Hamownia dla małych silników, cz.1.
Spis treści
Hamownia dla małych silników, cz.1.
Wstęp
Od wielu lat nurtowała nas („nas”, w sensie zespołu współpracowników na PW) potrzeba posiadania małego stanowiska hamownianego do badania małych silników, oczywiście pod obciążeniem. Do realizacji tego zadania podchodziliśmy wielokrotnie, często przy udziale studentów. Ostatnim taką próbą była praca magisterska inż. Marcina Łukasza Myszkowskiego "Budowa stanowiska i wstępne badania silnika Wankla agregatowego firmy Sachs", pod kierunkiem p. dr inż. Macieja Tułodzieckiego i mgr inż. Andrzeja Aromińskiego. W ramach tej pracy udało się skonstruować korpus stanowiska oraz zamontować w nim niezbędne oprzyrządowanie, w tym silnik Wankla, który wstępnie miał być obiektem testów. Niestety, przeprowadzone wtedy eksperymenty nie były do końca udane. Tzn. silnik pracował niestabilnie i nie udało się dopracować ani torów pomiarowych, ani sterowania hamulcem – obciążeniem dla testowanych silników.
Teraz, w minione wakacje, bazując na wcześniejszych pracach, w końcu wykonałem ponownie tory pomiarowe oraz zrealizowałem skuteczne sterowanie hamulcem.
Założenia
Stanowisko miało się składać z paru elementów. Wydawało się ogólnie proste. Tzn. Badany silnik miał za pośrednictwem momentomierza napędzać hamulec. Momentomierz miał dostarczać informacje o momencie obrotowym rozwijanym przez silnik oraz o jego prędkości obrotowej. Zakres momentu obrotowego miał zawierać się w granicach ~1..20Nm, a moc silnika nie miała przekraczać ~5kW.
Pełny schemat blokowy projektowanej hamowni. Aktualnie tylko pomiar momentu i prędkości obrotowej jest dokonywany samoczynnie. W przygotowaniu jest skomputeryzowany pomiar parametrów hamulca i obciążenia. Podobnie, zestaw rejestrowanych parametrów sterowania silnikiem zależą od jego sterownika.
Konstrukcja
Prace konstrukcyjne zweryfikowały założenia. O czym poniżej. Spowodowane to było w dużej mierze brakiem budżetu. Nie napisałem jeszcze, że suma środków na realizację tego stanowiska wynosiła dokładnie 0.- zł. Tzn. stanowisko zostało sfinansowane przez zespół współpracowników, zainteresowany jego wykorzystaniem do różnych badań.
Widok hamowni. 1. Badany silnik; 2. Zbiornik paliwa dla silników spalinowych i układ pomiaru jego zużycia; 3. Momentomierz; 4. Hamulec; 5. Obciążenie hamulca; 6. Panel kontrolny hamulca i jego sterowania.
Silnik
Niestety zamontowany pierwotnie silnik Wankla nie pracował stabilnie. Do tego generował koszty i nieprzyjemności w postaci spalin i hałasu – w końcu to silnik spalinowy. Utrudniało to prace związane z torami pomiarowymi i sterowaniem hamulcem.
W ramach dopracowania funkcjonalności stanowiska badawczego zdecydowałem się na zastąpienie we wstępnych testach silnika spalinowego, silnikiem elektrycznym. Zapewniło to powtarzalność pomiarów i parametrów. Co prawda zastosowany silnik dysponował mocą zaledwie 1,5kW, ale usunięcie z zestawu niestabilnego silnika spalinowego było bardzo istotnym ułatwieniem pracy.
Zastosowany do testów stanowiska silnik elektryczny wraz z włącznikiem.
Pomiar momentu obrotowego
Momentomierz Dataflex typ 22/100, o możliwości pomiaru momentu obrotowego w zakresie +-100 Nm z dużą dokładnością (wyjście analogowe, stabilnie można uzyskać dokładność rzędu 0,1 Nm lub nawet większą), z równoczesną możliwością pomiaru prędkości obrotowej (wyjście impulsowe). Za konwersję impulsów na napięcie odpowiada klasyczny już przetwornik FU-252.
To najdroższe elementy zestawu aparatury, pożyczone z innego, aktualnie nieużywanego stanowiska.
Momentomierz, wraz ze szczegółami montażu (sprzęgła podatne). To niepozorne, ale potężne narzędzie pomiarowe.
Hamulec
W charakterze hamulca zastosowano alternator samochodowy 24V, o mocy nominalnej 2,5kW. To też zmiana założeń, ale niestety w rozsądnych granicach finansowych nie udało się znaleźć nic mocniejszego. Alternatorem pierwotnie zamierzano sterować poprzez kontrolowane zmiany napięcia wzbudzenia. I to było dodatkowe kryterium utrudniające wybór - łatwość takiej modyfikacji, aby odłączyć regulator napięcia i wyprowadzić na zewnątrz podłączenie uzwojenia wzbudzającego. Generalnie sterowanie było największym problemem. Należy zauważyć brak łatwo dostępnych danych literaturowych na temat niezbędnych parametrów pracy i sterowania takich alternatorów.
W pierwszym podejściu próbowałem sterować alternatorem podając na jego wejście wzbudzenia sygnał modulowany PWM. Wzięło się to stąd, że tak opisują kontrolę regulatora napięcia niektóre książki.
Napotkałem przy tym podejściu jednak spore problemy techniczne. Posiadany generator posiadał wyjście o mocy 50W. Jednak przy napięciu/amplitudzie 24V, nie umożliwiało to zwiększenia natężenia prądu powyżej 2A. Generator nie umożliwiał też pełnego sterowania wypełnieniem sygnału, a tylko w zakresie od ok 20 do 80 %.
Z tych powodów zdecydowałem się na użycie stałego sygnału sterującego, za pomocą zasilacza laboratoryjnego. Dzięki temu można było swobodnie zmieniać napięcie wzbudzenia, znając i kontrolując jednocześnie jego natężenie.
Parametry pracy (napięcie i natężenie prądu) odczytywane są z wskaźników analogowych.
Zainteresowanych danymi pomiarowymi odsyłam do drugiej części niniejszego artykułu.
Alternator występujący w charakterze hamulca.
Obciążenie elektryczne
Aby alternator stawiał opór mechaniczny, energię którą wytwarza trzeba jakoś spożytkować.
Dobrze się sprawdził pierwotny pomysł z zestawem grzałek o mocy 5 kW. Grzałki zostały umieszczone w zbiorniku dostosowanym do ciągłego przepływu wody. Umożliwia to prowadzenie długotrwałych badań, nieograniczonych czasowo.
Obciążenie elektryczne - zespół grzałek w zbiorniku oraz panel kontrolny pracy hamulca i obciążenia.
Przetwornik ADC
Zasadnicze funkcje pomiarowe (moment i prędkość obrotowa) pełni przetwornik ADC firmy Advantech typu USB-4711A z uniwersalnym oprogramowaniem pomiarowym firmy ZEPWM.
W przyszłości, za pomocą tego przetwornika planowana jest również rejestracja parametrów pracy alternatora i ew. parametry sterowania silnikiem.
Stanowisko pomiarowe podczas prób.
Wnioski
Udało się zapewnić stabilną pracę stanowiska oraz powtarzalność pomiarów. Zresztą już z danych pomiarowych testowanego zestawu silnik-hamulec udało się wyciągnąć dość interesujące wnioski, o czym napiszę w drugiej części artykułu.
Tekst przygotował: dr inż. Szymon Dowkontt
Jeżeli nie zaznaczono inaczej, zdjęcia autora.
