Badanie własności prądnic tachometrycznych.

Prądnica indukcyjna dwufazowa, prądnica synchroniczna magnetoelektryczna, prądnica prądu stałego.

 

Wprowadzenie.

Budowa i zasada działania.

Prądnice tachometryczne są to specjalne maszyny elektryczne służące do pomiaru prędkości obrotowej lub przetwarzania ruchu obrotowego na wielkość elektryczną.

Podstawowym wymaganiem stawianym PTM jest utrzymanie proporcjonalności wytwarzanego przez nie napięcia do prędkości wirowania ( przy zachowaniu stałego strumienia magnetycznego). Zależność tę wyraża wzór:

 

E – siła elektromotoryczna

k – współczynnik proporcjonalności

f - strumień wzbudzenia

n – prędkość obrotowa

 

Powyższy wzór określa charakterystykę zewnętrzną prądnicy tachometrycznej, która w przypadku idealnej PTM jest linią prostą . Praktycznie jednak, na skutek przepływu prądu przez uzwojenie twornika, napięcie na tym uzwojeniu obniża się i charakterystyka zagina się. Konstrukcja PTM powinna być taka aby wpływ spadku napięcia na prostoliniowość charakterystyki był możliwie mały. Prostoliniowość charakterystyki zależy również od wartości rezystancji obciążenia i polepsza się wraz z jej wzrostem. Jeżeli uzwojenie robocze umieszczone jest na wirniku to dalszym źródłem błędu może być komutator i szczotki. Rezystancja przejścia szczotek i komutatora zmienia się w zależności od  prędkości wirowania i dlatego uzwojenie robocze  w miarę możliwości jest umieszczane na stojanie. Ponieważ, prędkość kątowa obrotowa wirnika może być wyrażona jako pierwsza pochodna kąta obrotu , więc PTM mogą być z powodzeniem stosowane w układach liczących jako elementy różniczkujące. Dalsze wymagania stawiane PTM są następujące:

Ø      mała elektromechaniczna stała czasowa

Ø      pewność pracy

Ø      cichobieżność

Ø      nie wytwarzanie zakłóceń radiowych

Ø      możliwie małe wymiary

Ø      mały ciężar

Ø      stałość parametrów w czasie (dotyczy prądnic z magnesami trwałymi)

Prądnice tachometryczne prądu stałego

W prądnicy samowzbudnej  pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes trwały. W tym polu obraca się wirnik .Pakiet wirnika jest wykonany z blach krzemowych . Uzwojenie wirnika jest przyłączone do komutatora . Napięcie indukowane w uzwojeniu wirnika podczas jego wirowania jest doprowadzone z komutatora do tabliczki zaciskowej za pośrednictwem szczotek.

 

 (rys.1)

 

Budowa prądnicy obcowzbudnej prądu stałego nie różni się niczym od budowy obcowzbudnego silnika prądu stałego. Pakiet stojana i wirnika tej prądnicy są wykonane z blach krzemowych. Stojan ma wydatne bieguny, na których jest umieszczone uzwojenie wzbudzenia. Wirnik jest wykonany podobnie jak w samowzbudnej prądnicy tachometrycznej.

W obcowzbudnych PTM decydujący  wpływ na wartość napięcia wyjściowego ma wartość napięcia wzbudzenia. Wahania tego napięcia mogą spowodować poważny uchyb pomiaru. Cecha ta czasem może być zaletą, na przykład jeżeli prądnica stanowi element sprzęgający pomięzy członami zasilanymi z tej samej sieci co uzwojenie wzbudzenia prądnicy. Wtedy wszystkie człony podlegają tym samym wahaniom napięcia sieci i spowodowane nimi uchyby kompensują się.

Podstawową przyczyną niestabilności pracy obcowzbudnej PTM jest nagrzewanie się uzwojeń wzbudzenia w czasie pracy. Nagrzewanie powoduje wzrost rezystancji uzwojeń, co z kolei zmniejsza wartość prądu płynącego przez  uzwojenia i odpowiednio zmniejsza strumień magnetyczny. Ponieważ podwyższenie temperatury miedzianego uzwojenia o 25°C powoduje wzrost rezystancji o około 10% więc wpływ nagrzewania może bardzo poważnie wpłynąć na wartość napięcia wyjściowego.

W celu zwiększenia stabilności obcowzbudnej PTM stosuje się silne nasycenie obwodu magnetycznego. W niektórych układach należy zachować proporcjonalność między prądem wzbudzenia a napięciem wyjściowym PTM (złożone układy sprzężenia zwrotnego). W tych przypadkach należy stosować PTM o słabo nasyconym obwodzie magnetycznym. Wpływy  przyrostu temperatury uzwojeń wzbudzenia usuwa się wtedy za pomocą odpowiednich boczników, wykonanych z materiału zmieniającego swą przewodność magnetyczną pod wpływem temperatury.

 

Część fB strumienia głównego f przepływa przez bocznik B. Czynny strumień zimnej maszyny wynosi:

 

ftz = f - fB

ftz – strumień całkowity prądnicy

f - strumień czynny twornika

fB – strumień przepływający przez bocznik

 

Po nagrzaniu się prądnicy przewodność magnetyczna boczników zmniejsza się proporcjonalnie do przyrostu temperatury. Część strumienia fB przepływającego przez boczniki również zmaleje o Dft. Strumień czynny maszyny nagrzanej wynosi:

 

f = (fB - Dfr) + (f + Dft)

ftg = ftz + Dft

gdzie:

            Dftg – strumień czynny maszyny nagrzanej

                f - strumień główny

            Dft – spadek strumienia w bocznikach przy nagrzaniu

 

Dobierając odpowiednio materiał na boczniki można tą metodą uzyskać prawie całkowitą kompensacje wpływu nagrzewania się uzwojeń wzbudzenia na charakterystykę zewnętrzną obcowzbudnej PTM , gdyż zwiększenie strumienia skompensuje zwiększenie rezystancji uzwojeń zarówno twornika jak i magneśnicy.

 

Prądnice tachometryczne prądu przemiennego

 

Najprostszą i najtańszą prądnicą tachometryczną prądu przemiennego jest synchroniczna prądnica tachometryczna o trwałym magnesie w wirniku

(rys.3)

Wewnątrz stojana wykonanego z blach krzemowych wiruje trwały magnes o wydatnych biegunach. W żłobkach stojana jest umieszczone uzwojenie robocze. W czasie obracania się wirnika , w uzwojeniu roboczym indukuje się siła elektromotoryczna, której wartość określa się równaniem:

E – sem indukowana w uzwojeniu roboczym

k1 – współczynnik uzwojenia

z – liczba zwojów

p – liczba par biegunów

n – prędkość obrotowa (obr/min)

f - strumień magnetyczny

 

Jak wynika z powyższego równania, indukowana siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika. Jednakże PTM tego typu ma poważną wadę. Mianowicie, częstotliwość wytwarzanego napięcia zmienia się również proporcjonalnie do prędkości wirowania. Ponieważ reaktancja XL jest zależna od częstotliwości , w czasie pracy wartość jej ulegnie zmianie. Pociąga to za sobą zmianę spadku napięcia na tworniku nawet przy niezmiennej wartości czysto czynnego obciążenia zewnętrznego. Jeżeli impedancja obciążenia zewnętrznego zawiera składową bierną, wpływ zmian częstotliwości jest jeszcze większy. Zmiany uniemożliwiają uzyskanie w prądnicach tego typu liniowej charakterystyki zewnętrznej, co z kolei poważnie ogranicza możliwości stosowania synchronicznych  PTM. Prądnice tego typu nadają się jedynie do mierzenia prędkości obrotowej , w połączeniu z odpowiednio wyskalowanym woltomierzem. W układach automatycznego sterowania synchroniczna PTM nie znajduje na ogół zastosowania.

 

Szerokie zastosowanie w automatyce znalazła asynchroniczna prądnica prądu przemiennego. Budowa jej niczym nie różni się od budowy dwufazowego silnika asynchronicznego o wirniku klatkowym lub kubkowym. Zasada działania prądnicy tego typu jest następująca:

(rys. 4)

 

Przy zasilaniu uzwojenia wzbudzenia dwufazowej maszyny napięciem Ux wytwarza się strumień fx skierowany zgodnie z osią x maszyny . Strumień ten oscyluje z częstotliwością sieci. Jeżeli dla uproszczenia przyjmuje się część zwartego wirnika jako zezwój B-B to w zezwoju będzie się indukowała sem transformacji. Ponieważ zezwój ten jest zwarty , popłynie w nim strumień fB skierowany przeciwnie do strumienia głównego. Strumień wypadkowy fB = (fX - fB) wytwarza sem elektromotoryczną EB o wartości :

EB – siła elektromotoryczna

k1 – współczynnik uzwojenia

z – liczba zwojów urojonego uzwojenia wirnika

f – częstotliwość napięcia zasilającego

fB – strumień magnetyczny

Jeżeli wirnik obraca się, wtedy w zezwoju  A-A przesuniętym o 90° w stosunku do osi X nie indukuje się żadna sem i na zaciskach uzwojenia Y traktowanego jako uzwojenie wtórne sprzężone ze zwartym uzwojeniem A-A nie występuje napięcie. Gdy wirnik zacznie się obracać, wtedy będzie się w nim indukowała sem rotacji, którą można sobie wyobrazić jako siłę elektromotoryczną , indukowaną w zezwoju A-A prostopadłym do strumienia. Wartość chwilowa tej siły elektromotorycznej wyrazi się wzorem:

l –czynna długość przewodów

u - prędkość obrotowa wirnika

BB sinwt – wartość chwilowa indukcji wytworzonej przez strumień fB

eA – siła elektromotoryczna

Ponieważ indukcja jest proporcjonalna do strumienia można więc napisać:

czyli wartość sem wirowania w osi Y przy stałym strumieniu fX jest proporcjonalna do prędkości obrotowej. Ponieważ powyższy proces odbywa się w zwartym wirniku, więc sem wirowania wzbudza strumień fY skierowany prostopadle do fB. W uzwojeniu Y będzie więc indukowała się sem o wartości

zakładając że

oraz strumień fY jest proporcjonalny do prędkości obrotowej, otrzymamy:

Z powyższego uproszczonego rozważania wynika, że w uzwojeniu wtórnym dwufazowej  prądnicy  asynchronicznej powstaje sem proporcjonalna do prędkości wirowania wirnika. Jej częstotliwość nie jest zależna od tej prędkości i równa się częstotliwości napięcia zasilającego. Stanowi to najpoważniejszą zaletę asynchronicznych PTM. Prądnica taka ma jednak szereg wad, z których podstawową jest trudność usunięcia błędów fazy i amplitudy napięcia wyjściowego.

 

1.  Przebieg ćwiczenia.

1.1   Badanie prądnicy indukcyjnej dwufazowej.

Dane znamionowe:

typ SA-2,5T;

U = 110 [V];

I = 0,3 [A];

f = 50 [Hz];

n = 1150 [obr/min];

producent MIKROMA Września nr 902, rok 1976.;

symbol T oznacza silniki o wykonaniu tropikalnym (mogą one pracować w wilgotności 95% i temperaturze do +50o).

Badaną prądnice podłączamy do układu napędowego. Dla dwóch wartości napięcia wzbudzenia np. UW = UWN oraz UW = 90%UWN należy wyznaczyć charakterystyki wyjściowe prądnicy pracującej bez obciążenia jak i prądnicy obciążonej. Prądnice obciążamy rezystancją o wartości 10 i 20[kW] .

 

1.2 Badanie prądnicy prądu stałego.

Dane znamionowe:

- typ PZTK 57-32;

- U = 40 [V];

- n = 1000 [obr/min];

- praca S-1;

producent Zakład Doświadczalny Instytutu Elektrotechniki W-wa nr 22904/81.

Dane techniczne prądnicy PZTK 57-32 wg Ryszard Sochocki „Mikromaszyny Elektryczne”

Należy wyznaczyć charakterystyki wyjściowe zarówno prądnicy nieobciążonej jak również prądnicy pracującej przy obciążeniu rezystancją 10 i 20 [kW] .

 

1.2   Badanie Prądnicy synchronicznej magnetoelektrycznej

Dane znamionowe:

(brak danych)

Postępujemy podobnie jak w poprzednim punkcie .

 

2. Opis stanowiska pomiarowego:

-         aparat laboratoryjny do płynnej zmiany prędkości obrotowej od 0 do 1100 [obr/min];

-         autotransformator laboratoryjny regulacyjny, typ TAR-2,5 firmy WG SI „Wielkopolska”;

-         woltomierz elektromagnetyczny firmy ETA klasa 0,5;

-         wyłącznik nożycowy 25 [A], 500 [V], firmy Spółdzielnia Rzemiosła Poznań;

-         rezystory obciążeniowe 10 i 20 [kW].

 

3. Schemat pomiarowy.