57
6/2003
www.elektro.info.pl
projekt
prostego uk³adu napêdu pr¹du
sta³ego
Z
miany prêdkoœci obrotowej
tylko wtedy okreœlamy jako
regulacjê prêdkoœci, gdy
zmiana jest wymuszona, a nie wy-
nikaj¹ca ze zmiany obci¹¿enia. Za-
gadnienie regulacji prêdkoœci obro-
towej charakteryzuje siê: zakresem,
ci¹g³oœci¹, ekonomicznoœci¹, sta-
tecznoœci¹ oraz kierunkiem regula-
cji. Zakres okreœla siê jako stosunek
prêdkoœci maksymalnej do prêdko-
œci minimalnej. Ci¹g³oœæ charakte-
ryzuje siê stosunkiem prêdkoœci ob-
rotowej odpowiadaj¹cym dwóm s¹-
siednim stopniom. Im stosunek ten
jest mniejszy, tym regulacja jest bar-
dziej ci¹g³a. Ekonomicznoœæ zale-
¿y od spowodowanych regulacj¹
strat cieplnych. StatecznoϾ regula-
cji jest bardzo wa¿nym czynnikiem.
Najlepsza praca odpowiada charak-
terystyce idealnie sztywnej, w której
prêdkoœæ obrotowa nie zale¿y od
obci¹¿enia.
Silniki pr¹du sta³ego, a szcze-
gólnie bocznikowe, maj¹ ³atwiej-
sz¹ regulacjê prêdkoœci ni¿ in-
dukcyjne. Z zale¿noœci na prêd-
koœæ obrotow¹ silnika pr¹du sta-
³ego wyra¿onej wzorem:
wynika, ¿e prêdkoœæ obrotowa
n zale¿y od: napiêcia sieci U, pr¹-
du twornika I
t
, opornoœci uzwoje-
nia twornika R
t
, oraz strumienia
wzbudzenia
φ
. W zaprezentowa-
nym poni¿ej uk³adzie zastosowa-
no regulacjê prêdkoœci przez
zmianê napiêcia zasilaj¹cego na
zaciskach silnika bocznikowego ze
sta³ym strumieniem wzbudzenia
(silnik z magnesami trwa³ymi).
W poni¿szym uk³adzie p³ynn¹
regulacjê wartoœci napiêcia uzyska-
no przez zastosowanie impulsowej
metody regulacji napiêcia. Zasadê
impulsowego sterowania napiêciem
i pr¹dem zostanie wyjaœniona na
przyk³adzie prostego modelu prze-
rywacza sk³adaj¹cego siê z klucza
elektronicznego (symbolicznie
przedstawionego jako wy³¹cznik),
odbiornika RL (silnik), diody zabez-
pieczaj¹cej D (rys. 1). Zamkniêcie
wy³¹cznika powoduje pojawienie
siê na odbiorniku napiêcia w przy-
bli¿eniu równego napiêciu zasilania
(powstaje spadek napiêcia na prze-
wodz¹cym kluczu). Rozwarcie wy-
³¹cznika powoduje spadek napiê-
cia na odbiorniku do zera. Regulu-
j¹c czas zamkniêcia wy³¹cznika
i jego otwarcia, wp³ywamy na war-
toœæ œredni¹ napiêcia na zaciskach
Micha³ Dwórznik
W napêdach elektrycznych
dostosowanie prêdkoœci obrotowej
do warunków pracy maszyny
roboczej jest zagadnieniem bardzo
wa¿nym. Kapitalny przyk³ad to
obrabiarki wymagaj¹ce zmiany
prêdkoœci zale¿nie od materia³u,
dok³adnoœci, rodzaju no¿a
i innych warunków pracy. Zmiany
prêdkoœci obrotowej wymagaj¹
maszyny papiernicze,
w³ókiennicze, dzwigi i napêdy
trakcji elektrycznej. Rolê
regulatora prêdkoœci obrotowej
spe³nia³y dawniej przek³adnie
zêbate, pasowe, cierne, czyli
przek³adnie mechaniczne. Dziœ
regulacji prêdkoœci obrotowej
dokonuje siê za pomoc¹
bezpoœredniego oddzia³ywania na
silnik.
58
www.elektro.info.pl
6/2003
odbiornika. Symboliczne stany wy-
³¹cznika w funkcjonuj¹cych uk³a-
dach, w zale¿noœci od zastosowa-
nego elementu kluczuj¹cego, odpo-
wiadaj¹ stanom odpowiednio dla
tranzystora: zwarcia wy³¹cznika –
nasycenie tranzystora, rozwarcia –
blokowania tranzystora, dla tyrysto-
ra: zwarcia – przewodzenia,
rozwarcia Рblokowania. WartoϾ
œrednia napiêcia na odbiorniku ró-
wna jest iloczynowi napiêcia U oraz
wspó³czynnikowi wype³nienia, de-
finiowanego jako stosunek czasu
przewodzenia klucza do okresu.
Zwykle stosowane s¹ dwa podsta-
wowe sposoby regulacji przy zacho-
waniu sta³ej wartoœci okresu zmie-
nia siê czas przewodzenia lub utrzy-
muje siê sta³¹ wartoœæ czasu prze-
wodzenia przy zmianie czêstotliwo-
œci (rys. 2).
W zaprezentowanym uk³adzie
jako obiekt regulacji zosta³ u¿yty
silnik pr¹du sta³ego z magnesami
trwa³ymi. Silnik taki ma w³asno-
œci identyczne jak silnik boczniko-
wy obcowzbudny. Zatem w tym
silniku strumieñ wzbudzenia
φ
jest sta³y. Dziêki temu, przy tym
sposobie regulacji uzyskujemy ro-
dzinê charakterystyk mechanicz-
nych równoleg³ych do charaktery-
styki naturalnej silnika.
Prezentowany uk³ad sk³ada siê
z dwóch charakterystycznych czê-
œci: elektronicznej i silnopr¹dowej.
Pierwsz¹ czêœæ stanowi generator
fali prostok¹tnej o regulowanej sze-
rokoœci impulsu. Podstaw¹ cz³onu
elektronicznego jest uk³ad scalony
ULY 77855. Jest on odpowiedni-
kiem opracowanego w po³owie lat
osiemdziesi¹tych NE 555. Jest to
uniwersalny uk³ad generatora.
W zale¿noœci od pod³¹czenia, mo-
¿e s³u¿yæ jako generator monosta-
bilny lub astabilny. Uk³ad w aplika-
cji podstawowej charakteryzuje siê
niewielk¹ liczb¹ elementów zewnê-
trznych (3-4 oporniki, 2 kondensa-
tory), du¿¹ stabilnoœci¹ generowa-
nych impulsów, du¿¹ odpornoœci¹
na zak³ócenia i szerokim zakresem
napiêcia zasilania. Podstaw¹ czê-
œci silnopr¹dowej jest tranzystor T2
pracuj¹cy jako klucz elektroniczny.
Tranzystor T2 znajduje siê na prze-
mian: w obszarze nasycenia lub
w obszarze odciêcia. Tranzystor T2
kluczowany jest w takt napiêcia ge-
neratora. W momencie podania im-
pulsu o odpowiedniej wartoœci na
bazê tranzystora, przechodzi on
w stan nasycenia. Rezystancja z³¹-
cza kolektor - emiter wêdruje prak-
tyczni do zera i na silniku pojawi siê
napiêcie w przybli¿eniu równe na-
piêciu zasilania. Napiêcie na silniku
zmniejszone jest o spadek napiêcia
na przewodz¹cym tranzystorze (klu-
czu). W momencie zaniku impulsu
wysterowywuj¹cego bazê tranzy-
stora, rezystancja z³¹cza ko-
lektor – emiter osi¹ga du¿¹ war-
toœæ i na tranzystorze pojawi siê
praktycznie ca³e napiêcie zasilania.
Tranzystor znajduje siê w stanie
blokowania. W szereg z silnikiem
i kluczuj¹cym tranzystorem w³¹-
czony jest opór R7 o niewielkiej
wartoœci (zale¿nej od mocy silnika),
ograniczaj¹cy pr¹d silnika. Pe³ni on
funkcjê zabezpieczenia. P³yn¹cy
przez niego pr¹d powoduje spadek
napiêcia, który przez elementy
sprzêgaj¹ce R5 i C3 przenoszony
jest na uk³ad scalony. Gdy spadek
ten bêdzie rós³ (wi¹¿e siê to z ro-
sn¹cym pr¹dem obci¹¿enia), gene-
rator spowoduje skrócenie trwania
czasu impulsu wysterowywuj¹cego
tranzystor. Podczas skokowego zani-
ku pr¹du, zanikaj¹cy strumieñ mag-
netyczny spowoduje zaindukowanie
s. em samoindukcji o wartoœci
Rys. 2
Rys. 1
59
6/2003
www.elektro.info.pl
chwilowej kilka razy wiêkszej od na-
piêcia zasilania. Dioda D2 pe³ni
funkcjê elementu zabezpieczaj¹ce-
go tranzystor T2 przed skutkami
przepiêæ. Tranzystor T2 jest koñco-
wym tranzystorem wykonawczym
komutuj¹cym pr¹d silnika. Nato-
miast tranzystor T1 jest wyjœciem
uk³adu scalonego od stopnia
z podwy¿szonym napiêciem. Przy
wy¿szych napiêciach nale¿a³oby
zastosowaæ separacjê galwaniczn¹
(transoptor). Dioda DZ1 stabilizuje
napiêcie zasilaj¹ce uk³ad scalony.
Napiêcie zasilaj¹ce (24 V) jest za
du¿e do bezpoœredniego zasilania
uk³adu scalonego. Rolê dodatko-
wego uk³adu ograniczaj¹cego na-
piêcie Uz jest opór R1, spe³nia on
równie¿ rolê zabezpieczenia diody
DZ1. kondensator C1 wyg³adza na-
piêcie zasilania Uz oraz zmniejsza
zak³ócenia impulsowe spowodowa-
ne prac¹ silnika. Dioda D1 zabez-
piecza przed przedostaniem siê na-
piêæ steruj¹cych na wyjœcie
wzmacniacza, a w³¹czony z ni¹
w szereg opór zabezpiecza diodê
D1 oraz wyjœcie wzmacniacza
przed przeci¹¿eniem. Opornik R6
polaryzuje bazê tranzystora T2 na
„0” przy braku sygna³u wejœciowe-
go.
Przez potencjometr Rp regulu-
je siê szerokoœæ impulsu. Elemen-
tami wp³ywaj¹cymi na parametry
impulsu s¹:
R3 – ustala minimaln¹ szero-
koϾ impulsu,
C2 – kondensator dla generato-
ra – ustala jego czêstotliwoœæ.
Czas trwania sygna³u „H” na wy-
jœciu generatora:
th =1,1 (R2+Rk+R3) C2.
Czas trwania sygna³u „L” na wy-
jœciu generatora:
tl = 1,1 (RL +R3) C2,
przy czym Rk + RL = const.
Wspó³czynnik 1,1 wynika ze spe-
cyfiki uk³adu 7855.
Przyjmuj¹c pomijalnie ma³e
wartoœci R2 i R3 w stosunku do
Rp mo¿na zapisaæ:
th = 1,1RkC2,
tl = 1,1RLC2,
st¹d T = th + tL = 1,1 (Rk +RL)
C2 = 1,1RpC2.
Na podstawie tego widaæ, ¿e
czêstotliwoœæ generowana pozosta-
je wzglêdnie sta³a zmienia siê
w szerokim zakresie wype³nienie.
Opisany powy¿ej uk³ad regula-
cji prêdkoœci obrotowej boczniko-
wego silnika pr¹du sta³ego fun-
kcjonuje z powodzeniem od kilku
lat. Silnik, którego prêdkoœæ regu-
lowana jest za pomoc¹ tego uk³a-
du idealnie nadaje siê do napêdza-
nia maszyn roboczych o wentyla-
torowej charakterystyce mechani-
cznej. Do tej grupy zaliczamy urz¹-
dzenia dzia³aj¹ce na zasadzie si³y
odœrodkowej, czyli wentylatory, tur-
bosprê¿arki, dmuchawy itp.
q
Rys. 3
Rys. 4