Serwonapędy w automatyce i robotyce -...

Serwonapędy w automatyce i robotyceSerwonapędy w automatyce i robotyceSerwonapędy w automatyce i robotyceSerwonapędy w automatyce i robotyce

Wykład 5

Piotr SauerKatedra Sterowania i Inżynierii Systemów

Prądnica prądu stałego Prądnica prądu stałego –– zasada działaniazasada działania

αsinBlve = αsinBlve =



Zwiększenie liczby wycinków komutatora – przebieg napięcia odbieranego z prądnicy jest bardziej równomierny.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– zasada działaniazasada działania

Moment napędowy –powstaje na skutek oddziaływania powstaje na skutek oddziaływania między zewnętrznym polem mag., a polem powstającym wokół przewodnika przez który płynie prąd.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– zasada działaniazasada działania

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego -- budowa budowa

• Stojan - najczęściej jest magneśnicą – wytwarza pole magnetyczne

• jarzmo (2),• jarzmo (2),• bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3),• bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5),• tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego -- budowabudowa

• Wirnik – najczęściej jest twornikiem (1)• rdzeń (pakietu blach),• uzwojenie twornika (8),• komutator (9).

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego -- budowa budowa

Komutator – osadzony na wale wirnika – wiele wycinków Miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście. Miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście. Izolator między wycinkami - mikanit

1 – wycinek komutatora,2 – pierścień dociskowy,3 – kołnierz izolacyjny,4 – piasta.


Pole magnetyczne silnika – elektromagnesy zasilane prądem stałym – prąd wzbudzenia.

Wielkości opisujące maszynę prądu stałego:: Wielkości opisujące maszynę prądu stałego::

Prąd wzbudzenia - If,

Prąd twornika - Ia,

Prąd obciąŜenia - I (oddawany lub pobierany z sieci),

Napięcie twornika - U,

Rezystancja obwodu twornika - Ra,Rezystancja obwodu twornika - a,

Rezystancja obwodu wzbudzenia - Rf,

Siła elektromotoryczna indukowana w tworniku - E,

Prędkość wirowania wirnika – n,

Moment elektrodynamiczny - M

Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10


Uzwojenie biegunów głównych – uzwojenie wzbudzające – główne pole magnetyczne w maszynie.

D1, D2 - szeregowe; E1, E2 - bocznikowe; D1, D2 - szeregowe; E1, E2 - bocznikowe;

F1, F2 - obcowzbudne

Uzwojenie twornika – umieszczone na wirniku

A1, A2

Uzwojenia pomocnicze

Uzwojenie biegunów komutacyjnych – poprawa warunków pracy maszyny.pracy maszyny.

B1, B2

Uzwojenia kompensacyjne

C1, C2


Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– obwód magnetycznyobwód magnetyczny

Strumień magnetyczny – wytworzony przez uzwojenie wzbudzenia, zasilane prądem stałym.IN=Θ stałym.

Wartość przepływu wzbudzającego –- wartości wymaganego strumienia,- permeancji obwodu magnetycznego

IN=Θ


Przepływ – siła magnetomotoryczna– suma spadków napięcia magnetycznego w poszczególnych częściach obwoduczęściach obwodu

• jarzmo stojana – Hjl j,• bieguny – 2Hmlm,• szczelina powietrzna – 2Hδδ,• zęby twornika – 2Hzlz,

• jarzmo twornika – Htl t.

NI

lHlHHlHlH

f

ttzzmmjj

2

222

=Θ

++++=Θ δδ


NatęŜenie pola magnetycznego

Przenikalność powietrza jest stała, porównywalna z

HB µ=

Przenikalność powietrza jest stała, porównywalna z przenikalnością próŜni

Strumień

SB

BH

Φ== − ,104 7π

δδ

ΦΦ= mσ


Φ÷=ΦΦ+Φ=Φ

)25.125.1(m

rm

Φ

Współczynnik rozproszenia

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– SEMSEM

1. W stanie idealnego biegu jałowego (Ia=0, E=U)

2. Jeżeli płynie prąd Ia:RRRRR +++= szpkaac RRRRR +++=

aacIREU −=• jeżeli maszyna pracuje jako prądnica

• jeżeli maszyna pracuje jako silnik

aacEaac IRncIREU +Φ=+=

3. Moment działający na wirnik

Φ= aM IcM

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– wpływ twornikawpływ twornika

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego -- charakterystykicharakterystyki

• Charakterystyka mechaniczna

n = f(I), n = f(M), U = const, Rf = const

• Charakterystyka momentu

M = f(I), U = const, Rf = const

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– układy połączeńukłady połączeń

Maszyna obcowzbudna,Maszyna samowzbudna:

• bocznikowe,• bocznikowe,• szeregowe,• szeregowo-bocznikowe.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– silnik bocznikowysilnik bocznikowy

Silnik bocznikowy i obcowzbudny

Silnik obcowzbudny stosowany w układach napędowych z przekształtnikami tyrystorowymi.


Charakterystyka mechanicznasilnika bocznikowego (przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika).

aE

ac

E

Ic

R

c

Un

Φ−

Φ=

N

N

n

nnn

−= 0δ

Zmienność prędkości3-8% (2-5%)


Charakterystyka momentu silnika bocznikowego (przypominięciu wpływu oddziaływania twornika).

aaM IcIcM 1≈Φ=

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– silnik szeregowysilnik szeregowy

Strumień zależy od prądu obciążenia (przy zmianie obciążenia zmienia się strumień – wzrostowi momentu obciążenia odpowiada wzrost prądu obciążenia i wzrost strumienia zgodnie z charakterystyką magnesowania obwodu magnetycznego.


Charakterystyka momentu

Przy małym nasyceniu obwodu:Przy małym nasyceniu obwodu:

cI=Φ 2cIcIcM MM =Φ=


Charakterystyka mechaniczna

BARUIRU

n acac −=−=−= BI

A

cc

R

cIc

U

cIc

IRUn

E

ac

EE

ac −=−=−=

przy założeniu liniowej zależności strumienia od prądu

2cIM = BM

An −= 1


Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniachmoże doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na może doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na przekroczenie jego wytrzymałości mechanicznej

Silnik szeregowy nie może pracować w stanie jałowym i musi być połączony z maszyną roboczą za pomocą

sprzęgła lub przekładni zębatej

Zaleta – duży moment rozwijany podczas rozruchu

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– silnik szeregowosilnik szeregowo--bocznikowybocznikowy

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– schemat zastępschemat zastępczyczy

,

=++=

=++=

Mobc

E

IKMDdt

dJM

KEERIdt

dILU

ωω

ω

)1(

1

)(

)()(

,,)1)(1(

1

)(

)()(

+==

==++

==

mEM

eME

memE

sTsKsU

ssG

R

LT

KK

RJT

sTsTKsU

ssG

α

ω

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego -- rozruchrozruch

W chwili rozruchu prędkość obrotowa wirnika = 0, E =0, równanie napięcia dla silnika ma postać:

racIRU =

Prąd rozruchowy pobierany przez silnik:

Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od

racIRU =

acr R

UI =

Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od prądu znamionowego.

acR

EUI

−=


Prąd rozruchowy można ograniczyć przez:

• zmniejszenie napięcia zasilającego,• włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika • włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika • o rezystancji Rar

W przypadku silnika bocznikowego – obwód wzbudzenia w czasie rozruchu musi być zasilany całym napięciem

aracr RR

UI

+=

w czasie rozruchu musi być zasilany całym napięciem (musi być włączony przed rozrusznikiem).

Rozrusznik jest opornikiem kilkustopniowym dostosowanym do pracy krótkotrwałej.



Dla silnika prądu stałego dobierz rezystancję włączoną na czas rozruchu, tak aby prąd rozruchowy nie przekroczył 2I . Rezystancja obwodu twornika tego silnika R =0,3Ω.2IN. Rezystancja obwodu twornika tego silnika Rac=0,3Ω.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– regulacja prędkościregulacja prędkościobrotowejobrotowej

Prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika Rar

Na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ:

( )Φ+−=

c

IRRUn aarac

• napięcie U,• rezystancja Rar,• strumień magnetyczny Φ.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– regulacja prędkościregulacja prędkościobrotowejobrotowej

Prędkość obrotową można regulować:

• przez zmianę napięcia zasilania twornika U,• przez zmianę napięcia zasilania twornika U,• przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika Rar, • przez zmianę strumienia Φ

Wykorzystywane w praktyce, a różnią się pod względem:

• zakresu regulacji,• zakresu regulacji,• kierunku regulacji (góra, dół),• ekonomicznym

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– regulacja szeregowaregulacja szeregowa

Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji regulacyjnej Rar w szereg z obwodem twornika (silniki bocznikowe i szeregowe).

W tym przypadku mamy możliwość regulacji w dół – poniżej W tym przypadku mamy możliwość regulacji w dół – poniżej prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce naturalnej (od prędkości znamionowej do zera).

Regulacja nieekonomiczna – straty na rezystorze regulacyjnym.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– regulacja bocznikowregulacja bocznikowaa

Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia strumienia magnetycznego.

• w silnikach bocznikowych – rezystancja regulacyjna Rfr

jest włączona w szereg w obwód wzbudzenia,• w silniku szeregowym – rezystancja Rfr jest włączona

równolegle z obwodem wzbudzenia.

Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości nN do 3nN, jest regulacją ekonomiczną.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– regulacja bocznikowa regulacja bocznikowa

Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia, Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia, nie należy nadmiernie osłabiać pola magnetycznego oraz powodować zaniku prądu w obwodzie wzbudzenia silnika.

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego –– regulacja przez zmianę napięcia regulacja przez zmianę napięcia zasilania.zasilania.

Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika można uzyskać przez zastosowanie tyrystorowych regulatorów napięcia.tyrystorowych regulatorów napięcia.

Zmieniając napięcie zasilające twornik można przy znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do wartości większej od prędkości znamionowej – w całym zakresie regulacji prąd twornika nie zmienia wartości i zależy tylko od obciążenia.

Silnik prądu stałego z magnesami trwałymiSilnik prądu stałego z magnesami trwałymi

Pole magnetyczne – magnesy trwałe

Stosowane materiały magnetyczne: Stosowane materiały magnetyczne:

• materiały proszkowe z ferrytów baru,• magnesy lane ze stopów alnico.

Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi

Kubkowy silnik prądu stałego

1 – wirnik kubkowy,1 – wirnik kubkowy,2 – magnes trwały stojana,3 – rdzeń ferromagnetyczny,4 – obudowa.


Silnik tarczowy (wirnikiem drukowanym).

Całe uzwojenie – szereg pojedynczych zwojów –ścieżki miedziane naniesione na przeciwne strony tarczy i zespawane na zewnętrznym obwodzie tarczy, a przeciwne zakończenia ścieżek doprowadzone są do komutatora.


Silnik prądu stałego z biegunami trwałymi Silnik prądu stałego z biegunami trwałymi

Zalety silnika tarczowego:

• bardzo mały moment bezwładności wirnika, małe • bardzo mały moment bezwładności wirnika, małe mechaniczne stałe czasowe wynoszące 3-10ms –zwiększenie częstotliwości włączeń i zmian kierunku wirowania

• znacznie korzystniejszy przebieg komutacji niż w silniku tradycyjnym

• prostoliniowa charakterystyka mechaniczna,• stały moment w całym zakresie prędkości,• stały moment w całym zakresie prędkości,• duży zakres prędkości obrotowej 1-3000 obr/min,• możliwość uzyskania idealnie liniowej zależności SEM od

prędkości,• małe wymiary


Wady silnika tarczowego:

• duży koszt wytworzenia,• duży koszt wytworzenia,• mniejsza trwałość przy większych mocach.

Zastosowanie:

• silniki wykonawcze w układach sterowania i automatyki – sterowanie obrabiarekautomatyki – sterowanie obrabiarek• w zgrzewarkach,• pojazdach mechanicznych,• urządzeniach radiolokacyjnych.

ZagadnieniaZagadnienia

1. Z jakich podstawowych elementów zbudowany jest silnik DC?

2. Który element najczęściej spełnia rolę twornika, a który magneśnicy?który magneśnicy?

3. Czy jarzmo mogłoby być wykonane z aluminium?

4. Co to jest prąd wzbudzenia, prąd twornika i prąd obciąŜenia?

5. Jak moŜe być wzbudzona maszyna DC?

6. Podaj zasady literowego oznaczania końcówek uzwojeń w maszynie.Podaj zasady literowego oznaczania końcówek uzwojeń w maszynie.

7. Od jakich maszyn pochodzą przedstawione tabliczki zaciskowe?



8. Czy silnik DC moŜe nie mieć uzwojenia wzbudzającego?

9. Jakie skutki wywołuje oddziaływanie twornika?

10. Kiedy nie występuje oddziaływanie twornika?10. Kiedy nie występuje oddziaływanie twornika?

11. Jakie znasz silniki prądu stałego?

12. Jakie charakterystyki opisują pracę silnika DC?

13. Który ze schematów przedstawia układ połączeń silnika bocznikowego?

14. Która zaleŜność jest prawdziwa dla silnika 14. Która zaleŜność jest prawdziwa dla silnika szeregowego?

a) I=Ia+Ifb) I=Ia-Ifc) I=Ia=If



15. Która zaleŜność jest prawdziwa dla silnika bocznikowego?

a) I=Ia+If

b) I=Ia-Ifb) I=Ia-Ifc) I=Ia=If

16. Który z silników DC rozwija największy moment w chwili rozruchu?

a) szeregowy,

b) szeregowo-bocznikowy,

c) bocznikowy.

17. Który z wymienionych silników DC ma najmniejszą zmienność prędkości?

a) szeregowy, b) bocznikowy, c) obcowzbudny



18. Który ze sposobów regulacji prędkości pozwala regulować prędkość „w górę”?

19. Który ze sposobów regulacji prędkości pozwala regulować prędkość „w dół”?regulować prędkość „w dół”?

20. Która regulacja jest regulacją najbardziej ekonomiczną?

21. Jaki zakres regulacji prędkości obrotowej jest moŜliwy do uzyskania w silnikach prądu stałego?

22. Który ze sposobów regulacji moŜe doprowadzić do rozbiegania się silnika?

Dlaczego obwodu wzbudzenia silnika bocznikowego i 23. Dlaczego obwodu wzbudzenia silnika bocznikowego i obcowzbudnego nie wolno rozwierać?

24. Ile biegunów i wycinków komutatora ma przedstawiony silnik z magnesami trwałymi?


Serwonapędy w automatyce i robotyce -...

Documents

Transcript of Serwonapędy w automatyce i robotyce -...