Hamownia dla małych silników, cz.3. Wykorzystanie alternatora w charakterze obciążenia. Sterowanie i konstrukcja.
Spis treści
Streszczenie
Autor przedstawia koncepcję i sposób jej realizacji wykorzystania alternatora samochodowego w charakterze obciążenia (hamulca) dla badanych silników na małej hamowni silnikowej. Proponowane rozwiązanie umożliwia płynną regulację momentu hamującego w dość znacznym zakresie. Umożliwia również automatyzację procesu badawczego. Autor omawia zagadnienie na przykładzie rzeczywiście zbudowanej i działającej hamowni.
1. Wprowadzenie
Konieczność posiadania niezbędnej aparatury pomiarowej w jednostkach badających silniki jest bezdyskusyjna. Dotyczy to również małych hamowni, umożliwiających badanie małych silników lub większych przy niedużych mocach rzędu 1...5 kW. Takie urządzenia umożliwiają testowanie nie tylko gotowych rozwiązań, ale przede wszystkim dają możliwość sprawdzić na niedużych obiektach koncepcje zmian i modyfikacji silników. Chodzi tutaj głównie o systemy sterowania, zasilania, wykorzystanie nowych paliw, mieszanek czy dodatków do nich.
Możliwe są również badania przekładni, skrzyń biegów lub całych systemów napędowych. Zakres badań nie jest ograniczony do silników spalinowych. Można badać również silniki elektryczne lub kompletne serwomechanizmy. Dzięki małym rozmiarom i wykorzystywanym mocom ogranicza się znacznie koszty badań.
2. Badania
2.1. Ogólna budowa stanowiska
Ogólną budowę hamowni opisałem w [1] i [2]. Przypomnijmy pokrótce. Hamownia składa się z badanego obiektu (np. silnika), hamulca (układu jego obciążenia), układów sterowania tymi elementami oraz torów pomiarowych. Koncepcję stanowiska przedstawia rys. 1.
Sposób realizacji założeń wynikał z niskiego budżetu. Ograniczenie wydatków było jednym z założeń projektu. Konstrukcję stanowiska przedstawia rys. 2.
Na prezentowanej fotografii na stanowisku zamontowany jest do badań silnik elektryczny. Jednak widoczne są elementy przeznaczone do badania silników spalinowych. W tym wypadku jest to zbiornik paliwa wraz z układem zaworów i naczyń umożliwiającym prosty pomiar zużycia paliwa.
Na końcu układu mechanicznego znajduje się alternator będący hamulcem (obciążeniem mechanicznym) badanego silnika, a pomiędzy silnikiem i alternatorem zamontowany jest momentomierz. Widać również zbiornik chłodzący w którym znajduje się układ grzałek obciążających elektrycznie alternator.
Układ pomiarowy i sterujący jest obsługiwany przez komputer PC. Wraz przetwornikami ADC i DAC jest on zainstalowany na oddzielnym stanowisku. Stanowisko badawcze i pomiarowe są połączone ze sobą ok. 15 metrowymi kablami. Umożliwia to wygodne i bezpieczne prowadzenie badań, tzn. stanowisko z badanym obiektem może znajdować się w innym pomieszczeniu lub na zewnątrz budynku. Ogólny widok stanowiska pomiarowego przedstawia rys. 3.
2.2. Obciążenie mechaniczne (hamulec)
W charakterze hamulca zastosowano alternator samochodowy 24V, o mocy nominalnej 2,5kW. To zmiana założeń (pierwotnie planowano 5kW), ale niestety w rozsądnych granicach cenowych nie udało się znaleźć mocniejszego alternatora. Alternatorem zamierzano sterować poprzez kontrolowane zmiany napięcia wzbudzenia. I to było dodatkowe kryterium utrudniające wybór. Tzn. alternator miał mieć możliwość takiej modyfikacji połączeń, aby zdemontować regulator napięcia i wyprowadzić na zewnątrz podłączenie uzwojenia wzbudzającego [3]. Generalnie sterowanie tym elementem było największym problemem. Należy zauważyć brak łatwo dostępnych danych literaturowych na temat niezbędnych parametrów pracy i sterowania takich alternatorów.
W pierwszym podejściu próbowano sterować alternatorem podając na jego wejście wzbudzenia F [3] sygnał modulowany PWM. Miało to zwiększać elastyczność i dokładność sterowania. Napotkano przy tym podejściu jednak spore problemy techniczne. Posiadany generator posiadał wyjście o mocy 50W. Jednak przy napięciu/amplitudzie 24V, nie umożliwiał zwiększenia natężenia prądu powyżej 2A. Generator nie umożliwiał też pełnego sterowania wypełnieniem sygnału, a tylko w zakresie od ok 20 do 80 %.
Ostatecznie całkowicie wystarczające okazało się operowanie stałym prądem podawanym na uzwojenie wzbudzające alternatora. Parametrem regulującym jest napięcie tego prądu.
Zastosowany alternator przedstawia rys. 4.
3. Analiza
Sterowano uzwojeniem wzbudzenia alternatora. Na wyjściu z alternatora otrzymywano dość płaski przebieg napięcia. Jest on bardziej płaski, niż przewiduje teoria dla trójfazowych generatorów elektrycznych [4]. Taki przebieg napięcia może sugerować, że stabilizator napięcia cały czas w jakiś sposób pracuje, odnosząc się do podawanego przez nas, na uzwojenie wzbudzenia, napięcia sterującego. Nie jest to jednak prawda. Zastosowany alternator był wyposażony w zewnętrzny regulator napięcia. Może się też okazać, że alternator ma więcej faz niż trzy. Nie znamy wewnętrznych połączeń alternatora. Jednak taki przebieg napięcia łatwo wytłumaczyć po prostu dużą liczbą biegunów magnetycznych stojana.
Przykładowy widok wykres napięcia w funkcji czasu podczas badań przedstawia rys. 5.
Patrząc na przebieg napięcia na ekranie oscyloskopu widzimy (rys. 5), że wartość średnia w zasadzie odpowiada pomiarom dostępnym na woltomierzu prądu stałego, wbudowanego w układ zasilania obciążenia (grzałki). Z tego powodu będziemy traktować otrzymywany z alternatora prąd, jako prąd stały i będziemy posiłkować się zarówno wskazaniami w/w woltomierza, jak i wbudowanego w ten układ amperomierza (bocznikowy). Podczas pomiarów przedstawionych na rys. 5, sonda oscyloskopu była podłączona do wyjścia N alternatora [3].
Oddzielnym zagadnieniem jest ujęcie w bilansie mocy, czy też energetycznym, prądu podawanego na uzwojenie wzbudzające. Odjąć go czy dodać do ilości wytwarzanej energii? Raczej odjąć. Jednak nie znamy sprawności samego (pod) procesu wzbudzenia. Ponieważ dostarczany prąd jest relatywnie nieduży, mniejszy o parę rzędów wielkości od odbieranego, pomijamy go w naszych rozważaniach. To zagadnienie wymaga zupełnie oddzielnego rozpatrzenia.
Wykres napięcia i prądu wzbudzenia w funkcji momentu obrotowego (napędowego alternatora) przedstawiono na rys. 6.
W toku prowadzonych badań udało się opracować charakterystyki wykorzystanego alternatora w funkcji momentu obrotowego potrzebnego do jego napędu. Zostały one już omówione w [2] (patrz rys. 7).
4. Podsumowanie
Zewnętrzne sterowanie alternatorem, jego mocą, a co za tym idzie momentem oporowym jest w pełni możliwe. Umożliwia to zastosowanie alternatora w charakterze hamulca na stanowisku hamownianym. Takie rozwiązanie ogranicza koszty i jest w pełni funkcjonalne.
Warto zwrócić uwagę, że sprawność hamulca (alternatora) niestety nie jest ani stała, ani liniowa. Jest zależna prędkości obrotowej i parametrów prądu wzbudzenia, czyli uzyskiwanej mocy elektrycznej. To oznacza, że stosując takie rozwiązanie w celu określenia momentu obrotowego rozwijanego przez napęd albo należy znać bardzo dokładnie charakterystyki stosowanego alternatora i odpowiednio przeliczać uzyskiwane wyniki, albo zawsze posługiwać się dodatkowym momentomierzem, mierzącym moment napędowy (oporowy) alternatora, co znacznie ułatwia pomiary i ułatwia zarówno analizę uzyskanych danych jak i dyskusję na temat rezultatów pomiarów.
5. Literatura
[1] Dowkontt Szymon, Hamownia dla małych silników, cz. 1, Technique.pl, 2022, vol. XI, nr 1. [2] Dowkontt Szymon, Hamownia dla małych silników, cz. 2, Technique.pl, 2022, vol. XI, nr 1. [3] Toyota Motor Poland CO., LTD. Materiały szkoleniowe. Układ Ładowania, Część 16, Poziom 2, Pub. No. TTM216PL. [4] Koziej Eugeniusz, Borys Suchoń, Elektrotechnika i elektronika, PWN, Warszawa 1975.
Tekst przygotował: dr inż. Szymon Dowkontt
Jeżeli nie zaznaczono inaczej, zdjęcia autora.
