plik

Silniki elektryczne

–

wiadomości ogólne

Silnik elektryczny to maszyna przetwarzająca energię elektryczną
na energię mechaniczną, zwykle w postaci ruchu obrotowego.
Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku
oddziaływania pola magnetycznego i prądu elektrycznego. Silnik
elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma
parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem
twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się silnik
elektryczny prądu stałego oraz silniki elektryczny prądu
przemiennego.

Silnik prądu stałego ma na osi wirnika pierścień złożony z
izolowanych działek (tzw. komutator) łączonych z zaciskami uzwojeń
twornika; po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd
nieruchomo osadzone szczotki dociskane do powierzchni komutatora;
Szeregowe: prędkość obrotowa zmniejsza się wraz ze wzrostem
obciążenia. Są stosowane w trakcji elektrycznej i dźwignicach;
równoległe: prędkość obrotowa jest niezależna od obciążenia. Są
stosowane np. do napędzania obrabiarek; szeregowo-równoległe
są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i
dużych momentach obrotowych.

Silnik prądu przemiennego
Asynchroniczne; dzielą się na 1- i 3-fazowe, a zależnie od zasady
działania na indukcyjne, synchroniczne i komutatorowe. Silniki
indukcyjne (asynchroniczne) są najbardziej rozpowszechnione .
Najtańsze i najczęściej stosowane są odznaczające się najprostszą
budową silniki indukcyjne klatkowe (zwarte); Synchroniczne różnią
się od silników elektrycznych indukcyjnych budową wirnika, który jest
wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze
wzbudnicy osadzonej na wale wirnika; liczba biegunów
elektromagnesów odpowiada liczbie biegunów pola wirującego
stojana; ponieważ moment obrotowy jest wynikiem wzajemnego
oddziaływania na siebie biegunów magnetycznych elektromagnesów i
pola wirującego, obroty wirnika są synchroniczne z obrotami pola i
mają stałą prędkość. Stosowane są do napędzania maszyn
szybkoobrotowych o stałej prędkości obrotowej, np. sprężarek.
Komutatorowe (szeregowe i równoległe) mają wirnik z komutatorem,
do którego doprowadza się prąd przemienny za pomocą szczotek.
Elektryczne uniwersalne, które mogą być zasilane prądem stałym
lub przemiennym; stosowane do napędzania sprzętu gospodarstwa
domowego, maszyn biurowych itp. Silnik liniowy, przetwarza energię
elektryczną bezpośrednio na energię ruchu postępowego; składa się
z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika, lecz
rozwiniętymi w linię prostą.

I. Silniki skokowe (inaczej krokowe)
Silnik krokowy przekształca impulsy elektryczne w dyskretne ruchy
mechaniczne. Oś silnika obraca się o niewielkie przyrosty kąta pod
wpływem impulsów elektrycznych, podawanych w odpowiedniej
kolejności. Obroty silnika są związane bezpośrednio z podawanymi
impulsami na kilka sposobów. Kierunek obrotów osi jest ściśle
związany z sekwencją podawanych impulsów, prędkość obrotów
zależy od częstotliwości tych impulsów, a kąt obrotu - od ich ilości.
Częste zastosowanie silników krokowych można zaobserwować w
automatyce przemysłowej.

rodzaje silników krokowych:

-Silnik reluktancyjny składa się z

rotora o wielu zębach wykonanego z miękkiej stali i uzwojonego
stojana. Kiedy uzwojenia stojana są zasilane prądem stałym, bieguny
namagnesowują się. Ruch pojawia się na skutek przyciągania zębów
rotora przez zasilane bieguny stojana.
Linie pola magnetycznego wykazują dążenie do zamknięcia się w
obwodzie o najmniejszej reluktancji. W ten sposób powstaje moment
obrotowy, który dąży do ustawienia wirnika w położeniu q = 0.

Strumień w obwodzie magnetycznym opisany jest wzorem
kąt_fi=I

/ R

i jest funkcją przepływu I

oraz reluktancji

Zasada działania silnika skokowego o wirniku reluktancyjnym
Na rysunku wyżej  są trzy takty pracy tego silnika. Kiedy prąd pojawi
się w paśmie 1-1, wirnik zajmie położenie pokazane w A) Gdy w
następnej chwili nastąpi jednoczesne zasilenie pasm 1-1 i 2-2,
wówczas wirnik zajmie położenie odpowiadające największej
permeancji dla strumienia wytworzonego przez przepływy obu
uzwojeń.  Następnie  w  paśmie  1-1  nie  ma  już  prądu  i  wirnik
znajduje  się  w  położeniu  pokazanym  na
C) Komutacja silnika przebieg w następującej kolejności :

-SILNIK o magnesach trwałych ( czynny ) - silnik skokowy o wirniku
wytwarzającym strumień magnetyczny i o stojanie z uzwojeniem
sterującym.

Wirnik  silnika  stanowią  magnesy  trwałe . Na stojanie znajdują się
bieguny wydatne, na których umieszczone są pasma uzwojenia 1-1  i
2-2. Do pasm 1-1  i 2-2 uzwojenia sterującego podawane są
impulsy . Pod wpływem wytworzonego momentu  synchronizującego
po każdym  impulsie wirnik obraca  się o kąt  skoku. Wytworzenie
momentu  synchronizującego  odbywa  się  na  podobnej  zasadzie
jak  w  zwyczajnym silniku  synchronicznym. Tak więc  kolejność
przełączania  ( komutacji  ) pasm 1-1  i 2-2 uzwojenia  sterującego
przedstawia wykres przebiegu napięć pasmowych w  funkcji czasu.
Każdemu  impulsowi odpowiada określone położenie wirnika silnika:
położenie A) odpowiada pierwszemu impulsowi, położenie B) –
drugiemu, C) – trzeciemu impulsowi napięciowemu.

Silnik hybrydowy-to najczęściej połączenie silnika spalinowego i
elektrycznego. Silnik elektryczny może być prądnicą i ładować
akumulatory lub kondensator w wyniku napędzania silnikiem
spalinowym lub w wyniku hamowania silnikiem.
Zasada działania:

Magnes  trwały  umieszczony  na wirniku  lub  stojanie wytwarza
jednako-  biegunowy  strumień magnetyczny, który zamyka  się w
obwodzie magnetycznym:  stojan  –  szczelina powietrzna – wirnik. Po
zasileniu uzwojenia stojana  impulsem  sterującym, wzbudzony
strumień magnetyczny pod  jednym biegunem  stojana dodaje  się do
strumienia magnesów  trwałych, pod drugim zaś – odejmuje się.
Wirnik zostaje wprawiony w ruch  tak, by osie zębów  stojana  i
wirnika bieguna o  strumieniu wzmacniającym pole magnetyczne
pokryły  się. Silnik wykonał jeden skok. Bieguny stojana są
wzbudzane w pożądanej kolejności, by na tej samej zasadzie
zrealizować kolejne przemieszczenia skokowe.

Schemat blokowy silnika skokowego:

Stany pracy silnika skokowego
W stanie statycznym, w uzwojeniach silnika skokowego występuje
prąd stały, wytwarzając nieruchome pole magnetyczne. Na wirnik
działa moment synchronizujący, który dąży do przywrócenia
początkowego położenia równowagi, naruszonego po zadziałaniu
momentu z zewnątrz.
Stan  quasistatyczny  występuje  przy  odpracowaniu  pojedynczych
skoków; wirnik przed wykonaniem  każdego  skoku powinien osiągnąć
położenie nieruchome. Silnik przechodzi z jednego położenia
ustalonego w drugie.
W stanie ustalonym ( przy pracy kinematycznej ) silnik pracuje ze
stałą częstotliwością impulsów sterujących, która jest większa od
częstotliwości przy pracy quasistatycznej.
Stan dynamiczny  jest zasadniczym  stanem pracy  silnika
skokowego. Stan  ten zawiera:  rozruch, hamowanie, nawrot,
przejście od jednej częstotliwości do drugiej.

Sterowanie silników skokowych
Komutacja symetryczna i niesymetryczna silnika skokowego
Silnik  skokowy przetwarza  ciąg  sterujących  impulsów
elektrycznych na  ciąg kątowych przemieszczeń wału wokół jego osi.
Jest to więc silnik o działaniu dyskretnym.  Silnik  skokowy  nie może
pracować bez  elektronicznego układu sterowania. Pojęcie  małej,
średniej,  czy  dużej  częstotliwości  pracy  silnika  skokowego  wynika
z charakterystycznych rodzajów jego pracy.  Prędkość obrotowa (min-
1) szybkiego silnika skokowego może być obliczona ze wzoru:
n=60/360 alfa*f gdzie:  alfa – wartość skoku;  f – częstotliwość pracy
silnika, równa liczbie impulsów na sekundę.

Komutacja symetryczna silnika skokowego rys. 1.12

Komutacja niesymetryczna silnika skokowego rys.1.13

W celu uproszczenia rysunków na każdym z nich pokazano tylko to
pasmo uzwojenia,  które  w  danej  chwili  jest  zasilane  impulsem
prądowym.   Jak widać z rysunku 1.12 kąt skoku wynosi 90. Ten
sam  silnik,  zasilany  impulsami  według  sekwencji  przedstawionej
na  rysunku  1.13a,  wykonuje  pracę  półskokową. W położeniach
przedstawionych na  rysunku 1.13c,e,  impulsy prądowe  są
jednocześnie podawane na wszystkie pasma uzwojenia  i w
rezultacie działania wytworzonego pola magnetycznego wirnik
zatrzymuje się w położeniu pośrednim, po przemieszczeniu o kąt
skoku wynoszący 45. Tego rodzaju komutację nazwano
niesymetryczną.  Przez  odpowiednie  zaprojektowanie  układu
sterowania  można  również  uzyskać  pracę  miniskokową,
polegającą na tym, że silnik wykonuje w granicach jednego skoku
bazowego pewną liczbę miniskoków o bardzo małej wartości ( rzędu
setnych, a nawet tysięcznych części stopnia ).

Rys.1.14. Sterowanie silników skokowych a) bipolarne, b) unipolarne
Zaletą sterowania bipolarnego jest dobre wykorzystanie momentu
obrotowego dzięki temu, że całe uzwojenie jest w  stanie  prądowym
po  otrzymaniu  impulsu. Wadą  jest  to,  że  zapewnienie
przeciwnego  zwrotu  prądu w uzwojeniu  wymaga  aż  ośmiu
tranzystorów  w  sterowniku  silnika,  przez  co  cały  układ  staje  się
bardziej kosztowny.  Zaletą  wariantu  unipolarnego  jest  prostszy
układ  połączeń  i mniejsza  liczba  tranzystorów, wadą  zaś  to,  że
jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza
się moment obrotowy o pełnej wartości. W  reluktancyjnych  stosuje
się  sterowanie  unipolarne.  W  przeciwieństwie  do silników
hybrydowych  czy  też  klasycznych  z  magnesami  jego  uzwojenia
są  połączone  w  gwiazdę.  Wykorzystywane jest całe uzwojenie
silnika a nie jego połowa. Inną korzyścią wynikającą ze sterowania
bipolarnego lub unipolarnego jest możliwość zmniejszania wartości
skoku  silnika.  Przez  odpowiednie  przełączenie  uzyskuje  się
pracę:  pełnoskokową,  półskokową  lub ćwierćskokową.
Aby otrzymać pracę pełnoskokową przyłącza  się na przemian
dodatnie  i ujemne  impulsy prądowe do pasm dwupasmowego silnika
skokowego, sterowanego bipolarnie. Pełny obrót wirnika składa się z
czterech skoków.

Rys.1.15. Sterowanie bipolarne przy pracy pełnokrokowej silnika
skokowego

Współrzędna A oznacza prąd dodatni, natomiast A’ ujemny w pasmie
A. To samo dotyczy współrzędnych B-B’ w pasmie B. Wektory na
wykresie wskazują położenia wirnika przy pracy pełnoskokowej.  W
położeniu 1 pasmo A jest zasilane prądem dodatnim, B zaś ujemnym.
W następnym skoku ( położenie 2 na wykresie wektorowym  ) w obu
pasmach występuje prąd dodatni  (A+B). Kiedy pasmo A  jest zasilane
prądem ujemnym,  pasmo  2  zaś  dodatnim    (A’+B),  wtedy  wirnik
przemieszcza  się  ponownie  o  kąt  90,  osiągając położenie 3. W
czwartym  skoku oba uzwojenia  są  zasilane prądami ujemnymi
(A’+B’)  i wówczas  sekwencja
powtarza  się. Rysunek 1.15b. pokazuje  sposób  zasilania  impulsami
pasm dwupasmowego  silnika  skokowego, sterowanego bipolarnie,
przy pracy pełnoskokowej.
W  odróżnieniu  od  pracy  pełnoskokowej,  kiedy  oba  uzwojenia  są
zasilane,  przy  pracy  półskokowej  (1/2 skokowej ) jedno z uzwojeń
znajduje się w stanie bezprądowym co drugi skok (rysunek 1.16b). To
powoduje, że silnik wykonuje ruch tylko o pół skoku, jak to wynika z
wykresu wektorowego na rysunku 1.16a. W położeniach 2,4,6 i 8 tylko
jedno pasmo jest zasilane. Jeden pełny obrót wirnika przy pracy
półskokowej składa się z ośmiu skoków,  tj.  dwukrotnie więcej  aniżeli
przy  pracy  pełnoskokowej. Oczywiście wartość  skoku  zmniejsza
się  o połowę i wynosi 45.

rys. 116 sterowanie przy pracy

półskokowej
Wibracje  i  rezonans,  które  pojawiają  się  przy  przyspieszaniu,
opóźnianiu  lub  zatrzymywaniu  silnika,  są znacznie ograniczone
przy pracy półskokowej.  Wadą  tego  sposobu  sterowania  jest  nieco
mniejszy  moment  statyczny,  występujący  co  drugi  skok,  gdyż
wówczas  tylko  jedno  pasmo  jest  wzbudzane.  Wyrażono  to  na
wykresie  wektorowym  (rysunek  1.16a) przedstawiając wektory A, B,

A’, B’ jako krótsze niż A+B, A’+B, A’+B’, A+B’.  Praca  ćwierćskokowa
( ¼  skokowa  )  umożliwia  zajmowanie  przez wirnik  położenia
pośredniego  pomiędzy dwoma  położeniami  półskokowymi,  dzięki
możliwości  zasilania  całego  pasma  i  połowy  drugiego,  co  jest
możliwe  (  jak  to  wynika  z  rysunku  1.14b  )  przy  sterowaniu
unipolarnym.  Jest  to  widoczne  na  wykresie wektorowym przy pracy
ćwierćskokowej co pokazano na  rysunku 1.17a. w położeniach
2,4,6,8,10,12,14  i 16. Odpowiednie  przebiegi  prądowe  dla  pracy ¼
skokowej  przedstawiono  na  rysunku  1.17b  Pełny  obrót wirnika
składa  się  z 16  skoków. Przy pracy ¼  skokowej następuje dalsze
ograniczenie  rezonansu. Praca miniskokową uzyskuje  się poprzez
dalszy podział poziomów prądu. Z założenia  ten  rodzaj  sterowania
musi wykorzystywać sterowanie  prądowe.  Teoretycznie  liczba
skoków  (miniskoków)  jest  nieograniczona,  ale  w  praktyce  trzy
czynniki ograniczają dopuszczalną liczbę poziomów pośrednich.
Pierwszym z nich jest tarcie statyczne. Drugi z nich wynika z
niesinusoidalnego charakteru wytwarzanego momentu. Trzeci
związany  jest z samym sposobem regulacji  prądu.  Regulowana
wartość  prądu  nigdy  nie  jest  stała  a  jedynie  oscyluje  wokół
wartości  prądu odniesienia.

Głównymi elementami układu sterowania silnika skokowego są:
-  źródło  impulsów,  którym może  być  generator  impulsów,
maszyna  cyfrowa, mikroprocesor,  przetwornik sygnału ciągłego na
impulsowy lub pamięć operacyjna;
-  układ  logiczny  zawiera  układ  formowania  impulsów  na
prostokątne  oraz układ rozdzielania impulsów na poszczególne
pasma uzwojenia silnika ( licznik).
-  wzmacniacz  jest  stopniem  wyjściowym  mocy,  który  jest
wykonany  na  tranzystorach  o układzie analogicznym dla każdego
pasma uzwojenia;
- zasilacz prądu stałego.

II.Silniki wykonawcze prądu stałego:

Silniki wykonawcze - elektromechaniczne przetworniki energii
pracujące w układach automatyki, przekształcające energię
elektryczną (sygnały elektryczne) w przemieszczenie kątowe wału,
jego prędkość (gdy są sterowane w sposób ciągły)oraz moment
obrotowy (często przy pracy w stanie zahamowanym) w sposób
jednoznaczny, najlepiej proporcjonalny.

Cechy silnika wykonawczego:
1. Liniowość charakterystyki mechanicznej n=f(M),
2. Liniowość charakterystyki regulacyjnej n=f(Us napięcie sterujące),
3. Samohamowność
4. Duża szybkość działania,
5. Duży moment rozruchowy,
6. Mała moc sterująca przy dużej mocy na wale
7. Małe wymiary i masa.
Uw - napięcie wzbudzenia

Przeważnie stosuje się silniki szeregowo-bocznikowe. Zaletą tych
silników jest stosunkowo duży moment rozruchowy (większy niż w
bocznikowym). Stosuje się też silniki bocznikowe, tam gdzie rozruch
jest łagodny np. w maszynach poligraficznych tłoczenie dostawiane
jest po uprzednim "rozpędzeniu" się maszyny. Szeregowe też się
stosuje, tam gdzie moment rozruchowy ma dużą wartość.
Odnośnie regulacji, wszystkie te silniki można łatwo regulować (po
przez zmianę wartości prądu w obwodzie wirnika).
Silniki prądu stałego są droższe w budowie niż asynchroniczne.

Poniżej charakterystyki tych silników.

Budowa i sposób funkcjonowania silników wykonawczych:
stojan z magnesem trwałym; wirnik z uzwojeniem twornika –
prostokątna ramka z drutu; szczotki – doprowadzające prąd do
uzwojenia twornika; komutator – pierścień ze stykami –
wyprowadzenia z ramki (uzwojenia twornika);wyjścia do zasilania.

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów
zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy
nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami
znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła
prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik
zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać.
Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił
elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły
te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z
położenia poziomego, obracając się wokół osi. W wyniku swojej
bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy
jest równy zero a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia
pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale
odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w
dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Ze względu na sposób wzbudzenia pola magnetycznego dzielą się
na:
silnik prądu stałego obcowzbudny – silnik z magnesami trwałymi,
lub z elektromagnesami, t.j. z osobnym uzwojeniem wzbudzenia w
stojanie zasilanym z oddzielnego źródła zasilania niż obwód twornika
– stosowane głównie w napędach wymagających regulacji prędkości
w szerokim zakresie obrotów;
silnik prądu stałego samowzbudny – silniki z elektromagnesem w
stojanie mogą mieć połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo,
równolegle (bocznikowo) lub w sposób mieszany. Sposób
podłączenia określa rodzaj silnika.
silnik szeregowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym
szeregowo z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się dużą
zależnością prędkości obrotowej od obciążenia. Zmniejszanie
obciążenie powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie do
nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji
zniszczeniem silnika. Jest to jego poważna wada. Dlatego tego typu
silników nie wolno włączać bez obciążenia. Stosowane są głównie w
trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i
pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki
samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp.
Silnik szeregowy może być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany
również prądem przemiennym. Silniki takie zwane są też silnikami
uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że
kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego
napięcia. W przypadku, gdy silnik ma być zasilany prądem stałym
stojan wykonywany jest z litego materiału. Natomiast przy zasilaniu
prądem przemiennym wykonuje się go z pakietu izolowanych blach
zmniejszając straty energii powstałe na skutek prądów wirowych. Ze
względu na stosunkowo małe wymiary przy stosunkowo dużej mocy
oraz duże prędkości obrotowe, silniki te znalazły liczne zastosowania
w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu,
np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach, sokowirówkach,
mikserach itp.
silnik bocznikowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie
przyłączonym równolegle z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się
małą podatnością na zmianę prędkości obrotowej na skutek zmiany
obciążenia. Stosowany głównie w napędach obrabiarek, pomp,
dmuchaw, kompresorów;
silnik szeregowo-bocznikowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie
połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część
szeregowo, a część równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej
wady silnika szeregowego – możliwości jego rozbiegania przy braku
obciążenia, a także ma jego zalety – duży moment obrotowy w
szerokim zakresie obrotów i zależność prędkości obrotowej od
obciążenia. Stosowany jest zazwyczaj jako silniki dużych mocy, tam
gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów
oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.

Bezszczotkowy silnik elektryczny – rodzaj silnika elektrycznego
zasilanego przez prąd stały, w którym zamiast szczotek zastosowano
elektrycznie sterowany komutator, cewki są nieruchome wewnątrz
obudowy, a magnesy znajdują się na wirniku. Ze względu na
niezawodność, oraz możliwość sterowania prędkości silniki są
stosowane w napędach dysków optycznych (CD, DVD, BD),

dyskach twardych, gramofonach, większości pojazdów o napędzie
elektrycznym (np. segway, samochodach hybrydowych), wszystkich
wentylatorach komputerowych i urządzeniach w których iskry
powstające na szczotkach mogłyby doprowadzić do zaprószenia
ognia czy wybuchu.

Komutacja ¼

I II III IV

takty komutacji

komutacje
I II III IV V VI VII VII I

KOMUTACJA przemiennobiegunowa

rzeczywisty

Układy sterowania: