KYBERNETIKKLABORATORIET FAG: Dynamiske systemer DATO: 08.14 OPPG.NR.: DS5 Likestrømmotor. Denne lab.øvelsen er en introduksjon til elektromotorer. Den tar sikte på å introdusere/repetere noen enkle mekaniske og elektriske målemetoder, og det dreier seg mer om enkel fysikk og måleteknikk enn om modellering eller reguleringsteknikk. Det skal måles strømmer, spenninger turtall, (ved hjelp av en metode med oscilloskop) og kraftmoment. Utstyr: Skriv inn i tabellen under det som er spesifikt for ditt oppsett. Motor type DME3886HPA (en ankerdrevet likestrømsmotor med permanet statormagnet.) Spenningskilde og konst. strømkilde (som kan være en spenningskilde operert i konstantstrøm-modus, dvs. med kortslutningskretsen aktivert uten foldback) Digitalt voltmeter Analogt amperemeter (viserinstrument) Oscilloskop Trinse i plast ca. 30mm diameter med spor til tynn tråd, 4,5mmØ senterhull. Lodd på ca. 100g (for å gi kraft på ca. 1N). Sterk sytråd. Batteridrevet hånddrill (Lånes når punkt 5 skal gjøres) Turteller (Lånes når punkt 5 skal gjøres) Om dokumentasjon: Måleprotokoll. Alle resultater skal dokumenteres, det er opplagt. Men dere må også dokumentere alle målinger som er utført, likedan hvilke instrumenter og utstyr som er benyttet. Og sist men ikke minst: Hvilken måleoppstilling som ble benyttet! Kort sagt: Dere må få med alt som trengs til å gjenta hele greia på akkurat samme måte og med akkurat det samme utstyret. I denne oppgaven er det gjort plass til alle måleresultater inne i oppgaveteksten. Reglab/R112/18.08.2014 side 1 av 7 Rolf Ingebrigtsen
- 2 - Måleteknikk. Generelt om strøm- og spenningsmålinger. Et ideelt voltmeter har uendelig stor motstand (det trekker ikke strøm), mens et ideelt amperemeter har null motstand, det vil si det blir null spenningsfall over det. Vanlige voltmetre har en motstand på 1 10MΩ og er derfor ganske ideelle, mens vanlige amperemetre lager spenningsfall på 0,2 0,5V og derfor ikke kan regnes som særlig ideelle. Derfor måler vi strøm og spenning slik som vist i figuren til høyre. Nå spiller det ikke så stor rolle om det ligger litt spenning over amperemeter, for voltmeteret viser spenningen direkte over motoren. Og Til spennings kilde strømmen i voltmeteret er ingenting i forhold til motorstrømmen. (Dette er et generelt godt oppsett.) 0V Ampere meter v a (t) Volt meter Målinger som skal utføres. 1: Minste startspenning Va0 og startstrøm Ia0. Det er de minste verdiene vi kan ha før motoren starter vi er interesserte i. Ia0 = Va0 = 2: Ra (resistansen i ankerviklingen): Når vi måler på ledningene fra motoren, så måler vi også motstanden i børstene og overgangsmotstanden mellom børstene og kommutatoren. Denne overgangsmotstanden varierer en del, både med strømmen og med rotorposisjonen. Derfor vil disse verdiene variere noe. Vi bruker ligning(2.68) med ω = 0 og dia/dt=0 og får Ra = va/ia Målingene må gjøres med låst rotor. Bruker du va=2,5v greier du å holde igjen rotoren med fingerene. Vri litt fram og tilbake på rotoren under målingen og noter deg største og minste verdi for ia: ia,min= ia,max= Regn ut tilsvarende Ra verdier: Ra,max= Ra,min= Reglab/R112/18.08.2014 side 2 av 7 Rolf Ingebrigtsen
- 3 - og bruk middelverdien som Ra: Ra= 3: Turtall: Dere kan gjøre målingene etter eget hode, eller dere kan bruke metoden som er vist i figuren til høyre. Foruten at spenning skal koples til ankeret (sort og rød ledning) skal + også koplet til motorhuset av metall. Når motoren går, kan vi holde en ledningsstump forsiktig inn mot tannhjulet som sitter fast på akslingen, slik at det blir en liten kontakt hver gang en tann passerer. Dermed vil ledningen bli koplet til pluss via motoren et lite øyeblikk før den går tilbake til null igjen. Det vil vi se som en positiv puls på et oscilloskop koplet til ledningen. Pulsperioden, T, kan vi finne ved å avlese antall målestreker (div) på oscilloskopskjermen, og når vi vet hvor mange tenner, n, hjulet har, kan vi finne omdreiningsfarten ω i radianer pr. sekund (vinkelhastigheten): ω = 2π /(nt) Spenningskilde Volt Tilkop ling til motor hus Motor Ledning stump Til oscilloskop Best resultat får du dersom ledningsstumpen bare så vidt kommer bort i tannhjulet. Vi er interessert i sammenhengen mellom tomgangsturtall ω, ankerspenningen ua og tomgangsstrømmen ia0 i ankeret ved flere turtall (se s. 2), og for å finne den kan dere bruke tabellen under som utgangspunkt for målingene. Antall tenner på tannhjulet: n = va [V] 3,0 5,0 7,0 10,0 12,0 ia0 [ma] Pulsperiode [div] på oscilloskopet Sweep time [ms/div] T [ms] (tid pr. tann) ω [rad/s] = 2π/(nT) Reglab/R112/18.08.2014 side 3 av 7 Rolf Ingebrigtsen
- 4-4: Momentkonstant og KT: NB! Skru strømbegrenseren til minimum før spenningen slås på! Bruk metoden beskrevet nedenfor (eller en annen metode om du er på sporet av noe bedre!): Belast motoren ved å la den heise et 100g-lodd (tyngde = 1,0N) nedover mot gulvet og oppover fra gulvet ved hjelp av ei trinse som presses inn på tannhjulet, se figur. Best er det å bruke en konstant strømkilde til dette. (Eventuelt kople en motstand på 10 20Ω i serie med motoren. NB! Motstanden må tåle minst 10W!) A. Loddet heises sakte ned med konstant fart: Still inn ankerstrømmen ia1 slik at loddet så vidt går nedover, med liten og konstant fart. Da gir lastmomentet TL rotasjon mot urviserne i figuren, mens friksjonsmomentet Tf holder igjen og derfor virker med. Det samme gjør det magnetiske momentet Tm1 = = KT ia1 fra statoren og på rotoren. Siden motoren kjøres svært sakte, er dempemomentet Td =Bω = 0, og vi har da disse 3 kraftmomentene som balanserer hverandre: Strømkilde Amp. Bord plate Lodd, ca. 100g Motor Skive med spor Tm1 + Tf = TL der lastmomentet TL = rmg der m er loddmassen og r er skiveradien. Da får vi: (1.5a) KT ia1 = rmg - Tf Målte verdier: ia1 = ; r = ; m= B. Loddet heises sakte opp med konstant fart: NB! Skru strømbegrenseren til minimum før spenningen slås på! Still inn ankerstrømmen ia2 slik at loddet så vidt går oppover, med liten og konstant fart. Fremdeles gir lastmomentet TL rotasjon mot urviserne i figuren, og det magnetiske momentet Tm2 = KT ia2 virker med, slik som før. Men Tf siden virker mot bevegelsen, virker det nå mot urviserne (samme vei som lastmomentet), slik at nå er: Tm2 = Tf + TL (1.5b) KT ia2 = rmg + Tf Målt Verdi: ia2 = Ved å addere (1.5a) og (1.5b) får vi: KT ia1 + KT ia2 = rmg - Tf + rmg + Tf KT (ia1 + ia2 ) = 2rmg som vi løser for å finne KT : (1.5c) KT = 2rmg/(ia1 + ia2 ) Din KT-beregning: Reglab/R112/18.08.2014 side 4 av 7 Rolf Ingebrigtsen
- 5-5: Ke : Turtallet kan måles enkelt ved at vi kjører motoren som generator ved at vi driver den med en elektrisk drill du får utlånt. Når denne drillen kjøres på maks fart, er det snakk om 1300 1400 rpm, men sjekk denne verdien ved hjelp av en proff turteller. Målte verdier: ea = n= RPM ω = vha. Turteller og Beregn spenningskonstanten. 6: Grafiske framstillinger: (Ke = ea/ω ): Bruk de vedlagte arkene, eller Excel, til å lage to grafiske framstillinger over resultatene i oppg. 3. Siden hver av disse kurvene ideelt sett skal bli en rett, skrå linje, tegner du kurvene med linjal og legger hver linje best mulig i forhold til målepunktene. A. ω som funksjon av ua (ω langs den vertikale og ua langs den horisontale aksen.) B. ia som funksjon av ω (ia langs den vertikale og ω langs den horisontale aksen.) 7: Demontering av motor. (Frivillig). Hensikten med dette er at dere skal kunne studere hvordan en motor er laget. NB! Ikke demonter den motoren du bruker til målingene! Til dette må dere låne en egen motor som er merket spesielt til dette formålet. Sjekk først om motoren virker før dere gjør noe annet. Vær forsiktig under demonteringen. Dette er ingen arena for bruk av krefter. Dersom dere er det minste usikker på noe, så be om hjelp!! 1. Start demonteringen med å skru av de hvite plaststykkene som dekker og holder på plass børstene. Pirk forsiktig ut børstene NB!! Uten å bruke kraft!!! (Ikke mist skruene!) NB! Børstene MÅ tas ut først under demontering!! 2. Fjern de to langsgående skruene som hoder resten sammen. (Skruehodene sitter på endestykket på motsatt side av børstene.) 3. Nå kan endestykkene dras av i hver sin retning. Rotoren vil bli liggende innei statoren, men det er bare å dra det ut. Studer oppbygningen av rotor og stator, legg merke til hvordan børstene er konstuert og hvordan rotoren er lagret. Montering. Skjer i motsatt rekkefølge av demontering. NB!! Ankeret må settes inn i statoren rett vei!! NB! Det er svært viktig at endestykkene og statordelen settes sammen riktig i forhold til hverandre. Disse tre delene er merket med langsgående striper som skal være i forlengelsen av hverandre. NB! Børstene settes inn til slutt under montering!! Reglab/R112/18.08.2014 side 5 av 7 Rolf Ingebrigtsen
- 6 - DS5 Dato: Gruppenr.: Navn: Figur 3A Motorturtall som funksjon av motorpådrag Turtall ω [rad/s] 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Pådrag v a [V] Reglab/R112/18.08.2014 side 6 av 7 Rolf Ingebrigtsen
- 7 - DS5 Dato: Gruppenr.: Navn: Figur 3B Tomgangsstrøm som funksjon av motorturtall 350 Tomgangs strøm [ma] 300 200 100 0 100 200 300 400 500 600 Turtall ω [rad/s] Reglab/R112/18.08.2014 side 7 av 7 Rolf Ingebrigtsen