1

Ćwiczenie EA11

Bezszczotkowy silnik prądu stałego

Program ćwiczenia:

1. Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej (sterowania) silnika n = n(UAC), w stanie biegu

jałowego silnika

2. Wyznaczenie charakterystyk zewnętrznych napędu n = n(IDC) dla UDC = 36V i UDC = 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)

PN = 4470 W, UDC = 48 V, IDC = 97.7 A, nN = 3360 obr/min, TN = 12.7 Nm, masa 10 kg

Literatura:

K. Krykowski "Silniki PM BLDC. Właściwości, sterowanie, aplikacje", Wydawnictwo BTC,

Legionowo 2015.

J.Rusek "Elektrotechnika z elementami napędów", Wydawnictwa AGH 1993

R.Sochocki "Mikromaszyny elektryczne", Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej 1996

www.motenergy.com - strony producenta badanego silnika

www.goldenmotor.com - strony chińskiego producenta silników i napędów DC brushless i

AC brushless, głównie o przeznaczeniu elektromobilnym

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

3

Rys. 3. Uzwojony stojan silnika – widoczne wyprowadzenia początków faz

Rys. 4. 8-biegunowy wirnik silnika – dyskusyjny sposób montażu magnesów

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)

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.

6

R1 R2

Pot1

Rys. 8. Schemat ideowy układu sterowania napędu elektrycznego z silnikiem DC brushless

T1 T3 T5

T2 T4 T6

Stycznik

Zasilanie

obw.

mocy

Zasilanie

sterowan

ia

230V AC Układ kontrolno-zabezpieczający

Układ

logiczn

y

U

imp / U

V W

SILNI

K

BLDC

Iu

Iw

Iv

hu

hv

hw

[I]

1V=1000obr/min

R

*

PRACA

[I]*

[I]*

ma

x

RU U*

RI

Sterowanie

T1 - T6

Iu,Iv,Iw,[I]

1V=10A

7

Rys. 9. Schemat ideowy obwodów mocy stanowiska ćwiczenia EA11

8

2. Wykonanie ćwiczenia

Zasilanie stanowiska ćwiczeniowego załącza się w szafie sterowniczej B8, przyciskiem

P1 (380/220 VAC). 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 Vsk,

mierzone woltomierzem V1 – 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 VDC

(pomiar woltomierzem V2). Podczas pomiarów nie wolno przekraczać prędkości 4000

obr/min i prądu silnika 50 A, mierzonego amperomierzem A3.

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 50-55 V (pomiar woltomierzem V2). Wartości tej

trzeba pilnować w trakcie pomiarów, ew. doregulowywując napięciem V1 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 V3. Oprócz tego napięcia i prędkości należy dodatkowo mierzyć

wyprostowany prąd faz silnika, amperomierzem A3. Pomiary wykonuje się w zakresie prędkości

500 – 3500 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 (V2 = 36-40V oraz V2 = 50-55V), przez regulację wartości skutecznej

napięcia z regulatora napięcia V1. Prąd pobierany przez silnik zmienia się przez zmianę

obciążenia silnika. Obciążeniem tym jest druga, taka sama maszyna, pracująca generatorowo,

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 A3. 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 A3 = 50 A. Wartość wyprostowanego prądu generatora A4 nie powinna

przekraczać 80 A. Prąd silnika A3 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 A3 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 V2 = 50-55 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. 1500 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. 1500 obr/min. Rezystancja obciążenia

generatora powinna być tak dobrana, aby prąd ustalony obciążonego silnika wynosił A3 = 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 Vsk) – kontrola na woltomierzu V1.

3. 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(IDC) 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.