Ampérů, byť jen pár sekund musí být dimenzovaný průřez vodičů kotvy i buzení. Pozn.: Kapacita v Ah je správně elektrický náboj baterie Q [Ah] se základní jednotkou Ampér-sekunda! Ad 3. Měření elektrického příkonu je snadné, v DC obvodech je P = U*I. A stačí pak sečíst příkony do obou obvodů (kotva a buzení). Dnes se naučíme měřit mechanický výkon, který je výstupním výkonem všech motorů. Z Fyziky ZŠ znáte, že výkon je práce za čas: P [W] = A / t = F s / t = F v [N] [m/s] Pro rotační pohyb místo síly F [N] bude krouticí moment M = F*R, kde R [m] je rameno síly. Namísto rychlosti lineárního pohybu v [m/s] bude rychlost úhlová [1/s] čtěte [rad/s]. Rovnice výkonu bude: P [W] = M [Nm] [1/s] Úhlová rychlost, kterou musíte použít ve výpočtu se v praxi udává ve vedlejších jednotkách n [ot./min], na palubní desce má řidič dva ukazatele rychlosti, lineární rychlost vozidla [km/h] ukazuje rychloměr, rotační rychlost motoru [ot./min] ukazuje otáčkoměr a v hantýrce pak často slyšíte, že se mluví o otáčkách (!), ale správně to jsou otáčky za minutu. Vztah mezi úhlovými rychlostmi odvodíme: = (n / 60) 2 což je poměr pro rychlý přepočet zhruba = n /10 a přesněji = n / 9,55. V tomto LC budeme k měření rychlosti používat elektrický otáčkoměr tachogenerátor využívající lineární závislost velikosti indukovaného napětí na rychlosti při konstantním buzení. Druhou mechanickou veličinu krouticí moment získáme vážením na známé délce ramene. Dynamometr je speciálně zkonstruovaný elektrický stroj, kde jsou v ložiskových stojanech otočné jak rotor, tak stator stroje. Reakční moment (působící proti momentu rotoru podle zákona akce-reakce) je u normálního stroje zachycen na podložce základech stroje. U dynamometru je na rameni R opřen o váhu v případě našeho malého dynamometru je místo váhy vychylováno závaží, které je výměnné a umožňuje nastavit různé měřicí rozsahy (1,8 0,9 0,18 Nm) připomeňte si konstantu měřicího přístroje! Čím větší vychýlení na cejchované stupnici, tím větší moment. Stupnice s nulou uprostřed je upravena pro oba směry otáčení ( 1,8 Nm až +1,8 Nm).

2 Dynamometr může fungovat jako mechanická zátěž pro motor, nebo jako pohon, zdroj měřeného momentu který znáte třeba z STK, kde dvojitý dynamometr nezávisle pohání kola jedné nápravy a je zatěžován brzdami. U pohonu musíme volit i směr otáčení. V našem měření bude Dynamometr pracovat jako Dynamo a z mechanického vstupu na hřídeli bude dodávat elektrický výkon do odporů, princip znáte z minulého LC. Ad. 4 Schéma na obrázku se liší od skutečného zapojení měřeného motoru. Vaším úkolem bude najít a zaznamenat všechny odchylky a změny do referátu pak uvedete schéma již opravené! Samostatně kontrolujete každý z obvodů a k jednotlivým regulačním odporům hned poznamenáte jejich údaje. Schéma zapojení motoru i dynamometru v režimu brzdy.

3 Popis schématu: Zdrojem energie pro buzení MCB je usměrňovač USM1 napájený z jednofázové zásuvky 230 V/50 Hz. Velikost budicího proudu lze regulovat derivačním odporem Rd. Zdrojem pro napájení kotvy MCB je usměrňovač USM1 napájený z jednofázového autotransformátoru AT, kde na výstupu lze pohybem jezdce plynule nastavovat napětí V. Pro měření vlivu spouštěcích odporů na mechanické charakteristiky jsou v obvodu kotvy zařazeny odpory Rs1 a Rs2. Dynamometr se bude provozovat v režimu BRZDA, kdy bude měnit mechanickou energii dodanou na hřídel na elektrickou, která se spotřebuje (promění na teplo) o odporech zatěžovacích Rz1 a Rz2, tento princip již znáte ze cvičení na Dynamu. Obsluha Dynamometru bude po připojení buzení z ovládacího pultu postupně zvyšovat zátěž tím, že bude postupně vyřazovat odpory Rz1 a Rz2 a nakonec zvyšovat budicí proud Dynamometru (Rd). Na společné hřídeli je kromě měřeného MCB a Dynamometru ještě malý elektrický stroj ve funkci tachogenerátoru. Voltmetr na pultě je cejchován přímo v otáčkách za minutu. Ad 5. Postup spouštění. Napřed musíme vytvořit magnetické pole, to znamená zapnout zdroj buzení a nastavit maximální hodnotu budicího proudu. Dále se postup liší, podle toho, jestli máme zdroj regulovaného napětí pro kotvu (třeba autotransformátor s usměrňovačem), nebo je k dispozici zdroj konstantního napětí (např. DC trolej). V prvním případě připojíme minimální napětí zdroje a toto postupně zvyšujeme, až dosáhneme požadovanou hodnotu rychlosti. Spouštěcí odpory nejsou potřeba! Ve druhém případě musíme omezit záběrný proud zařazením maximální hodnoty spouštěcího odporu, na kterém vzniká velký úbytek napětí a na kotvu tak zůstane jen malá část z napětí zdroje. Mechanická energie se tvoří z elektrické, dodané do kotvy mínus příslušné ztráty. V případě spouštěcích odporů se energie ze zdroje rozdělí mezi kotvu a spouštěcí odporník, jedná se tedy o regulaci ztrátovou. (Ukázka spouštění a regulace rychlosti učitelem) Rychlost závisí na napětí a proudu kotvy podle vztahu: = U i / K Φ = (U R a I a ) / K Φ = U/K Φ R a I a / K Φ = 0 kde K je stejná konstanta stroje jako pro indukované napětí. Pokud se použije spouštěcí odpor R sp v obvodu kotvy, tak se musí přidat do vztahu: = U / K Φ (R a + R sp ) I a / K Φ Tím se změní směrnice přímky a pokles rychlosti s proudem bude strmější. Velikostí odporu lze nastavit hodnotu záběrného proudu I K, tedy proudu, který teče kotvou při nulové rychlosti tento stav nazýváme též stavem nakrátko I K = U / (R a + R sp ) Krouticí moment odvodíme ze síly F na proudovodič v mg poli, která je zjednodušeně: F = B I v l v Pokud síla F, pole B a vodič l jsou na sebe kolmé, l V je délka vodiče v mg poli, přičemž proud vodičem je jen částí proudu kotvy, který se dělí do paralelních větví. Opět tedy musí být splněny 2 podmínky současně, mg POLE a PROUD. Z tohoto vztahu lze pro moment odvodit vztah: M = K Φ I a Ještě si musíme probrat vliv mg pole na rychlost, všimněme si, že tok Φ je ve jmenovateli a tedy platí nepřímá úměra čím nižší tok, tím vyšší rychlost. Výpadek buzení proto může způsobit havárii stroje způsobenou překročením maximální rychlosti. Tento vliv si budeme demonstrovat při sníženém napětí, ale měřit ho dále nebudeme, to znamená, že všechna měření provedeme se stejným budicím proudem. Ad 6. Obsluha Dynamometru. Popis obsluhy dynamometru je v bodě Ad 4 v části Popis schématu. Ad 7. Měření Napřed si opíšeme štítkové údaje měřeného stroje, abychom věděli v jaké oblasti parametrů (napětí, proudy, rychlosti) se můžeme bezpečně pohybovat. Měření vyžaduje součinnost obsluhy, kdy je třeba stále udržovat konstantní: napájecí napětí obvodu kotvy, budicí proud (bez regulace by se měnil, podle toho jak by se ohřívala vinutí budicích cívek). Při každé změně zátěže se bude dělat odečet všech veličin (M, n, I a ) až po dostavení obou konstantních veličin.

4 Štítek měřeného stroje: MOTOR Stejnosměrný Typ Nominální napětí kotvy U na V Nominální proud kotvy I na A Nominální napětí buzení U nb V Nominální proud buzení I nb A Nominální rychlost n n 1/min Výrobní číslo UPOZORNĚNÍ: z bezpečnostních důvodů je ZAKÁZÁNO provádět zkoušky točivých strojů při rychlostech vyšších, než jsou maximální dovolené! Takovéto zkoušky lze dělat jen ve speciálních prostorách = tunelech, aby se předešlo ohrožení při případné mechanické destrukci stroje. Vzor tabulky (6x) napětí U = V R s = I b = = ma = konst U b =.. V M [Nm] I a [ma] n [min 1 ] [s 1 ] R s I a [V] U a [V] P 1 [W] P 2 [W] P [W] [%] Ad. 8 měření záběrných veličin (neboli motoru nakrátko). Když změříte všech 6 charakteristik, tak zjistíte, že Dynamometr v režimu BRZDA nikdy nedobrzdí do nulové rychlosti a pokud nás zajímá skutečná hodnota momentu, či proudu při záběru, lze ji jednoduše získat i bez Dynamometru, stačí, když budete mít metr a váhu. Na hřídel měřeného motoru upevníte rameno, které opřete o váhu a změříte délku ramene R (od osy hřídele po opěrný bod na váze. Zaznamenáte údaje váhy před připojením napájení m 1 a po připojení m 2 rozdíl je síla F K = (m 2 m 1 )*9,81. Součin síly a ramene dá Newton-metry záběrného momentu M K = F K *R. Pozor! Neměřit M K bez spouštěcích odporů aby se měřený motor nepoškodil nadměrným proudem!!! M K [Nm] I ak [ma] U [V] Rs [ ] Ad 9. Grafy naměřených veličin: Naměřené hodnoty z předchozích dvou bodů návodu vynesete do jednoho společného grafu podle následujícího vzoru: v grafu budou vyznačeny všechny naměřené body a pak proloženy přímkami, aby bylo vidět i nepřesnost měření! Silná čára závislosti proudu kotvy na momentu je vlastně 6 charakteristik, které se ale vzájemně (téměř) překrývají závisí na přesnosti měření, každopádně tam budou vyznačeny body ze všech měření s barevným nebo jiným odlišením.

5 Vliv spouštěcích odporů a napětí na mechanické charakteristiky MCB Ad 10. Výpočty do tabulek měření výpočty podle následných vztahů provedete pro všechna měření, a každý student ze skupiny zpracuje jen pro jeden stav po vzájemné dohodě každý jiný! P 1 = I a U a + I b U b [W] P 2 = M n / 9,55 = M [W] P = P 1 P 2 [W] = P 2 / P [%] K dalšímu studiu doporučujeme: skripta S 3667 Návody