Silnik wykonawczy prądu stałego
13
ĆWICZENIE 2 – SILNIK WYKONAWCZY PRĄDU STAŁEGO
Wprowadzenie
Silnik wykonawczy prądu stałego zasilany od strony twornika, ze wzbudzeniem od
magnesów trwałych, jest jednym z najbardziej popularnych przetworników
elektromechanicznych w układach automatyki i w układach napędowych małej mocy.
Silniki elektryczne o trzech zębach wirnika (Z = 3) są budowane jako maszyny
prądu stałego z komutatorem mechanicznym o trzech działkach (K = 3) bądź z
komutatorem elektronicznym. W zakresie małych mocy maszyny te są zwykle
wzbudzane magnesami trwałymi ferrytowymi. Silniczek prądu stałego z komutatorem
mechanicznym o mocy do około 2 W jest tani w produkcji i bardzo ekonomiczny w
eksploatacji (rys. 2.1). Jego głównymi zaletami są mała masa i wysoka sprawność
(ok. 50%), co predysponuje go do wszelkiego rodzaju napędów bateryjnych. Mała
liczba zębów i działek komutatora powoduje pulsacje napięcia rotacji.
Napięcie rotacji e zawiera składową stałą E
0
i składową zmienną e
~
.
0
~
E
e
e
−
=
(2.1)
W konsekwencji wszystkie parametry pracy silnika zawierają składowe stałe i
składowe zmienne
+
=
+
=
.
,
+
=
~
,
~
,
0
0
0
0
M
M
M
i
+
I
=
i
e
E
e
m
m
m
ω
ω
ω
~
~
(2.2)
Pulsacje występują w momencie elektromagnetycznym, a takŜe w prądzie silnika,
co z kolei powoduje pulsacje prędkości obrotowej.
Pulsacje te, a takŜe parametry elektromechaniczne silnika zaleŜą od:
−
rozkładu pola magnetycznego w szczelinie silnika,
−
dokładności montaŜu poszczególnych podzespołów silnika.
Silnik wykonawczy prądu stałego
14
Silniki prądu stałego charakteryzują się stosunkowo małą trwałością, którą
determinuje trwałość zestyku ślizgowego szczotek z komutatorem. Zestyk ślizgowy
szczotek z komutatorem powiększa rezystancję silnika R o tzw. rezystancję dynamicz-
ną, na którą mają wpływ drgania szczotek, gładkość powierzchni komutatora i jej zab-
rudzenie, temperatura, wilgotność i prędkość obrotowa. Rezystancja dynamiczna wpły-
wa na stabilność parametrów pracy silnika. W szczególności jest źródłem stochas-
tycznych zmian prędkości obrotowej.
Komutator mechaniczny oprócz niskiej trwałości jest źródłem zakłóceń elektro-
magnetycznych. Natomiast zaletą komutatora mechanicznego jest jego niski koszt w
porównaniu z kosztem innych ekwiwalentnych rozwiązań.
Uzwojenie silnika moŜe być połączone w trójkąt lub gwiazdę.
Silniki z uzwojeniem połączonym w gwiazdę mają większą sprawność. W prakty-
ce częściej jest stosowany układ połączenia uzwojenia w trójkąt. Wynika to stąd, Ŝe
uzwojenie połączone w trójkąt ma właściwości tłumiące wszelkiego rodzaju przepię-
cia, które generuje np. niestabilny styk ślizgowy szczotek z komutatorem. Wpływa to
korzystnie na pracę szczotek i kompatybilność elektromagnetyczną, tzn. zmniejsza
zakłócenia radioelektryczne.
4
5
6
1
2
3
4
1,2
1,2
27,5
12,5
φ
3
3
Rys. 2.1. Budowa silnika o trzech działkach komutatora na przykładzie silnika typu PRM33;
P
N
= 0,5 W; U
N
= 4 V; n
N
= 2000 obr/min: 1
−
obudowa, 2
−
magnes trwały, 3
−
Ŝelazo wir-
nika, 4 – uzwojenie połączone w trójkąt, 5
−
komutator, 6
−
elementy przeciwzakłóceniowe
Silnik wykonawczy prądu stałego
15
A1
A2
N
S
i
U
-
+
i
A
A
B
C
o
ś
dz
ia
łk
i "
A
"
ko
m
ut
at
or
a
o
ś
N
-S
w
zb
u
d
ze
n
ia
o
ś s
zc
zo
te
k
A
1
-
A
2
o
ś s
ek
cji
"
A
"
uz
w
oj
e
ń
β
0
ω
ω
ϑ
ϑ
0
Rys. 2.2. Schemat elektryczny silnika z zaznaczonymi charakterystycznymi osiami i uzwojeniem
połączonym w gwiazdę. Przesunięcia kątowe zgodne ze strzałkami uwaŜane są za dodatnie
Charakterystyka mechaniczna silnika jest charakterystyką typu bocznikowego
(rys. 2.3).
Silnik wykonawczy prądu stałego
16
M
0
M
M
N
z
mN
m0
m
Rys. 2.3. Charakterystyka mechaniczna mikrosilnika prądu stałego wzbudzanego magnesami trwałymi
przy U = const; M
z
– moment zwarcia,
ω
m0
– prędkość kątowa biegu jałowego
Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko laboratoryjne składa się z dwóch identycznych silników sprzęgniętych
razem za pomocą rurki elastycznej, zainstalowanych w rozbieralnej obudowie. Końce
uzwojeń tworników są wyprowadzone. Po rozprzęgnięciu silników, na wale jednego z
nich moŜna zamocować kółko pasowe.
Silnikiem badanym w ćwiczeniu jest silnik wykonawczy prądu stałego typu AS-4
o danych znamionowych:
U
N
= 17 V; P
N
= 1,2W; M
N
= 19,6·10
-4
N·m (20 G·cm); n
N
= 6000 obr/min +15%-10%
(przy M
N
);
obr/min
6400
0
≥
n
;
A
07
,
0
0
≤
I
;
A
25
,
0
N
≤
I
.
Program ćwiczenia
a) Oględziny
Silnik naleŜy rozmontować i obejrzeć stojan z magnesem trwałym, wirnik z
komutatorem oraz tarczę łoŜyskową ze szczotkami.
b) Wyznaczenie zaleŜności momentu elektromagnetycznego silnika od prądu twornika
M
em
= f(I) przy
ω
m
= 0
Moment elektromagnetyczny silnika wykonawczego opisuje zaleŜność
.
em
I
c
M
Φ
=
Silnik wykonawczy prądu stałego
17
PoniewaŜ strumień wzbudzenia
Φ
jest stały (pochodzi od magnesów trwałych),
więc moment elektromagnetyczny M
em
zaleŜy tylko od prądu I płynącego w
uzwojeniach wirnika.
Silniki naleŜy rozprzęgnąć i na wale jednego z nich zamontować kółko pasowe.
Pomiary wykonuje się przy zatrzymanym wirniku (
ω
m
= 0), przymocowując do
kółka pasowego dynamometr. Zmieniając napięcie zasilania silnika określa się
zaleŜność między prądem twornika I a siłą F działającą na dynamometr. Iloczyn
wartości siły i długości ramienia, na które ta siła działa, daje wartość momentu
elektromagnetycznego silnika.
c) Wyznaczenie rodziny charakterystyk zewnętrznych n = f(I), n = f(M
em
)
Pomiary wykonuje się w obwodzie pokazanym na rys. 2.4. Silniki muszą być
sprzęgnięte.
U
R
b
obc
R
n
A
V
M
Osc
A
M
Rys. 2.4. Schemat ideowy obwodu do wyznaczania charakterystyk mechanicznych silnika
Silnik badany zasila się napięciem o stałej wartości z zasilacza prądu stałego.
ObciąŜenie silnika zmienia się poprzez zmianę rezystancji włączonej w obwód
twornika silnika drugiego, który pracuje jako prądnica. Prędkość silnika moŜna badać
stroboskopem lub teŜ mierząc (na oscyloskopie) częstotliwość komutowania prądu
maszyny zasilanej. Pomiary powtarza się dla kilku róŜnych wartości napięcia zasilania.
Porównując ze sobą otrzymaną charakterystykę n = f(I) i poprzednio zmierzoną
charakterystykę M
em
= f(I) otrzymuje się charakterystykę mechaniczną silnika
M
em
= f(n).
d) Wyznaczenie elektromagnetycznej stałej czasowej silnika
Silnik wykonawczy prądu stałego
18
Po załączeniu stałego napięcia na nieruchomy i nieobciąŜony silnik przebieg
czasowy prądu twornika moŜna w uproszczeniu przedstawić zaleŜnością
jednowykładniczą
)
1
(
)
(
0
T
t
e
I
t
i
−
−
=
,
gdzie:
I
0
– średnia wartość prądu twornika w ustalonym stanie pracy,
T – elektromagnetyczna stała czasowa, zaleŜna od parametrów R, L obwodu
twornika.
Wartość
elektromagnetycznej
stałej
czasowej
determinuje
właściwości
dynamiczne silnika.
Stałą czasową naleŜy wyznaczyć przy rozprzęgniętych silnikach. Wirnik maszyny
badanej powinien być zahamowany. NaleŜy załączyć stałe napięcie i zarejestrować
przebieg prądu twornika (rys. 2.5).
NaleŜy równieŜ zmierzyć metodą techniczną rezystancję bocznika R
b
.
Rezystancję uzwojenia twornika silnika R naleŜy zmierzyć metodą techniczną,
zasilając nieruchomy silnik takim napięciem, aby prąd nie przekroczył 10% wartości
znamionowej. Napięcie pomiarowe naleŜy przyłoŜyć bezpośrednio do dwóch
sąsiednich działek komutatora.
Osc
M
n
b
R
U
t=0
Rys. 2.5. Schemat ideowy układu do wyznaczania elektromagnetycznej stałej czasowej silnika
Silnik wykonawczy prądu stałego
19
i(t)
t
T
I
0
0
I
i
0
0,632
Rys. 2.6. Wyznaczanie elektromagnetycznej stałej czasowej
T na podstawie przebiegu prądu i(t)