nastavíme synchronzac se sítí (označení LINE), což značí, že př kmtočtu 50 Hz bude počet záblesků, kterým osvětlíme hřídel, 3000 mn -1. Řízením dynamometru docílíme stav, kdy se na hřídel objeví tř nepohyblvé značky, potom každé otáčce odpovídají tř záblesky a stroj má tudíž 1000 otáček za mn. Řízením budcího proudu tachodynama nastavíme na jeho kotvě takové napětí, aby převodní konstanta ((otáčky/mn)/napětí) bylo celé, nejlépe dekadcké číslo např.(1000 mn -1 )/100 V a tento budcí proud je třeba udržovat po celé měření konstantní. Pro následující měření je třeba pečlvě zapsat nejen hodnotu budícího proudu, ale rozsah a evdenční číslo ampérmetru. Lneartu tachodynama překontrolujeme př 1500 mn -1 a 500 mn -1, kdy se na hřídel objeví dvě resp. šest zdánlvě stojících značek. d. Fotoelektrcké nebo magnetcké snímače umožňují ve spojení s elektronckým čítačem velm přesné určení otáček. Výhodnější je fotoelektrcké (optcké) snímání mpulzů, neboť ndukční prncpy magnetckých snímačů mají menší rozlšovací schopnost a nemohou poskytnout v průběhu jedné otáčky dostatečný počet mpulzů. Př fotoelektrckém způsobu měření, kdy např. děrovaný kotouč přerušuje světelný paprsek vysílený na fotododu nebo fototranzstor, se snímač mechancky spojí s měřeným strojem. Je zřejmé, že čím větší počet mpulsů se za dobu měření načte, tím bude menší vlv chyby kvantování čítače vlv chyby způsobené mechanckým spojením ( malou nesouosostí dochází v závslost na čase k nerovnoměrnému rozdělení počtu pulzů v průběhu jedné otáčky - obvodová rychlost se mění). Vlv chyby mechanckého spojení se v měřené hodnotě neprojeví, jestlže doba měření odpovídá celstvému násobku otáček. V našem případě nejčastěj používáme ntegrační měření otáček (měření kmtočtu mpulsů), kdy čítač přímo počítá mpulzy za určtou dobu např. l s. Metoda je vhodná pro šroký rozsah otáček, avšak je třeba použít čdla s velkým počtem mpulzů např. 1000 nebo 2500 na jednu otáčku. V současné době se pro svou pohotovost a přesnost často používají ruční elektroncké otáčkoměry s číslcovým dsplejem. Přístroje umožňují dvojí způsob snímání otáček: dotykové, jako u mechanckého otáčkoměru, nebo fotoelektrcké snímání světelného mpulzu z rotující reflexní značky nesené hřídelem měřeného stroje. 5. MĚŘENÍ STEJNOSMĚRNÝCH MOTORŮ Podle způsobu buzení jsou v této kaptole uvedeny tř základní typy motorů - s czím buzením, sérovým a smíšeným. Pokud jde o vlastnost a působení motoru s paralelním buzením, není př konstantním napětí zdroje podstatný rozdíl ve vztahu k motoru s czím buzením a můžeme o nch pojednat společně. 5.1 Stejnosměrný motor s czím buzením 5.1.1 Štítkové údaje Pro štítkové údaje stejnosměrných motorů platí zásady uvedené v kap. 4.1 19
5.1.2 Spouštění stejnosměrných motorů a změna smyslu otáčení Př spouštění motoru potřebujeme docílt, aby př pokud možno nízkém záběrném proudu byl dostatečný záběrový moment, který musí překonat moment počátečního suchého tření zátěžný moment poháněného zařízení. Proto je třeba splnt následující podmínky: a. motor nabudt jmenovtým proudem b. po nabuzení přpojt kotvu na nejmenší napětí, které postupně zvyšujeme až na jmenovtou hodnotu. Prvá podmínka je zřejmá ze základního vztahu pro vntřní (elektromagnetcký) moment kde M k.φ. (5.1) I a k je konstanta reprezentující provedení stroje, podle Lt.(l). k = pn/aπ (jestlže ve vztahu pro ndukované napětí kotvy (6.1) dosadíme místo n mechanckou úhlovou rychlost ω potom k = k e ). Φ celkový magnetcký tok ve vzduchové mezeře v oblast pólové rozteče (tj. včetně respektování magnetckého toku reakce kotvy; pouze u strojů kompenzovaných můžeme uvažovat (Φ = Φ b ). proud kotvy. I a Pro užtečný moment na hřídel motoru platí kde M = M (5.2) M 0 M 0 je moment ztrát mechanckých a v železe rotoru. Ztráty mechancké jsou způsobeny třením v ložskách, třením kartáčů o komutátor a ztrátam ventlačním (hlavně příkonem vlastního ventlátoru). Ztráty v železe 2 rotoru dělíme na ztráty hysterezní ( P h ~ f. B ) a ztráty vířvým 2 2 ~ f. B. P v proudy ( ) Druhou podmínkou pro spouštění a důležtý vztah pro otáčky odvodíme ze základní obvodové rovnce stejnosměrného motoru. kde U = U + R I + U (5.3) ac U je napájecí napětí U ndukované napětí v kotvě; podle (6.1) U = ke.φ. n R ac I a celkový úbytek v obvodu kotvy, tj. včetně úbytku na pomocných pólech. U k úbytek napětí na kartáčích (2 V na všech sadách uhlíkových kartáčů, nebo 0,6 V na měďnograftových). Dosazením za ndukované napětí a zanedbáním malého úbytku na kartáčích po úpravě dostáváme výraz pro otáčky k U RacI a n = (5.4) ke. Φ 20
Ze vztahu (5.3) rovněž plyne (př zanedbání U k ) výraz pro proud motoru I U U R = (5.5) ac Př zapnutí jsou otáčky motoru a tedy ndukované napětí nulové. Po zánku elektromagnetckého přechodového děje, kdy proud se zvyšuje exponencálně, by byl záběrný proud omezen především odporem v obvodu kotvy, který je však velm malý (u malých strojů řádově 1Ω, u středních a velkých strojů 0,1 až 0,001Ω). Za uvedených předpokladů je možno z tohoto výrazu přblžně stanovt záběrný proud U I z = (5.6) R ac Přpojením motoru na jmenovté napětí by došlo k velkému proudovému nárazu (téměř zkratu, kdy I z = 10 až 30 I n ), který má nepříznvý vlv nejen na motor (možnost popálení komutátoru, dynamcké a tepelné účnky proudu, mechancký ráz), ale na ostatní odběratele elektrcké energe (pokles napětí sítě). Proto př spouštění motoru z laboratorního řdtelného zdroje podle obr. 5-1 napětí pozvolně zvyšujeme z nulové hodnoty, př současném sledování příslušného ampérmetru (z jeho počáteční výchylky můžeme rovněž poznat závadu v obvodu). V obvyklém případě, kdy je k dspozc pouze zdroj s pevným napětím, přpojíme motor přes spouštěcí odpor, který v několka stupních vyřazujeme. Spouštěče se tepelně dmenzují jen pro rozběh a podle zátěžného momentu poháněného zařízení je třeba přhlížet k tomu, zda jde o lehký, střední nebo těžký rozběh. Obr. 5-1 Schéma zapojení pro měření cze buzeného motoru Je-l zdroj napětí př spouštění cze buzeného motoru společný pro kotvu buzení, jde vlastně o spouštění motoru s paralelním buzením, pro který platí stejné zásady. 21
Změnu smyslu otáčení (reverzac chodu) u tohoto motoru provedeme př stojícím stroj změnou polarty na budcím vnutí nebo změnou polarty napětí na kotvě. Provedeme-l tyto změny současně, smysl otáčení zůstane zachován. V laboratoř je změna smyslu chodu usnadněna tím, že u řdtelných zdrojů (Leonardových skupn) je možno polartu napětí snadno změnt řízením Př této příležtost prvého spouštění motoru je třeba důrazně upozornt na to, že zastavování motorů provádíme postupem logcky odvozeným ze spouštění. Na kotvě motoru nastavíme řdtelným zdrojem nulové napětí, kotvu vypneme a teprve potom můžeme vypnout budcí obvod. Nedodržení uvedeného postupu má za následek nejen možnost poškození motoru jako bylo uváděno př nesprávném spouštění, ale má stejné nepříznvé účnky na zdroj, který je přes kotvu měřeného stroje př absenc jeho budcího magnetckého toku (u =0) zkratován. 5.1.3 Rychlostní charakterstka Rychlostní charakterstka je závslost otáček na zatěžovacím proudu motoru n=f(i a ) př U = konst. a I b = konst. Charakterstka patří do skupny zatěžovacích charakterstk, kam rovněž zařazujeme charakterstku mechanckou a momentovou. I když tyto jsou z důvodů přehlednost uváděny v samostatných odstavcích, je výhodné je zjstt př současném měření. Jak vyplývá ze vztahu (5.4) jsou změny rychlost se zatížením př stálém napětí na kotvě a za předpokladu stálého magnetckého toku malé a byly by způsobeny úbytkem na odporech v obvodě kotvy. Charakterstka by klesala z bodu otáček naprázdno n 0 podle přímky o malé záporné směrnc ( R ac / k. Φ). Ve skutečnost se velkost změny zmenšuje tím, že působením reakce kotvy (u strojů nekompenzovaných a s kartáč v neutrále) se zeslabuje pole hlavních pólů. Proto je rychlostní charakterstka tvrdá a př slné reakc kotvy mohou otáčky se zatížením dokonce stoupat. Tyto stroje mají sklon k lablnímu chodu špatně paralelně spolupracují. Stablní chod motorů je možný jen tehdy, když průběh zátěžného (brzdného) momentu M určtého poháněného zařízení, znázorněný na obr. 5-3 čárkovaně, má takovou polohu vzhledem k mechancké charakterstce motoru, aby př stoupání otáček od průsečíku obou křvek (pracovního bodu) nabýval větších hodnot než moment hnací. Vlastní měření provádíme v zapojení podle obr. 5-1, shodném s předchozím případem. Rozsahy měřcích přístrojů použtých regulačních odporníků volíme podle štítkových hodnot strojů. Budcí vnutí jsou napájena přes regulační odporníky ze zdroje stejnosměrného napětí 220 V. Hodnota budcího proudu tachodynama byla určena (př použtí stejného ampérmetru) cejchováním podle kap. 4.7. Kotvu měřeného stroje přpojíme na řdtelný zdroj stejnosměrného napětí. Dynamometr př měření motorů pracuje jako brzda a jeho kotva je přpojena bud na zatěžovací odporník (což je nejjednodušší), nebo se nám nabízí možnost rekuperace elektrcké energe (podle kap. 6.1.3 obr. 6-6) neboť dynamometr pracuje v generátorckém chodu. 22
Motor nabudíme na jmenovtou hodnotu I bn a uvedeme do chodu zdroj, na kterém nastavíme nulové napětí. Po přpojení kotvy motor známým způsobem spouštíme až na jmenovté napětí. Tím jsme získal prvý bod charakterstky ( I a = I a 0 ; n nn ). Postupným zmenšováním zatěžovacího odporníku dynamometru (nebo zmenšováním protnapětí) motor zatěžujeme. Před každým čtením je třeba upravt napětí U n na konstantní hodnotu, překontrolovat hodnotu budcích proudů motoru tachodynama a př větších zatíženích proud kotvy dynamometru. Řídcí velčnou měření je proud kotvy motoru, který v našem případě může dosáhnout velkost přblžně 1,1 I n. Měření nad jmenovtým hodnotam provádíme rychle, aby se stroje nepřehřívaly a nesnžovala se tak doba jejch žvota. Jestlže zatěžujeme rekuperací, je třeba věnovat pozornost ukončení měření. Zvýšením napětí zdroje, do kterého z dynamometru rekuperujeme, stroje odlehčíme a teprve nyní obvod stykačem rozepneme (vypínáním pod zátěží dochází k opalování kontaktů). Dalším známým postupem stroje zastavíme (nejdříve nastavíme nulové napětí řdtelného zdroje, který potom vypneme a teprve pak můžeme vypnout budcí obvody). Obr. 5-2 Rychlostní charakterstka cze buzeného motoru Obr. 5-3 Mechancká charakterstka cze buzeného motoru 5.1.4 Mechancká charakterstka Mechancká charakterstka vyjadřuje závslost otáček na zatěžujícím momentu n = f(m) př U n = konst. a I b = konst. Charakterstka má stejný fyzkální význam podobný průběh jako předchozí rychlostní charakterstka. Z praktckých důvodů j s touto charakterstkou měříme současně tak, že v jednotlvých zatěžovacích stupních čteme kromě otáček a proudu moment na dynamometru. Charakterstku odvodíme ze základních vztahů, jestlže proud určený z výrazu pro vntřní moment (5.1) dosadíme do výrazu pro otáčky (5.4). Po úpravě dostáváme závslost otáček na momentu ve tvaru U R ac n =. 2 ke. Φ k. ke. Φ M 23
Př konstantním napětí a za zjednodušujícího předpokladu konstantního magnetckého toku je závslost rovncí přímky o malé záporné směrnc. Je třeba s však uvědomt, že měříme užtečný moment, který se od vntřního lší o malý moment M 0 podle vztahu (5.2). Rovněž jako v předchozím případě zde se může uplatnt odbuzující vlv reakce kotvy a otáčky se zatížením mají tendenc mírně stoupat. Průběh charakterstky je na obr. 5-3, kde je rovněž znázorněn zátěžný moment určtého poháněného stroje a bod stablního chodu, ve kterém by se ustálly otáčky. 5.1.5 Momentová charakterstka Momentová charakterstka vyjadřuje vztah momentu v závslost na zatěžovacím M = f za předpokladu U n = konst. a I b = konst. I a proudu ( ) Obr. 5-4 Momentová charakterstka cze buzeného motoru Obr. 5-5 Regulační charakterstka cze buzeného motoru Jak je patrné z uvedených velčn, lze charakterstku zjstt vyhodnocením momentu a zatěžovacího proudu z předchozí rychlostní a mechancké charakterstky. Průběh charakterstky je zřejmý ze základního vztahu pro vntřní moment (5.1). Za zjednodušujícího předpokladu Φ = konst. dostáváme přímku, která však vzhledem k tomu, že měříme podle (5.2) výstupní moment M = M M 0, neprochází počátkem, ale je o M 0 posunuta směrem dolů (obr. 5-6). Na vodorovné ose charakterstka vytíná úsek odpovídající proudu naprázdno I 0. U nekompenzovaných strojů reakce kotvy zeslabuje pole hlavních pólů, což se u momentové charakterstky projeví př větším zatížení odklonem od přímky. Jestlže rychlostní a mechancká charakterstka nebyla měřena, lze požadovanou závslost změřt podle kap. 5.1.4 s přhlédnutím ke kap.5.l.5. 24
5.1.6 Řídcí charakterstky př stálém proudu Tyto závslost mají obdobu v řídcích charakterstkách př chodu naprázdno. Př zatížení jsou defnovány takto: M = f (n), P = f (n) př I a = konst., I b = konst. a proměnném U M = f (n), P = f (n) př I a = konst., U = konst. a proměnném I b Charakterstky mají úzkou vzájemnou souvslost, měříme je současně a rovněž je vynášíme do stejného grafu (obr. 5-6). Odvození průběhů charakterstk je provedeno ze základních vztahů pro stejnosměrné motory. V prvém případě zvyšujeme otáčky napětím na kotvě, protože v ustáleném stavu musí platt M = M P je moment měřeného stroje dán zátěžným momentem poháněného zařízení. Současně musí platt vztah (5.1) pro vntřní moment M = k.φ. I a a vztah (5.2) M = M M 0. Jestlže uvažujeme konstantní tok Φ = k 1.I b a proud je podle podmínek charakterstky parametrem, potom př zanedbání M 0 bude moment motoru stálý M = k. k 1. I. I konst. b a = Část grafu, kde tato závslost platí, tj. od počátku do základních otáček n z (které odpovídají jmenovtému napětí) nazýváme oblast_řízení_stálého_momentu. Vzhledem k tomu, že podstatná část momentu M 0 jsou ztráty mechancké, které se s otáčkam dost mění (ztráty v ložskách ~ n 1,5, ztráty ventlační ~ n 3 ), není moment na hřídel konstantní, ale poněkud klesá. Průběh výkonu př stejném měření je (př konstantním momentu) dán vztahem 2. π P =. M. n = konstanta. n 60 Jsou-l ztráty ventlační podstatné, může se průběh výkonu na otáčkách od přímky odchylovat. Obr. 5-6 Řídcí charakterstky př stálém proudu 25
Př regulac otáček změnou napětí na kotvě, zůstává (přípustný) proud kotvy a (s určtým omezením) magnetcký tok stálý. Jak jž bylo odvozeno, výkon motoru lneárně stoupá se zvyšující se rychlostí, nebo jnak řečeno, že točvý moment má stálou hodnotu nezávslou na řízení. Motor je tedy v celé oblast dobře elektrcky magnetcky využt. Po dosažení jmenovtého napětí můžeme další zvětšování otáček provádět jen zmenšováním budcího proudu a za podmínky I a = konst., U = konst. se bude moment zmenšovat podle závslost odvozené na základě vztahů (5.1) a (5.4). Jestlže dosadíme magnetcký tok ze vztahu (5.1) do vztahu (5.4) př zanedbání R ac.i a a M 0 po úpravě dostáváme k. U. I M = k. n e konst = n a. Za uvedených podmínek a zjednodušujících předpokladů bude moment se vzrůstajícím otáčkam klesat podle jedné větve rovnoosé hyperboly. Výše provedená zjednodušení představují vlastné zanedbání proměnné účnnost. Proto je čtatel předchozího vztahu úměrný výkonu a jednoduchou úpravou dostáváme ke P =. n. M = konst. k Pásmo vymezené otáčkam n>n z nazýváme oblast_stálého_výkonu. Př řízení otáček odbuzováním se magnetcký tok zmenšuje a magnetcké využtí motoru je tím horší, čím větší rozsah otáček má být dosažen. Jestlže žádáme určený výkon př vysokých otáčkách, musí být motor značně předmenzován. Regulace otáček zeslabením pole se používá tam, kde př vysokých otáčkách je zároveň slně zmenšený moment. V oblast stálého momentu lze nařzovat stablní otáčky měnící se v poměru 1:20 a v oblast stálého výkonu nejvýše 1:3. Celkový regulační rozsah je pak 1:60 a pro tento velký regulační rozsah se dříve používala (Ward) Leonardova skupna. V současné době se př zachování uvedených fyzkálních prncpů provádí regulace nejčastěj řízeným usměrňovač, nebo pulzním měnč. Jak jž bylo uvedeno, charakterstky zjstíme př souběžném měření v zapojení podle obr. 5-1. Nejprve nabudíme měřený motor, dynamometr tachodynamo na jmenovté hodnoty. Jestlže dynamometr zatěžujeme do odporníku, přpneme př stojícím stroj nejmenší zatěžovací odpor. Kotvu měřeného motoru přpojíme na nulové napětí řdtelného zdroje a potom zvyšujeme napětí, až proud dosáhne žádané hodnoty např. 0,5 I an. Jemně lze ovládat zatížení a tedy proud motoru řízením budcího proudu dynamometru. Zatěžovat lze rovněž rekuperací do řdtelného zdroje sousedního laboratorního stolu podle kap. 5.1.4 resp. 6.1.3. Přečtením otáček, napětí a momentu př konstantních hodnotách I a I b jsme získal prvý bod měřených závslostí. Potřebný výkon vypočteme ze známého vztahu P = ( 2π / 60). M. n. Zvětšením zatěžovacího odporu (resp. odbuzením dynamometru) nebo zvýšením protnapětí př rekuperac, motor odlehčíme, čímž poklesne jeho proud. Napětím řdtelného zdroje nastavíme původní zvolenou velkost proudu a takto postupujeme až do jmenovtého napětí. 26
Druhá část charakterstk bezprostředně navazuje na předchozí měření, počátkem jsou poslední změřené body charakterstk předchozích. Po dosažení napětí U n jej, dle podmínek měření, udržujeme dále konstantní, stejně jako zatěžovací proud. Budcí proud motoru mírně snížíme a zvětšením zatěžovacího odporníku (resp. snížením buzení dynamometru nebo zvýšením protnapětí př rekuperac) snížíme proud měřeného motoru na stanovenou hodnotu. (Jestlže např. přpustíme nezměněné U a n, pak př zmenšení budcího proudu motoru o 10 % se zvětší proud kotvy přblžně na 200 %). Př konstantním napětí a proudu kotvy motoru čteme otáčky, budcí proud a moment motoru. Výkon vypočteme jako v předchozím případě. Budcí proud opatrně snžujeme na hranc, které odpovídají přblžně otáčky 1,2 n n. Budcí proud motoru v žádném případě nelze snžovat k nule, protože př nulovém magnetckém toku je U = 0, proud je podle (5.6) omezen jen malým odporem R ac a stroj by se mohl poškodt přejskřením na komutátoru, nebo př uvažování remanentního toku zvýšeným otáčkam, neboť jmenovatel výrazu (5.4) k. 0. e Φ r Z naměřených a vypočtených hodnot vyneseme charakterstky podle obr.5-6. 6. Měření dynam Po konstrukční stránce se stejnosměrná dynama od motorů nelší (nehledíme-l na stroje k zvláštním účelům). Každý stejnosměrný motor může pracovat jako dynamo a naopak. Některé charakterstky stejnosměrných motorů, např. charakterstku naprázdno je lépe měřt v generátorckém chodu. 6.1 Dynamo s czím buzením Obr. 6-1 Schéma zapojení pro měření dynama s czím buzením 27