Ćwiczenie EA11. Bezszczotkowy silnik prądu stałego

Transkrypt

1 Ćwiczenie EA11 Bezszczotkowy silnik prądu stałego Program ćwiczenia: 1. Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej (sterowania) silnika n = n(u AC ), w stanie biegu jałowego silnika 2. Wyznaczenie charakterystyk zewnętrznych napędu n = n(i DC ) dla U DC = 36V i U DC = 50V 3. Rejestracja przebiegów czasowych siły elektromotorycznej i prądu fazowego silnika, w stanie biegu jałowego i w stanie obciążenia 4. Rejestracja odpowiedzi pierwszego układu regulacji (napięcia) na: a) skok prędkości zadanej b) skoki momentu obciążenia 5. Rejestracja odpowiedzi drugiego układu regulacji (prędkości) na: c) skok prędkości zadanej d) skoki momentu obciążenia Dane znamionowe silnika: Typ: ME0907 (prod. Motenergy Inc., USA) P N = 4470 W, U DC = 48 V, I DC = 97.7 A, n N = 3360 obr/min, T N = 12.7 Nm, masa 10 kg Literatura: K. Krykowski "Silniki PM BLDC. Właściwości, sterowanie, aplikacje", Wydawnictwo BTC, Legionowo J.Rusek "Elektrotechnika z elementami napędów", Wydawnictwa AGH 1993 R.Sochocki "Mikromaszyny elektryczne", Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej strony producenta badanego silnika - strony chińskiego producenta silników i napędów DC brushless i AC brushless, głównie o przeznaczeniu elektromobilnym 1

2 1. Cel i przedmiot ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie Studentów z własnościami ruchowymi bezszczotkowego silnika prądu stałego i całego napędu elektrycznego z takim silnikiem. Badany w ćwiczeniu silnik jest silnikiem elektrycznym z magnesami trwałymi, o magnesowaniu osiowym (tzw. silnik tarczowy), 8-biegunowym, trójfazowym, skojarzonym w gwiazdę. Jest to maszyna z pojedynczym stojanem i wirnikiem, rdzeniowa, z blachowanym twornikiem (stojanem). Zdjęcia i schematy silnika przedstawiają rysunki 1 7. Rys. 1. Badany silnik DC brushless Rys. 2. Rysunek uzwojenia stojana poszczególne kolory cewek oznaczają poszczególne fazy 2

3 Rys. 3. Uzwojony stojan silnika widoczne wyprowadzenia początków faz Rys biegunowy wirnik silnika dyskusyjny sposób montażu magnesów 3

4 Rys. 5. Schemat rozwinięty uzwojenia jednej fazy silnika (dane i rysunek producenta) Rys. 6. Sposób podłączenia 3 czujników położenia wirnika i przebiegi czasowe ich napięć wyjściowych, na tle przebiegów fazowych SEM silnika (dane i rysunek producenta) 4

5 Rys. 7. Charakterystyki ruchowe silnika (dane i rysunek producenta) Układ sterowania napięciem lub prędkością silnika jest przedstawiony na rysunku 8. Przy górnym położeniu dwóch, pierwszych od lewej, przełączników (R1 i R2 na rys. 8), układ sterowania składa się tylko z zadajnika wartości napięć fazowych silnika, ustawiającego je na fazach silnika za pomocą układu modulacji PWM (układ RU). Regulator prądu jest nieczynny, istnieje tylko ograniczenie maksymalnej wartości prądów silnika. Wielkością zadaną jest napięcie (U *, w sensie zadanej wartości szczytowej napięć fazowych silnika). Od tego napięcia liniowo zależy prędkość obrotowa silnika, jednakże przy takim sterowaniu, prędkość silnika będzie spadała ze wzrostem obciążenia, z uwagi na brak sprzężenia zwrotnego od prędkości. Napęd narażony jest także na udary prądów fazowych silnika (a co za tym idzie rozwijanego momentu napędowego), z uwagi na brak regulatora prądu. Przy dolnym położeniu przełączników R1 i R2, układ sterowania składa się z nadrzędnego regulatora PI prędkości (Rω na rys. 8, ω * oznacza prędkość referencyjną, ω prędkość mierzoną) i podrzędnego regulatora PI prądu (RI). Sygnały zwrotne z regulowanego napędu sygnał prędkości i sygnał wyprostowanych prądów fazowych silnika pochodzą, odpowiednio, z czujników halotronowych (hu, hv, hw sygnały częstotliwościowe są przetwarzane na proporcjonalne napięcie: 1V 1000obr/min) i z prądowych przekładników halotronowych Iu, Iv, Iw, prostowane przez prostownik precyzyjny). Z uwagi na sprzężenie zwrotne od prędkości, prędkość silnika nie będzie spadała ze wzrostem obciążenia, a z uwagi na sprzężenie zwrotne od prądu, napęd nie jest narażony na udary prądów. Przełączniki R1 i R2 wolno przełączać tylko przy zatrzymanym napędzie (przełącznikiem PRACA). W TRAKCIE REALIZACJI ĆWICZENIA NALEŻY ZACHOWAĆ SZCZEGÓLNĄ OSTROŻNOŚĆ Z POWODU DUŻYCH PRĄDÓW BADANEGO NAPĘDU DO 50 A. 5

6 Stycznik Zasilanie obw. T1 T3 T5 U V W SILNI K T2 T4 T6 Zasilanie sterowan ia Sterowanie T1 - T6 Iu hu Układ kontrolno-zabezpieczający Iv hv PRACA Iw hw R1 R2 Pot1 * U* R RU [I]* [I]* ma RI Układ logiczn imp / U [I] Iu,Iv,Iw,[I] 1V=10A 1V=1000obr/min Rys. 8. Schemat ideowy układu sterowania napędu elektrycznego z silnikiem DC brushless 6

7 Rys. 9. Schemat ideowy obwodów mocy stanowiska ćwiczenia EA11 7

8 2. Wykonanie ćwiczenia Zasilanie stanowiska ćwiczeniowego załącza się w szafie sterowniczej B8, przyciskiem P1 (380/220 V AC ). Następnie należy załączyć regulator napięcia koło szafy A1, dużym, czarnym, charakterystycznym łącznikiem na szafie A1, opisanym jako Zasilanie regulatora. Napięcie z regulatora na stanowisko ćwiczeniowe podaje się trójfazowym odłącznikiem na zewnętrznym ogrodzeniu regulatora, opisanym jako Łącznik PD4/PD6. Następnie trzeba załączyć listwę gniazd jednofazowych na stanowisku ćwiczenia EA10 (na przeciwko szaf A1 i B8) i listwę gniazd jednofazowych na stanowisku ćwiczenia EA11 (właściwie na sąsiednim stanowisku). Napięcie z regulatora sterowane jest przenośnym zestawem 2 przycisków sterujących: góra i dół, podnoszących i obniżających napięcie z regulatora. Przed podaniem tego napięcia na sterownik mocy badanego napędu, należy to napięcie obniżyć do minimum (ok. 33 V sk, mierzone woltomierzem V 1 rysunek 9). Napięcie z regulatora na sterownik mocy napędu podaje się łącznikiem W1 na stanowisku ćwiczenia. Napęd uruchamia się i zatrzymuje przełącznikiem PRACA na panelu czołowym sterownika silnika. Przy uruchomionym napędzie nie wolno przełączać przełączników R1 i R2. Trzeba je ustawić wcześniej, początkowo oba w położeniu górnym (regulacja napięcia zasilającego fazy silnika, przez modulację PWM tranzystorami mostka komutacyjnego). Należy też załączyć komputer PC do rejestracji przebiegów. Rejestruje się, w kolejności kanałów pomiarowych, jedno napięcie przewodowe i prąd jednej fazy silnika, napięcie przewodowe i prąd jednej fazy generatora obciążającego silnik, prędkość obrotową oraz wyprostowany prąd wszystkich 3 faz silnika. Do rejestracji wykorzystuje się pakiet REGIS, przy częstotliwości próbkowania ok. 16kHz/kanał. Wzmocnienia kanałów należy dostosowywać w trakcie ćwiczenia do rejestrowanych wartości. Skalowanie przebiegów wg opisu przekładników i torów pomiarowych na stanowisku ćwiczeniowym. Maksymalna dopuszczalna wartość napięcia stałego podczas pomiarów to 70 V DC (pomiar woltomierzem V 2 ). Podczas pomiarów nie wolno przekraczać prędkości 4000 obr/min i prądu silnika 50 A, mierzonego amperomierzem A 3. Ad. 1 Pomiary należy wykonać przy sterowaniu napięciem silnika (przełączniki R1 i R2 w położeniu górnym, ustawione przy wyłączonym napędzie), zmieniając wartość napięcia zadanego U * (potencjometrem Pot1 na panelu sterującym), przy stałej wartości napięcia stałego zasilające komutator elektroniczny silnika, wynoszącej V (pomiar woltomierzem V 2 ). Wartości tej trzeba pilnować w trakcie pomiarów, ew. doregulowywując napięciem V 1 z regulatora napięcia. Zmiana wartości napięcia zadanego U * powoduje zmianę wartości współczynnika wypełnienia modulacji PWM napięć fazowych silnika, a w ten sposób zmianę ich wartości skutecznej i proporcjonalną zmianę prędkości silnika. Wartość skuteczną tych napięć mierzy się jako wartość przewodową, woltomierzem V 3. Oprócz tego napięcia i prędkości należy dodatkowo mierzyć wyprostowany prąd faz silnika, amperomierzem A 3. Pomiary wykonuje się w zakresie prędkości obr/min, ze skokiem zmian prędkości ok. 400 obr/min. Ad. 2 Pomiary należy wykonać również przy sterowaniu napięcia silnika (przełączniki R1 i R2 w położeniu górnym), ustawiając maksymalną możliwą wartość napięcia zadanego U *, co skutkuje brakiem modulacji PWM. Napięcie stałe, zasilające komutator elektroniczny, należy utrzymywać na stałym poziomie (V 2 = 36-40V oraz V 2 = 50-55V), przez regulację wartości skutecznej napięcia z regulatora napięcia V 1. Prąd pobierany przez silnik zmienia się przez zmianę obciążenia silnika. Obciążeniem tym jest druga, taka sama maszyna, pracująca generatorowo, 8

9 obciążona regulowaną rezystancją, podłączaną do twornika generatora przez mostek prostownikowy, za pomocą łącznika W2 (rys. 9). Rezystancja ta początkowo powinna być ustawiona na swą wartość maksymalną. Zmiany wartości rezystancji oznaczają zmianę obciążenia prądowego generatora, a w ten sposób zmianę momentu obciążenia badanego silnika. W konsekwencji zmienia się mierzony prąd A 3. Przy braku modulacji PWM prąd ten jest tożsamy z prądem obwodu prądu stałego przekształtnika zasilającego silnik. Drugą wielkością mierzoną w tym punkcie ćwiczenia jest prędkość silnika. Podczas pomiarów nie wolno przekraczać wartości prądu A 3 = 50 A. Wartość wyprostowanego prądu generatora A 4 nie powinna przekraczać 80 A. Prąd silnika A 3 należy zmieniać ze skokiem ok. 7 A, do 50 A. Ad. 3. Rejestracje wykonuje się w układzie sterowania napięciami fazowymi silnika, w stanie ustalonym napędu, dla silnika nieobciążonego (otwarty obwód rezystora obciążającego generator, łącznikiem W2) i także obciążonego, przy prądzie A 3 wynoszącym ok. 40 A. Należy ustawić maksymalną możliwą wartość napięcia zadanego U *, co skutkuje brakiem modulacji PWM. Ponieważ są to stany ustalone, więc wystarczy zarejestrować kilka okresów przebiegów prądów i napięć silnika. Ad. 4, 5 Rejestruje się przebiegi dla obu układów sterowania, przy napięciu stałym V 2 = V. Drugi układ sterowania (prędkością) aktywuje się przez przełączenie obu przełączników R1 i R2 w położenie dolne (przy wyłączonym napędzie). Odpowiedź napędu na skok prędkości zadanej to rozruch nieobciążonego napędu, wyzwalany przełącznikiem PRACA. Prędkość zadana powinna wynosić ok obr/min. Odpowiedź na skok momentu obciążenia w górę/w dół uzyskuje się przez dołączenie/odłączenie rezystancji obciążenia do/od generatora, łącznikiem W2, w sytuacji ustalonej pracy napędu z prędkością ok obr/min. Rezystancja obciążenia generatora powinna być tak dobrana, aby prąd ustalony obciążonego silnika wynosił A 3 = 40 A. Po wykonaniu ćwiczenia należy wyłączyć całe stanowisko, w kolejności odwrotnej do załączania, zaczynając od wyłączenia badanego napędu. Szczególnie ważne jest obniżenie napięcia z regulatora napięcia do minimum (ok. 33 V sk ) kontrola na woltomierzu V Zawartość sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Dane znamionowe badanego silnika. 2. Schemat układu ćwiczeniowego i schemat sterownika silnika. 3. Krótki opis działania obu układów sterowania silnika. 4. Zmierzone charakterystyki, w postaci tabelarycznej i w postaci rysunków. Obie charakterystyki zewnętrzne n = n(i DC ) należy umieścić na jednym rysunku. 5. Zarejestrowane przebiegi ustalone prądów i napięć silnika i generatora obciążającego. Ponieważ są to rejestracje dla stanu ustalonego, wystarczy zamieścić 1-2 okresy tych przebiegów. 6. Zarejestrowane przebiegi silnika w stanach dynamicznych rozruch i obciążenie/odciążenie skokowe, dla obu układów sterowania. 7. Wnioski dotyczące: a) własności ruchowych statycznych i dynamicznych napędu elektrycznego z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego, b) poprawności i porównania działania obu układów sterowania. 9