Dynamometr na vířivé proudy a jeho regulace

Dynamometr na vířivé proudy a jeho regulace

Ing. Jaroslav Novák, CSc.,
ČVUT Praha, Fakulta strojní, odbor elektrotechniky

Článek se v úvodu věnuje přehledu základních vlastností vířivé brzdy a jejím aplikačním možnostem. Pozornost je rovněž zaměřena na regulační vlastnosti tohoto elektrického stroje. V další části je prezentován mikroprocesorový regulátor vířivé brzdy, který byl vyvinut pro laboratoř spalovacích motorů na Strojní fakultě ČVUT v Praze.

Princip činnosti vířivé brzdy a její využití
Vířivá brzda je elektrický točivý stroj, který se využívá pro zatěžovací zkoušky pohonných jednotek. Vířivou brzdu lze použít pouze v brzdných kvadrantech roviny w – M. Otáčkový rozsah je poměrně velký – vyrábějí se brzdy pro otáčky až do 20 000 min^–1. Mezní hodnoty brzdných výkonů se pohybují kolem 3 000 kW. Vzhledem k uvedeným vlastnostem se vířivé brzdy s výhodou nejčastěji používají pro zkušební zatěžování spalovacích motorů a pro brzdění válců při zkouškách motorových vozidel. V současnosti jsou vířivé brzdy mnohdy součástí rozsáhlých automatizovaných zkušebních a měřicích pracovišť.

Vířivá brzda využívá pro vytvoření brzdných účinků vířivé proudy uzavřené nakrátko v tělese magnetického obvodu. Rotor je z oceli a má tvar ozubeného kola. Na statoru je budicí cívka, kterou protéká stejnosměrný proud, jenž budí v magnetickém obvodu magnetický tok. Rotor se otáčí v magnetickém poli statoru a vlivem střídání zubu a mezery rotoru se mění magnetický odpor magnetického obvodu a tím i magnetický tok. Změna magnetického toku způsobuje indukování napětí v magnetickém obvodu, v důsledku čehož začnou obvodem protékat vířivé proudy. Působením vířivých proudů se vytvoří brzdný moment, přičemž velikost tohoto momentu je řiditelná změnou proudu v budicí cívce. Energie vířivých proudů je dána energií, která je dodána zkoušenou pohonnou jednotkou, a mění se v tělese magnetického obvodu vířivé brzdy na teplo. K odvodu tohoto tepla musí být vířivá brzda vybavena účinným chladicím systémem.

Po elektrické stránce lze vířivou brzdu považovat za synchronní stroj s počtem pólů rovným počtu zubů rotoru a s nekonečným počtem fází. Kotva tohoto fiktivního synchronního stroje je spojena nakrátko. Frekvence vířivých proudů je dána součinem mechanické úhlové rychlosti rotoru a počtu zubů. Při nulové mechanické rychlosti rotoru nedochází ke změně magnetické vodivosti, ke vzniku vířivých proudů, a tudíž ani k vytvoření momentu.

Konstrukce vířivé brzdy
Velkou výhodou vířivé brzdy je její konstrukční jednoduchost, robustnost a vzhledem k výkonům, se kterými se pracuje, i malé rozměry; např. rotor brzdy s výkonem asi 50 kW má průměr asi 20 cm a délku přibližně 15 cm. Počet zubů rotoru se pohybuje okolo deseti.

Z hlediska principu brzdy nezáleží na tom, která část brzdy je rotační. Z konstrukčního hlediska je jednodušší konfigurace s budicí statorovou cívkou, proto se toto řešení používá v praxi. U starších dynamometrů je však v ložiskách otočně umístěn i stator. Silová reakce se potom přenáší na ukazatel váhy, obdobně jako u dynamometrů se stejnosměrným strojem, což umožňuje při měření odečítat hodnotu momentu. U novějších dynamometrů se někdy používají tenzometrické snímače momentu.

Podle geometrického uspořádání lze vířivé brzdy rozdělit do dvou skupin: s radiální a s axiální vzduchovou mezerou v magnetickém obvodu. Brzdy s radiální vzduchovou mezerou (obr. 1a) mají podobné uspořádání mezery jako běžné točivé stroje. U brzd s axiální mezerou (obr. 1b) má rotor tvar kruhové desky s vysokými zuby. Magnetický tok vybuzený budicí cívkou prochází mezi dvěma polovinami statoru. V mezeře mezi oběma polovinami procházejí při otáčení mezery a zuby rotoru a dochází ke změnám magnetické vodivosti a velikosti magnetického toku. Koncepce s axiální vzduchovou mezerou dovoluje zmenšit rozměry a hmotnost zařízení.

Zásadní význam při konstrukci vířivé brzdy má odvod ztrátového tepla. V praxi se používají tři způsoby: vzduchové chlazení, vodní chlazení přímé a vodní chlazení nepřímé. V případě přímého vodního chlazení vstupuje chladicí voda do horní části statoru. Určité množství vody je vedeno kolem budicí cívky, zbývající část je vedena přímo do prostoru rotoru. Ze stroje je odváděna chladicí voda ve spodní části statoru.

Při nepřímém chlazení je chladicí voda rozváděna po stroji speciálními chladicími kanálky. Ty vedou chladicí vodu zejména do okolí budicí cívky a do okolí aktivní vrstvy statoru, ve které vzniká největší množství ztrát. Budicí cívka i aktivní vrstva jsou od chladicí vody odděleny stěnou chladicího kanálku.

Brzdy se vzduchovým chlazením jsou konstrukčně nejjednodušší, avšak množství odvedeného tepla je značně limitováno. Brzdy s přímým vodním chlazením jsou relativně jednoduché, avšak při vyšších otáčkách rychle vzrůstají ztráty třením o chladicí vodu, které jsou úměrné třetí mocnině otáčivé rychlosti a jejich brzdný moment začíná převyšovat hodnotu momentu daného vířivými proudy. Proto již nelze v této oblasti brzdný moment řídit velikostí proudu budicí cívky. Brzdy s přímým vodním chlazením se používají do otáček 6 000 až 7 000 min^–1, pro větší otáčky se používají brzdy s nepřímým vodním chlazením.

Průmyslově vyráběné dynamometry na vířivé proudy jsou dodávány včetně zařízení pro vyhodnocování momentu, např. váha nebo tenzometrický snímač, a pro vyhodnocování otáček.

U dynamometrů s vodním chlazením je obvykle nutné přísně kontrolovat přítomnost chladicího média. V případě absence chladicí vody se vlivem zvýšené teploty velmi rychle zdeformuje materiál a následně se zadře rotor, což často vede ke zničení stroje.

U nás dynamometry na vířivé proudy vyrábí již od padesátých let firma VÚES Brno. Ceny dynamometrů na vířivé proudy v rozmezí výkonů od 50 do 100 kW se pohybují přibližně od 120 000 Kč do 180 000 Kč.

Regulační vlastnosti a pracovní charakteristiky vířivé brzdy
Je-li vířivá brzda chápána jako regulovaná soustava, lze si ji zjednodušeně z hlediska průběhu základních provozních charakteristik představit jako cize buzený stejnosměrný stroj, který má zkratovanou kotvu a jehož brzdný moment se řídí změnou budicího statorového proudu. Aby bylo možné tuto představu využívat, je třeba uvést několik zpřesnění a doplnění.

Z regulačního hlediska je vířivá brzda členem se zesílením a časovou konstantou prvního řádu. Zesílení je dáno závislostí brzdného momentu na budicím proudu (obr. 2).

Tato závislost v nenasycené oblasti je přibližně přímková, stejně jako v případě stejnosměrného stroje s cizím buzením se zkratovanou kotvou. Zesílení však není ve všech režimech konstantní, a to vlivem mnoha nelinearit. Z nich se nejvíce projevuje remanentní magnetismus – způsobuje zaoblení charakteristiky M = f (I_B) na otáčkách. V celém rozsahu otáček se vířivá brzda tedy chová jako značně nelineární člen.

Časová konstanta je při regulaci brzdného momentu dána elektromagnetickou časovou konstantou budicího vinutí. Aby bylo dosaženo velké magnetomotorické síly při relativně malém budicím proudu, a tudíž i malém budicím výkonu, má budicí cívka dosti velký počet závitů (řádově stovky), čímž roste její indukčnost a časová konstanta vinutí. Elektromagnetické časové konstanty budicích cívek vířivých brzd se řádově pohybují v jednotkách sekund.

Budicí výkony vířivých brzd jsou malé, řádově desítky wattů. Proudy budicí cívky se obvykle pohybují v hodnotách jednotek ampérů, napětí v hodnotách desítek voltů a odpory v hodnotách desítek ohmů. Zesílení výkonu je tudíž u vířivé brzdy velké.

Vzhledem k nelineární povaze vířivé brzdy a vzhledem k velké časové konstantě budicího vinutí nejsou tyto dynamometry vhodné pro dynamické zkoušky, ale používají se téměř výhradně k proměřování vlastností pohonných soustav v ustálených stavech.

Věnujme se nyní dalším provozním charakteristikám vířivé brzdy. Na obr. 3 je znázorněna pracovní oblast v souřadnicích P – n. Tato oblast je ohraničena pěti úseky: zdola – úsek I – projevuje se omezení brzdným účinkem chladicí vody u brzd s přímým vodním chlazením, zprava – úsek II – je omezení maximálními otáčkami, shora – úsek III – je pracovní oblast omezena maximálním přípustným tepelným výkonem a zleva se v dolní části – úsek V – projevuje omezení maximálním budicím proudem a sycením magnetického obvodu a v horní části – úsek IV – se projevuje omezení měřičem momentu.

Stejná omezení jsou v souřadnicích M – n znázorněna na obr. 4.

Rekonstrukce dynamometru na vířivé proudy – výchozí stav
V laboratořích spalovacích motorů na Strojní fakultě ČVUT v Praze se k statickým zkouškám používají dynamometry na vířivé proudy, které byly vyrobeny v padesátých letech ve VÚES Brno. Jedná se o typ VD 110/6 (obr. 5) se jmenovitým výkonem 111 kW (150 k) a s maximálními otáčkami 6 000 min^–1. Jmenovitý budicí proud je 1,95 A, jmenovité napětí budicí cívky je 46,6 V. Tomu odpovídá odpor budicí cívky 23,9 W.

Vířivé brzdy mají radiální uspořádání vzduchové mezery a přímé vodní chlazení (obr. 6). Dynamometry jsou vybaveny snímači momentu s váhou a šestipólovými střídavými tachogenerátory. Dynamometry byly dodány včetně zdrojů budicího proudu, které rovněž zabezpečovaly automatickou zpětnovazební regulaci střední hodnoty otáček s přesností regulace asi ±30 min^–1. Koncepce původního zdroje a regulátoru je poplatná době vzniku zařízení. Akčním členem pro řízení velikosti budicího proudu je fázově řízený thyratron v zapojení jednopulsního usměrňovače. Regulační část je velmi jednoduchá a zabezpečuje i vyhodnocování signálu tachogenerátoru jeho usměrněním a vyfiltrováním pomocí vyhlazovacího kondenzátoru.

Pro měření na spalovacích motorech v ustálených stavech, která se uskutečňují v laboratoři, je uvedený dynamometr vyhovující, problémy se však vyskytovaly u thyratronové jednotky pro napájení budicího vinutí. Proto bylo rozhodnuto zachovat vlastní vířivou brzdu, měřič momentu i střídavý tachogenerátor a nově byla postavena jednotka zdroje proměnného budicího proudu a regulátoru otáček.

Koncepce nového regulátoru otáček
Koncepce výkonové části regulátoru byla oproti původnímu řešení změněna (obr. 7). Z jednofázové napájecí sítě 230 V, 50 Hz je přes vypínač a pojistku přivedeno napětí na primární vinutí hlavního transformátoru 230/48 V. Ze sekundárního vinutí transformátoru je napájen diodový usměrňovač, jehož výstupní stejnosměrné napětí je vyhlazeno kondenzátorem. Velikost tohoto napětí je asi 70 V. Budicí vinutí dynamometru je napájeno z tohoto napěťového zdroje přes pulsní měnič na bázi výkonového tranzistoru FET. Maximální výstupní proud je 2,5 A, maximální výstupní napětí regulátoru, kterým je napájeno budicí vinutí, je asi o 50 % vyšší než jmenovité napájecí napětí budicí cívky. Tato skutečnost není dána požadavkem na buzení cívky v ustáleném stavu proudem vyšším než jmenovitým, ale cílem je dosáhnout vyšší dynamiky jevů v budicím obvodu v přechodných stavech.

Přes další transformátor 230/18 V je napájen usměrňovač, jehož výstupní napětí je po filtraci kondenzátorem použito k napájení řídicí jednotky stejnosměrným napětím 24 V. Kromě toho je z tohoto napětí pomocí DC/DC měniče vytvořeno symetrické napětí ±12 V, které je potřebné k napájení dalších řídicích elektronických obvodů.

Při měřeních na stanovišti s popisovaným dynamometrem je požadován pouze režim automatické zpětnovazební regulace otáček. Algoritmus regulátoru a další řídicí a ochranné funkce zabezpečuje centrální řídicí člen, jímž je kompaktní průmyslový řídicí terminál s dvouřádkovým displejem a jednoduchou klávesnicí, osazený šestnáctibitovým jednočipovým mikroprocesorem. Akčním členem zpětnovazební otáčkové smyčky je tranzistor pulsního měniče, který pracuje se šířkově pulsní modulací. Zpětnovazební signál otáček je získán pomocí původního tachogenerátoru. Akční veličinou je poměrná doba sepnutí tranzistoru pulsního měniče.

Při volbě koncepce otáčkového regulátoru, který reguluje nelineární soustavu, bylo možné zvolit jednu z těchto možností:

• lineární regulátor,
• lineární regulátor s adaptací parametrů v závislosti na otáčkách a sycení magnetického obvodu vířivé brzdy,
• dvouhodnotový regulátor,
• fuzzy regulátor.

Při volbě koncepce regulátoru bylo třeba zohlednit tyto skutečnosti:

• není požadována velká dynamika regulace, měřit se bude jen v ustálených stavech,
• velká elektromagnetická časová konstanta budicího vinutí – bylo změřeno 1,3 s,
• požadavek na co nejmenší kolísání otáček v ustáleném stavu s minimální trvalou regulační odchylkou,
• volba pokud možno jednoduchého regulačního algoritmu pro dosažení dostatečně velké rychlosti vykonávání tohoto algoritmu mikroprocesorovým systémem.

Obecně se jeví velmi jednoduchá a kvalitní dvouhodnotová regulace – tento způsob byl u daného zařízení ověřován. V závislosti na polaritě regulační odchylky otáček byl zapínán či vypínán tranzistor pulsního měniče. Vzhledem k velké časové konstantě budicího vinutí, která je srovnatelná s mechanickou časovou konstantou, však docházelo k velkému kmitání otáček, a tento způsob se ukázal jako nepoužitelný.

S ohledem na to, že nebyly kladeny téměř žádné požadavky na dynamiku, byl použit lineární regulátor PI s dominantní integrační složkou. Perioda výpočtu tohoto regulátoru je, stejně jako perioda šířkově pulsní modulace pulsního měniče, 10 ms, což je vzhledem k velké časové konstantě budicího vinutí doba dostatečně krátká. Pro klidnější chod při přechodu mezi dvěma ustálenými stavy byla navíc dosazena rampa žádané hodnoty otáček.

Regulace se zapíná a vypíná z klávesnice řídicího terminálu. Na displeji se zobrazuje skutečná hodnota otáček a proudu budicí cívky dynamometru. Zároveň je možné z klávesnice řídicího terminálu nastavit žádanou hodnotu otáček po jednotkách otáček, minimální a maximální otáčky a hodnotu proudového omezení. Překročení jmenovaných mezních hodnot je indikováno signálkou. Pro případné zapojení zařízení do systému automatického měření je připraven analogový vstup pro žádanou hodnotu otáček, logický vstup pro rychlé blokování zařízení, logické výstupy kopírující stavy signálek, analogový výstup se skutečnou hodnotou otáček a sériová linka RS-232.

Rozsah regulace otáček je od 120 do 7 000 min^–1, rozsah měření otáček vyhodnocovaných z doby trvání jedné periody výstupního napětí tachogenerátoru je od 80 do 10 000 min^–1.

Blokové schéma regulátoru je na obr. 8.

Závěr
Vířivá brzda je zátěžné zařízení, které se vyznačuje jednoduchostí, snadným řízením, velkým rozsahem otáček a výkonu a relativně malými rozměry. Lze ji však využívat jen v brzdném režimu, což není na závadu při zkouškách spalovacích motorů. Nevýhodou je i nemožnost proměřování pohonných jednotek v dynamických stavech.

Popsaná jednotka regulátoru plní všechny potřebné funkce při měření v ustálených stavech. Ve srovnání s původní regulační jednotkou pracuje regulátor s třetinovým kolísáním střední hodnoty otáček, tj. s kolísáním maximálně ±10 min^–1.

Tato hodnota koresponduje s kolísáním okamžitých otáček, které se u spalovacího motoru běžně mění vlivem nerovnoměrného momentu rovněž v rozmezí ±10 min^–1.

Dynamika regulace dynamometru je malá, nastavená rampa žádané hodnoty otáček, která vstupuje do regulátoru, je 1 500 ot/min/min. To však není na závadu, neboť při proměřování spalovacího motoru v ustáleném stavu je vždy nutné, aby se po přechodném jevu poměry ve spalovacím motoru ustálily. Při pomalém přechodu spalovacího motoru mezi dvěma ustálenými stavy, který je dán rampou otáček regulátoru, nedochází k výrazným dynamickým jevům, po kterých by bylo nutné nechat před měřením spalovací motor určitou dobu ustálit.