background image

Podstawy napędu elektrycznego – wykład 
 
 
 
Prof. J. Szewczyk 
 
 
Zaliczenie: 5 pytań podzielonych na dwie części, trzeba odpowiedzieć na jeden temat z każdej 
części by zaliczyć (opisówka) 
 
Materiały: 
Internet, notatki z wykładu, każda książka która ma w tytule „napęd elektryczny’ 
 
Literatura polecona przez prowadzącego: 
Dotyczące klasycznego napędu; 
Bielawski: Podstawy napędu elektrycznego 1979r 
Praca zbiorowa pod redakcją prof. Grunwalda: Napęd elektryczny 
Dotyczące układów przekształtnikowych: 
Nowak, Barlik: Technika tyrystorowa 

A.

 

Czajkowski: Napęd tyrystorowy prądu stałego 

 

Wykład pierwszy 25.02.2010 

 

Silniki mogą być sprzężone z pompami, charakteryzują się prostymi układami zasilania dużą 
niezawodnością pracy. 
Napędy elektryczne pokazują cztery kwadranty układów współrzędnych. 
Budowane są w wieloraki sposób, maja różną obudowę przystosowaną do zadania które mają 
wykonywać. 
Mają stosunkową cicha pracę 
Nie wymagają konserwacji (asynchroniczne), jeżeli posiadają komutator należy jednak 
konserwować  
Wady: 
Trzeba ciągle dostarczać energię. Mają duże prędkości i dlatego niejednokrotnie trzeba 
stosować przekładnie. Nasycanie się obwodu wirnika sprawia że stosunek masy do 
wytworzonej mocy jest mały (lepiej zachowują się napędy pneumatyczne) 

 

Struktura układu napędowego 

 

 

background image

Silnik musi być połączony z maszyną przez tzw. sprzęgło, czasami należy zastosować 
przekładnie. Cały układ jest sterowany przez układ sterujący (najprostszym układem 
sterującym jest wyłącznik). Całość jest zasilana z sieci. Układem zasilającym może być 
np przekształtnik. Układ taki może pracować w systemie otwartym bądź w układzie 
zamkniętym. 
 
Równanie ruchu układu napędowego – wyprowadzenie (ważne) 
 
W pracy układu możemy rozróżnić dwa stany: 
- ustalony (statyczny) – prędkość kontowa jest stała 
- nieustalony (dynamiczny, przejściowy) – zmiana prędkości po czasie jest różna od zera  
 
 

 = const  = 

dt

d

 = 0     – prędkość dla stanu statycznego 

ν

 = const = 

dt

dV

 = 0 

 

 = var = 

0

dt

d

   - prędkość dla stanu dynamicznego 

ν

 = var = 

0

dt

dV

 

 
 

op

n

d

M

M

M

=

 

 
Md – moment dynamiczny 
Mn – moment napędowy silnika 
Mop – moment opory stanowiony przez maszynę, składa się z dwóch części: samej maszyny i 
momentu strat 
 
Energia kinetyczna ruchu obrotowego jest równa: 
 

2

2

v

j

E

k

=

 

j – moment bezwładności 
 

2

2

v

m

E

k

=

 

Energia kinetyczna zależy od momentu bezwładności oraz od kwadratu prędkości 
Moment bezwładności dla konkretnej bryły ma wartość stałą i jest to podane w katalogu. 
Jeżeli różniczkujemy energię kinetyczną po czasie to otrzymujemy: 
 

dt

dj

dt

d

j

j

dt

d

dt

dE

k

2

)

2

(

2

2

+

=

=

 

 
Zmiana energii kinetycznej po czasie określa moc. 
 

background image

dt

dj

dt

d

j

P

d

2

2

+

=

 

 
Wychodząc z wzoru ze moment jest to moc przez prędkość: 
 

=

P

M

 

Uzyskujemy wyrażenie że moment jest równy: 
 

dt

dj

dt

d

j

M

d

2

+

=

 

 
W zdecydowanej większości urządzeń moment dynamiczny jest stały ale są urządzenia w 
których moment bezwładności się zmienia (np. wirówka) 
 
Ponieważ w większości urządzeń w których moment bezwładności jest stały dla dalszych 
rozważań ustalamy że: 
 
j = const 
 
I dlatego moment dynamiczny: 
 

dt

d

j

M

M

M

op

n

d

=

=

  - równanie dynamiczne napędu 

 
Mn- moment napędowy (silnika) – może być momentem napędowym jak i hamującym 
 
Moment wytworzony przez silnik którego znak jest zgodny z kierunkiem prędkości będziemy 
nazywali momentem napędowym i oznaczali znakiem „+” 
Moment napędowy którego znak jest przeciwny do kierunku prędkości będziemy nazywali 
momentem hamującym i oznaczali znakiem „-„ 
 
Moment oporowy – jest to moment jakim maszyna robocza przeciwdziała momentowi 
napędowemu (nieraz nazywany momentem statycznym) 
Istnieją dwa rodzaje momentów oporowych: 
- moment oporowy relaksacyjny (oznaczany symbolem 

opr

M

) – jest to moment skierowany 

zawsze przeciwnie do kierunku ruchu, przykładem jest tarcie 
- moment oporowy potencjalny (czynny; oznaczany symbolem 

opp

M

) – jest on skierowany w 

określonym kierunku niezależnie od kierunku prędkości, przykładem jest moment sił 
grawitacyjnych 
 

background image

 

 
 

 

 
W ogólnym przypadku momenty opisane są funkcją, liniową itd. 
Najczęściej spotykanymi rodzajami momentów oporowych w funkcji prędkości są: 
- moment oporowy o stałej wartości (1) 
 
 

 

background image

Mop = const 
Mają mechanizmy jezdne (np. taśmociąg) 
 
- moment zależny liniowo od prędkości (2) 
 

 

=

k

M

op

 

Mają maszyny do obróbki metali 
 
- moment zależny od prędkości w potędze (najczęściej spotykany to kwadrat) (3) 
 

 

2

1

=

k

M

op

 

Występuje w wentylatorach – dlatego mówi się moment wentylatorowy 
 
- moment hiperboliczny (4) 
 

 

background image

=

2

k

M

op

 

Występuje w maszynach do nawijania, przewijania (taśmy, drutu, papieru) 
 
W praktyce nie ma idealnie i dlatego należy pamiętać o stratach więc wszystkie krzywe  są 
przeniesione o jakąś wartość (trzeba liczyć się np. z dodatkowym tarciem) 
 

 

Przeliczenie momentu oporowego do prędkości silnika (przeliczenie momentu na wał silnika) 
 

 

 
Przy doborze silnika będzie nas interesowało jak dobrać moment by zniwelować moment 
oporowy. Wychodzimy z założenia że moc dostarczona jest równa pracy odebranej. 
 

i

M

M

M

M

M

opm

m

s

opm

opz

m

opm

s

opz

=

=

=

 

i

m

s

=

  - przełożenie przekładni 

 

background image

Zakłada się że w przekładni nie ma strat ale można je zaobserwować z wykresu sprawności 
przekładni (wykres z poradnika mechanika) 
 

 

Przy podnoszeniu nasz moment oporowy zastępczy wynosi: 
 

η

i

M

M

opm

opz

=

 

Przy opuszczaniu przekładnia nam pomaga i ten moment jest mniejszy: 
 

η

i

M

M

opm

opz

=

 

Straty przy podnoszeniu: 
 

)

1

1

(

1

=

=

=

=

η

η

η

η

i

M

i

M

i

M

i

M

M

M

M

opm

op

opm

opm

opz

opz

 

 

   Z uwzględnieniem         bez uwzględnienia 
     Sprawności                    sprawności 
 
Przy opuszczaniu: 
 
 
 
 

background image

 

 
 
 
 
 

Φ

+

=

c

R

R

I

U

d

t

t

)

(

 

 

 
 
Hamowanie odzyskowe –odbywa się przy pomocy prędkości większej niż prędkość biegu 
jałowego. 
 

background image

 

 
Możliwe jest także oddawanie energii do sieci przy momencie oporowym reakcyjnym 
 

 

 
 
Sterowanie prędkości silników obcowzbudnych prądu stałego (sterowanie, bo układ otwarty / 
Reg – układ zamknięty) 
 

background image

 

 

 

 
Def. 
Zakresem regulacji prędkości nazywany stosunek prędkości maksymalnej do prędkości 
minimalnej (lub odwrotnie). Obydwie te prędkości dotycza znamionowego obciążenia i 
określonej przeciążalności m (momentem lub prądem). Winny być osiągnięte bez 
przekroczenia dopuszczalnego ze względów technologicznych lub założonego względnego 
spadku prędkości przy przejściu od biegu jałowego do obciążenia znamionowego. 
 
 

1

:

'

1

:

max

min

min

max

x

x

=

=

=

=

ς

ς

 

 
m – przeciążalność  
 

N

M

M

m

=

 

 

background image

Ograniczenia:  

1) górna wartość prędkości (zależy od wytrzymałości mechanicznej silnika) 
2) zależy chłodzenia (nagrzewania) 
 

- przewietrzenia własne 

 

- przewietrzenie innym silnikiem 

3) ze względu na prawidłową komutację 
 

 

Sterowanie prędkością: 
 

 

 

 

 

max – wynika z charakterystyki naturalnej 

min- wynika z narzuconej przeciążalności  

 
Zakres regulacji jest niewielki rzedu 2:1 do 3:1 

background image

Cechy: 
- regulacja związana z dużymi stratami na R  
- stosuje się dla silników o niewielkiej mocy bądź silników w których niska prędkość jest 
rzadko wykorzystywana  
- regulacja przy stałym momencie i zmiennej mocy 
 

R

dost

N

P

P

P

P

P

P

M

P

I

c

M

+

+

=

=

=

=

η

φ

 

 
Sprawność spada wraz ze zmniejszeniem mocy 
 
U = var 
Φ

 = const 

φ

φ

c

R

I

c

U

const

R

R

t

t

t

=

=

=

 

 
 
Cechy charakterystyczne regulacji: 
- tylko ”w dół”: 
 

- górna granica charakterystyka naturalna 

 

- dolna wynika na wytrzymałość dielektryczną izolacji 

- ze względu na wytrzymałość dielektryczna izolacji nie zwiększamy napięcia zasilającego 
silnika (po za znamionowe) 
- największy zakres regulacji z tych trzech metod od 5:1 do 10:1 
- regulacja bez żadnych strat dodatkowych 
 
 
 
 
 
 

background image

Układ: 
 

  

 
Jest to regulacja przy stałym momencie i zmiennej mocy 
 

P

P

P

P

P

M

P

I

c

M

dost

N

N

+

=

=

=

=

η

φ

 

 

 

 
 
Sprawność nieco spada przy obniżaniu prędkości 
 

background image

Φ

 = var   - sterowanie przez zmianę strumienia wzbudzenia 

 

=

=

=

=

=

const

R

const

U

c

R

M

c

U

c

R

I

c

U

t

t

t

var

)

(

2

φ

φ

φ

φ

φ

 

 

 

 
Nie powinny zwiększać strumienia. 
  
Jest to nieopłacalne ze względu na mały wzrost strumienia przy …… 
 

 

 
 

background image

Cechy regulacji: 
- tylko w „górę”  
- ze względu na nasycanie się obwodu magnetycznego nie stosujemy zwiększenia strumienia 
magnetycznego 
- Ω max wynika z wytrzymałości mechanicznej silnika (najczęściej) 
- nie należy zmieniać Φ zbyt mocno (do 0,5Φn co najwyżej) 
 

t

t

t

t

R

U

I

c

R

I

c

U

=

=

=

0

φ

φ

 

 

 
W miarę zmniejszania strumienia charakterystyki są coraz mniej sztywne przy czym w 
zakresie obciążeń można je traktować jako równoległe. 
 
Jest to regulacja bez strat dodatkowych. 
 

const

miedzi

w

straty

e

mechaniczn

straty

=

_

_

_

 

Bo jest to regulacja przy stałym momencie. 
 

r

t

N

N

I

c

R

U

c

M

UI

P

I

c

M

φ

φ

φ

=

=

=

=

1

 

background image

 

 

 

- praktyczne zastosowanie metod sterowania prędkości: 
 

- Układ Leonarda