Опис лабораторної устави

ДОСЛІДЖЕННЯ

ВЕНТИЛЬНИХ МІКРОДВИГУНІВ

Методичні вказівки

до лабораторної роботи з предмету

«Електричні машини систем автоматики»

для студентів базового напрямку 6.0922

«Електромеханіка»

Затверджено на засіданні

кафедри «Електричні машини та апарати»

Протокол № від р.

Державний університет «Львівська політехніка», 2000

Методичні вказівки до лабораторної роботи “Дослідження вентильних мікродвигунів” з предмету “Електричні машини систем автоматики” для студентів базового напрямку 6.0922 «Електромеханіка»/ І. І. Андрейко, І. Є. Біляковський, М. В. Бурштинський. - Львів, ДУЛП, 2000, 12 с.

Автори:

І. І. Андрейко, к.т.н., доц.

І. Є. Біляковський, к.т.н., доц.

М. В. Бурштинський, ст. викл.

Відповідальний за випуск:

І. Є. Біляковський, к.т.н., доц.

Рецензент:

В. І. Ткачук

Ó Державний університет «Львівська політехніка», 2000

Мета роботи - ознайомитися з будовою, схемами з'єднань обмоток та вентильних комутаторів різних типів вентильних двигунів (ВеД), з фізичними явищами, які протікають в них та визначають їх електромеханічні характеристики; засвоїти основні підходи до аналізу ВеД і розрахунку їх основних характеристик та оволодіти методиками експериментального їх дослідження.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

ВеД - це позиційно керований електродвигун, обвитки якого, звичайно двосекційні або трисекційні, живляться від джерела сталої частоти - w_д з кількістю фаз m_д через керований вентильний комутатор (КВК), комутаційна функція p_k якого формується при обертанні ротора його давачами положення (ДПР) (рис.1).

Застосовується ВеД у керованих електроприводах, де забезпечує незалежну зміну частоти обертання виконавчого вала w_R при сталій частоті мережі живлення w_д.

u_gr w_gr m_gr

Рис. 1. Структурна схема ВеД

Висока надійність та добрі регулювальні й енергетичні показники та малі габарити керованих електроприводів з ВеД сприяли за останні десятиліття широкому їх використанню як для малих потужностей, так і для великих.

Щоб глибше з'ясувати суть фізичних явищ у ВеД, які визначають його робочі характеристики, розглянемо найпростішу схему неявнополюсного ВеД з однією керованою вентильним комутатором обвиткою на статорі та з однією обвиткою ротора (рис.2).

Рис. 2. Схема з’єднання ВеД з односекційними обвитками статора і ротора

i_gr

Нехай миттєві значення струмів джерел живлення обмоток статора і ротора змінюються за гармонічними законами таким чином

(1)

де I_дSm, I_дRm – максимальне значення струмів джерел; w_дS, w_дR - їх колові частоти та j_дS, j_дR - їх початкові фази.

Якщо w_дS=w_дR=0 маємо ВеД постійного струму. У випадку, коли w_дS¹w_дR¹0 маємо тоді ВеД змінного струму двобічного живлення. Якщо ж w_дR=0, а w_дS¹0, або навпаки, -w_дR¹0 та w_дS=0, ВеД є тоді машиною двобічного живлення постійно-змінним струмом.

Частоту обертання ротора машини визначають за просторовою координатою g_m (рис. 2).

(2)

де - оператор диференціювання за часом t; p - кількість пар полюсів машини; g - просторовий кут повертання осі обвитки ротора d відносно осі обвитки статора D в електричних радіанах.

Частоту обертання w_p симетричних складових намагнічувальних сил (НС) ротора відносно обвитки осі ротора d обчислюють

. (3)

Відносна частота обертання симетричних складових НС ротора відносно осі D статора тоді може бути записана у вигляді

(4)

Просторова вісь К на рис. 2, – це лінія, в точках К’-К” якої здійснюється комутація вентилів КВК та струму i_S обвитки статора за сигналами від ДПР у відповідності з комутаційною функцією p_k(t). Частоту зміни цієї функції w_k можна обчислити за просторовою координатою e в координатній системі статора

(5)

Частота w_k може бути постійною - тоді КВК називають синхронним, або змінною - тоді КВК називають асинхронним.

Для двополюсного ВеД постійного струму вентилі КВК змінюють напрям струму в обмотці статора кожного пів оберта ротора з таким розрахунком, щоби миттєве значення його електромагнітного моменту

(6)

або середнє його значення за оберт було максимальним. У цьому випадку струм в обмотці статора i_S змінюється за графіком рис. 3а, а його значення може бути обчислене за виразом

(7)

а) де

Рис. 3. Залежність струму статора i_S(t) після КВК та залежність комутаційної функції p_k(t) КВК

б) Якщо ж частота зміни струмів джерела живлення статора , а в момент комутації змі­нюється тільки фаза цього струму (рис. 3б), то зв'язок між вхідним і вихідним струмом КВК теж має вигляд (7).

Якщо комутаційну функцію КВК розкласти в ряд Фур'є, то отримаємо з урахуванням (1), (7) основну гармоніку струму (НС) обвитки статора

(8)

де - амплітуда основної гармоніки комутаційної функції КВК.

Щоби у ВеД утворився електромагнітний момент від взаємодії потоку ротора, утвореного його НС F_R з частотою обертання , та струму статора i_S з частотою необхідно, щоби ці частоти при однаковій кількості полюсів були однакові, тобто, щоби задовільнялося співвідношення

(9)

Це рівняння (9) можна підтвердити, виходячи з визначення електромагнітного моменту ВеД як похідної за координатою g_M від магнітної енергії його поля W_М

. (10)

Якщо врахувати, що для неявнополюсної машини власні індуктивності L_S статора та L_R ротора є сталими (нехтуємо реактивними моментами), а змінюється при обертанні ротора тільки взаємна індуктивність

(11)

то, враховуючи (1), (10), (11) для електромагнітного моменту отримаємо

(12)

Щоби середнє значення моменту M за період для усталеного режиму роботи двигуна при , яке обчислюють як

(13)

було максимальним, необхідно, щоб аргумент гармонічної функції (13) прямував до нуля або при

(14)

Із (9) та (14) можна зробити висновок, що при заданих частотах джерел живлення обмоток статора і ротора для однонаправленого електромеханічного перетворення енергії у ВеД необхідно забезпечити відповідне співвідношення між частотами w_k та w_R.

ВеД з односекційними обвитками практично не використовується, бо коли вісь ротора збігається з віссю D обвитки статора (рис. 2), електромагнітний момент машини, як видно з (6) та (12), зменшується до нуля. Тут має місце “мертве положення ротора”, з якого машина може вийти при заданому моменті навантаження М_н тільки за рахунок моменту махових мас – , де J_p- момент інерції рухомої частини приводу. Щоб уникнути “мертвих положень ротора”, ВеД проектують двох, трьох, чотирьох або багатосекційними. Чим більша кількість секцій обвитки якоря, тим менші пульсації моменту та менша нерівномірність ходу виконавчого вала. Але тоді зростає кількість вентилів КВК, кількість чутливих елементів ДПР, ускладнюється схема та зростає вартість двигуна. Суттєвим в цьому сенсі є й алгоритм комутації вентилів. Він також визначає крок дискретної зміни положення осі потоку якоря Ф_а, що в свою чергу відповідно вимагає більш чи менш складної системи керування.

Для малопотужних силових керованих електроприводів загального промислового призначення, для побутової та спеціальної техніки, а також для виконавчих приводів систем автоматики та інформатики найчастіше використовують ВеД постійного струму з магнітоелектричним збудженням. Силова схема такого ВеД з трисекційною обвиткою статора та ДПР – А’6, С”1, В’2, А”3, С’4, В”5 наведені на рис. 4. Там же показані часові діаграми гіпотетичних струмів секцій статора такої машини.

Рис 4. Схема трисекційного ВеД з магні тоелектричним збудженням та з двополярною напругою живлення

На рис. 5 показані табиця з алгоритмом комутації вентилів КВК при двополярному його керуванні, які часто застосовують на практиці, та просторові положення результуючого потоку статора - якоря Ф_а за тактами комутації вентилів. Транзистори КВК пронумеровані за черговістю їх вмикання, яка згідно з тактами, записується 1,2 - 2,3 - 3,4 - 4,5 - 5,6 - 6,1... Аналогічно пронумеровані чутливі елементи ДПР, магнітна система яких насичується обертовим постійним магнітом ПМ ДПР (рис.4).

Такти
Положення потоку Фа	ß	å	æ	à	ä	ã	ß
Струми секцій	iA		+1	+1		-1	-1
iB	-1	-1		+1	+1		-1
iC	+1		-1	-1		+1	+1
Комутація вентлів	А		Т3	Т3		Т6	Т6
B	Т2	Т2		Т5	Т5		Т2
C	Т1		Т4	Т4		Т1	Т1

Рис. 5. Алгоритм комутації вентилів КВК

Схема КВК трисекційного ВеД наведена на рис. 4 забезпечує подачу до секцій (фаз) машини двополярної напруги (струму), що за фізичними явищами уподібнює її до класичних синхронних машин чи машин постійного струму.

Але часто такий ВеД малої потужності використовується з спрощеним КВК з однополярною напругою живлення фаз, які теж при відповідній комутації вентилів КВК утворюють в машині обертовий магнітний потік якоря Ф_а. Така схема ВеД типу БДС 0,2 показана на рис. 6. На цьому рисунку теж показані нерухомі та рухомі елементи ДПР, а також часові діаграми струмів секцій i₁, i₂, i₃.

Рис. 6. Схема трисекційного ВеД малої потужності магніто елек­тричного збудження з одно­полярним керуванням

Конструкція малопотужного трисекційного ВеД магнітоелектричного збудження типу БДС-0,2 наведена на рис. 7.

Рис. 7. Конструкція малопотужного трисекційного ВеД магнітоелектричного збудження типу БДС-0,2

На цьому рисунку, крім самого ВеД, показана конструкція ДПР трансформаторного типу, магнітопровід яких насичується за допомогою обертового аксіально-намагніченого ПМ. Якщо магнітопровід трансформатора ДПР насичений, його вихідна напруга мінімальна і, відповідно, вентиль, який ним керується, не працює. Підбираючи величину дуги ПМ ДПР b_дпм= 240⁰, можемо у ВеД мати циклічно почергове вмикання секцій(фаз) якоря АВС без їх перекриття. При дещо вужчому полюсному наконечнику ПМ можливе циклічне почергове вмикання секцій (фаз) обвитки якоря, але з їх перекриттям, тобто А-АВ-В-ВС-С-СА-А... В першому випадку скачки обертового потоку якоря дорівнює 120⁰, у другому - 60⁰; але в першому випадку маємо симетричне керування КВК, а результуючий магнітний потік двигуна - коловий, а в другому випадку - керування несиметричне, а результуючий магнітний потік – не коловий.

Що стосується методу аналізу ВеД, то якщо вони застосовуються з КВК двополярного керування вихідною напругою (струмом) та з обертовим двополярним магнітним потоком, то вони, як випливає з вище викладеного, є за фізичними явищами, якщо нехтувати комутаційними процесами, частотнокерованими синхронними двигунами з самосинхронізацією і їх тому слід аналізувати як синхронні машини. Приймаючи до уваги тільки першу гармоніку напруги (струму) якоря та вважаючи, що X_d»X_q»X_C з урахуванням активного опору секції R_1, з векторної діаграми (рис. 8) знаходимо величину поперечної складової струму якоря

.

Рис. 8 Векторна діаграма СД

ЕРС неробочого режиму машини обчисляють як

За цими величинами, якщо ввести відношення можна обчислити електромагнітний момент машини

.

Величина пускового моменту

є максимальною при q ® 0.

Якщо вважати, що Ðq невеликий, то наближено

Якщо за базові одиниці прийняти для моменту М_еп та частоту неробочого режиму , то електромагнітний момент ВеД, як СД у відносних одиницях записують, прийнявши x²®0,

,

де

Як показує остаточний вираз для механічної характеристики ВеД при прийнятих допущеннях, вона є подібна до механічної характеристики ДПС з незалежним збудженням (рис. 9)

Часто, маючи КВК для регулювання частоти w_R, використовують широтно-імпульсне регулювання напруги або струму, середнє значення яких є U_аср.1, I_аср.1 (рис. 10), тоді механічна характеристика ВеД при щілинності переміщається до положення прямої 4 рис. 9.

Рис. 9. Механічні характеристики ВеД

Якщо ВеД постійного струму використовується за схемою рис. 6 при однополярній напрузі керування з циклічною почерговістю вмикання секцій та з уніполярним обертовим магнітним потоком, його фізичні явища можуть бути описані як квазіусталений режим машини постійного струму з незалежним збудженням, при сталому потоці індуктора Ф_і, майже сталій частоті обертання ротора w_R та циклічному вмиканні секцій обвитки якоря.

Рис. 10. Часова діаграма напруги та струму.

Якщо знехтувати тривалістю комутаційного процесу вмикання-вимикання секцій, то електромагнітний перехідний процес машини при описують рівнянням

,

звідки знаходять струм якоря де - електромагнітна стала машини.

Електромагнітний момент двигуна визначають

Перша складова цього моменту збігається з таким рівнянням класичної машини постійного струму (криві 2 та 4 на рис. 9). Друга складова моменту зумовлюється індуктивністю якоря L_a і гальмує машину (реальні криві 1 та 3 на цьому ж рисунку).

2. ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

2.1. Програма роботи.

2.1.1. Ознайомитись з будовою, принципом роботи та системою керування досліджуваного двигуна (рис. 11).

2.1.2. Ознайомитись з лабораторною уставою.

2.1.3. Зібрати дослідну схему за рис. 12.

2.1.4. Зняти вихідну характеристику тахогегнератора

n=f(U_Тг).

2.1.5. Зняти робочі характеристики двигуна: залежність струму I_д, частоти обертання n від моменту на валі М_д

при напругах, що відповідають номінальній U_д=U_дн та U_д=0,75U_дн; U_д=0,5U_дн чи інших заданих викладачем.

2.1.6. Зняти часові діаграми сигналів мультивібратора та сигнальних обвиток ДПР.

2.1.7. Зняти часові діаграми напруг окремих секцій робочої обвитки та повного струму, які споживає схема при навантаженні, що відповідає I_д=I_дн та при повністю розвантаженому генераторі G1.

2.1.8. Розрахувати та побудувати всі основні робочі характеристики двигуна

n, P_д1, I_д, h=f(M_д)

для напруг, зазначених у п. 2.1.5.

2.1.9. На підставі робочих характеристик двигуна побудувати його регулювальні характеристики

n=f(U_д)

при сталих моментах на валі М_д=const, заданих викладачем.

2.1.10. Провести аналіз результатів, зробити висновки. Скласти та оформити звіт.

2.2. Опис системи керування та принципу роботи двигуна

2.2.1. Опис ведеться за рис. 11. Основними частинами системи керування є електронні ключі на транзисторах V11, V14, V17, генератор ультразвукової частоти (50¸80 кГц) на транзисторах V18, V21, стабілізатор напруги живлення (V23).

Секції ("фази") А, В, С основної (робочої) обвитки статора з'єднані в зірку і, як видно зі схеми, підключаються до джерела живлення через транзистори V11, V14, V17. Їх станом (закритий, відкритий) керують змінні напруги, що поступають з вторинних обвиток трансформаторів Т1...Т3 давача положення ротора (ДПР). Транзистори почергово відкриваються напругами від'ємної полярності, одержуваними від випростувачів на діодах V10, V13, V16, а закриваються напругою додатньої полярності на нагромаджувальному конденсаторі С4 (ця напруга створюється за рахунок випростання діодами V9, V12, V15 неробочої частини періодів напруги ДПР).

Первинні обвитки трансформаторів Т1...Т3 увімкнені в колекторні кола транзисторів V18, V21 і утворюють разом з ними симетричний індуктивний мультивібратор. Живиться цей каскад системи від стабілізатора напруги, зібраного на транзисторі V23 і стабілітроні V24.

2.2.2. Працює двигун наступним чином. Нехай у момент включення живлення постійний магніт ДПР знаходиться у положенні, при якому його магнітне поле насичує магнітопроводи трансформаторів Т2 і Т3. З тої причини зв'язок між обвитками трансформаторів виявиться порушеним і ЕРС на їх вторинних обвитках наводитись не буде. На однойменній же обвитці трансформатора Т1, магнітопровід якого не наражений на дію поля магніта ДПР, ЕРС виникає. В результаті на виході випростувача, виконаного на діоді V10, з'явиться напруга від'ємної полярності, яка відкриє транзистор V11, і секція С основної обвитки виявиться підключеною до джерела напруги. Під дією виниклого при цьому обертального моменту ротор двигуна, а отже, і магніт ДПР повертаються. Наступає момент, коли трансформатор Т2 опиняється поза зоною дії магніта і в його вторинній обвитці з'явиться ЕРС. В результаті розпочинає відкриватись транзистор V14, підключаючи до джерела напруги секцію В основної обвитки. Поле статора в цей момент визначається результатною намагнічувальною силою, яка діє до закінчення роботи секції С. Коли ж це станеться (змінна напруга з обвитки трансформатора Т1 перестане надходити і транзистор V11 закриється під дією дадатньої напруги, поданої на його базу з конденсатора С4), обертальний момент буде створюватись тільки секцією В. Потім в роботу включиться секція А, опісля - знову секція С і т.д., і двигун розганяється.

Опис лабораторної устави

2.3.1. На фундаментній плиті устави змонтовані досліджуваний трисекційний ВеД магнітоелектричного збудження з однополярним керуванням типу БДС-02М, його електронна система керування, зпарений з двигуном навантажувальний генератор постійного струму з магнітоелектричним збудженням, клеми для подачі живлення двигуна, що розташовані з лівої сторони устави, клеми якоря генератора, що розташовані зправа. Крім цього, в нижньому ряді на плиті закріплено 19 гнізд, що є виводами контрольних точок схеми керування та обмоток вбудованого у двигун тахогенератора змінного струму.

2.3.2. Технічні характеристики двигуна та навантажувального генератора зберігаються у документації лабораторії.

2.4. Методичні вказівки

2.4.1. Нижче наводимо методичні вказівки до окремих пунктів підрозділу 2.1.

До п.2.1.3. Як джерело А1 постійної напруги застосувати стабілізоване джерело з регульованим рівнем, що лежить в границях 0¸10 В.

Вимірювальні прилади вольтметр Р1 та амперметр Р2 підібрати у відповідності до паспортних даних ВеД.

Для навантаження генератора G1, зпареного з ВеД М1, використати спеціально підібраний змінний резистор R2 з вбудованим вимикачем S1. Генератор протарований. Його тарувальні характеристики (зберігаються у документації лабораторії) представлені двома кривими: 1 та 2. Крива 1 зображає залежність електромагнітного моменту від струму генератора М_ге=f(I_г), а крива 2 - залежність моменту тертя у підшипниках, аеродинамічного тертя та моменту, зумовленого втратами на перемагнічення заліза ротора, М_гм від частоти обертання ротора n. Момент на валі двигуна М_д визначається як сума М_д=М_ге+М_гм. Амперметр Р3 підбирають виходячи з тарувальної кривої 1. Резистор R1=1 Ом виконує роль шунта, призначеного для вимірювання повного струму в колі.

Пристрій Р4 - електронний осцилоскоп зі штирями Х7, Х8..

До п.2.1.4. Для зняття вихідної характеристики тахогенератора n=f(U_тг) між гніздами 1 та 19 розетки Х6 вмикають вольтметр з високоомним входом. За допомогою осцилоскопа Р4, включеного між будь-якою парою гнізд 13, 14 та 15, визначають період Т зміни напруги тахогенератора і відповідно частоту обертання ротора за відомим виразом

n=60f/p=60/pT [об/хв],

якщо Т [с].

До п.2.1.5. Висліди лабораторних досліджень рекомендується звести у табл.1.

Таблиця 1

Uд	В
Iд	мА
T	под.
T	мс
n	об/хв
Iс	мА
Mгм	Нсм
Mге	Нсм
Mд	Нсм

До п.2.1.6. Часові діаграми мультивібратора знімають за допомогою осцилоскопа, увімкненого між гніздами 1 та 7 чи 12.

Подібним чином знімаються часові діаграми сигнальних обвиток.

До п.2.1.7. Часові діаграми напруг знімають з гнізд 1 та 3 чи 4 чи 5. Часову діаграму повного струму схеми знімають з затискачів шунта R1.

Примітка. Для побудови часових діаграм належить подбати про міліметровий папір.

До п.2.1.8. Споживану потужність Р_д1 розраховують як добуток Р_д1=U_дI_д.

Коефіцієнт віддачі h є відношенням корисної потужності на валу двигуна Р_д2 до споживаної, тобто h=Р_д2/P_д1.

Потужність на валі обчислюють через момент на валу М_д та частоту обертання ротора n за виразом

Р_д2=1,05М_дn×10^-3 [Вт],

якщо М [Нсм], n [об/хв].

Дата добавления: 2015-11-28