Serwonapędy w automatyce i robotyce Wykład 1 iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Wprowadzenie Serwonapęd - układ, którego zadaniem jest pozycjonowanie osi. roces pozycjonowania osi - sposób sterowania osią, aby przyjmowała ona ściśle określone pozycje wg zadanych parametrów ruchu, takich jak prędkość, przyspieszenie, szarpnięcie. Ruch obrotowy osi, napędzanej przez silnik serwonapędu, moŝe być wykorzystany do napędzania mechanizmów obrotowych lub moŝe zostać zamieniony np. za pomocą śruby pociągowej, na ruch liniowy. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 2
Wprowadzenie Serwonapędy wykorzystać moŝna do wielu procesów, w których istotne jest zapewnienie właściwych pozycji przyjmowanych przez mechanizmy: szybki i precyzyjny posuw formy we wtryskarce, sterowanie stołem obrotowym, cięcie lub perforowanie "w locie", utrzymywanie stałego napręŝenia rozwijanego lub zwijanego materiału, wiercenie, dokręcanie śrub z określonym momentem siły, przenoszenie i układanie produktów, itp. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 3 Wprowadzenie Elementy składowe serwonapędu: Specjalizowany moduł pozycjonowania osi, Silniki sterowania osiami i wzmacniaczy dopasowanych do silników, Niezbędne okablowanie, Czujniki połoŝenia, iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 4
Wprowadzenie Napęd dziedzina systemowa Maszyny elektryczne, Energoelektronika, Energetyka, Mikroelektronika, Informatyka przemysłowa, Teoria sterowania, Mechatroniki iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 5 Budowa silnika inukcyjnego Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 6
Budowa silnika inukcyjnego Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Budowa silnika inukcyjnego Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 8
Budowa silnika inukcyjnego Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 9 Silnik pierścieniowy Wirnik w silniku pierścieniowym posiada uzwojenia nawinięte przewodami izolowanymi. rzewody prowadzone są w żłobkach blach wirnika. Uzwojenie wirnika najczęściej połączenie są w gwiazdę. Wolne końce uzwojeń dołączone są do pierścieni osadzonych na wale wirnika. Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10
Zasada działania t0 t1/12t t1/6t t1/4t t1/3t t1/2 T t2/3 T Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Zasada działania Wypadkowe pole wirnika Wypadkowe pole stojana Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12
Zasada działania Różnica między prędkością pola wirującego (synchroniczną) n s, a prędkością wirnika n podzielona przez n s, nazywa się poślizgiem s n s n s n s - poślizg, n s - prędkość synchroniczna, n - prędkość wirnika. Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Zasada działania Równanie ruchu elektromechanicznego M M d +M m M d J d m ω dt ( t) ; M m M obc +M o M - moment elektromagnetyczny; M d - moment dynamiczny; M m -moment mechaniczny; M obc -moment obciążenia; M o -moment strat własnych; J-moment dω bezwładności układu wirującego; m ( t ) -zmiana prędkości wirnika w czasie dt. dt Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14
Zasada działania Wirnik silnika będzie wprawiony w ruch obrotowy jeśli: istnieje wirujące pole magnetyczne stojana, uzwojenia wirnika są zwarte, moment elektromagnetyczny silnika jest większy od momentu mechanicznego i momentu bezwładności. Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Rozruch silników indukcyjnych Rozruch silnika indukcyjnego okres przejściowy od postoju do stanu pracy ustalonej, przy prędkości wirowania wirnika odpowiadającej narzuconym warunkom zasilania i obciążenia Rozruch jest możliwy występuje nadwyżka momentu elektromagnetycznego nad momentem mechanicznym (moment dynamiczny) Sposoby rozruchu: -- Rozruch bezpośredni, - Rozruch z zastosowaniem przełącznika gwiazda trójkąt, - Rozruch za pomocą autotransformatora, - Układ miękkiego rozruchu silnika (soft-start) - Rozruch silników asynchronicznych pierścieniowych. Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16
Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 17 Bilans mocy czynnej Moc czynna pobierana z sieci: 3U I cos( ϕ) 3U I cos( ϕ) f f Straty mocy czynnej w uzwojeniu stojana: p p Cu 3R I 1 2 1 Straty mocy czynnej w rdzeniu stojana: Fe 2 3RFeI Fe iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 18
Bilans mocy czynnej Moc idealna - moc pola wirującego Ψ Cu Fe Moc elektryczna tracona w wirniku el s Ψ Moc mechaniczna przekazywana na wał silnika m Ψ el (1 s) Ψ m ωm 2π nm iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 19 Bilans mocy czynnej Moc uŝyteczna przekazywana do urządzenia napędzanego u m m Sprawność silnika stosunek mocy uŝytecznej na wale silnika do mocy pobranej z sieci: η u Sprawność silnika nie jest stała i zmienia się wraz ze zmianą obciążenia iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 20
Moment elektromagnetyczny ZaleŜność między mocą i momentem Moment elektromagnetyczny moc idealna Ψ Ψ M 9,55, [ n ] obr / min ω n Moment elektromagnetyczny moc mechaniczna Moment uŝyteczny M M u u 1 M 1 9,55 n u 0,159, n u 9,55, n m [ n] obr / s, [ n] obr / min. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 21 Moment elektromagnetyczny ZaleŜność momentu od poślizgu Mf(s) równoważny Mf(n) charakterystyka mechaniczna 0 < s < 1 (0 < n < n 1 ) praca silnikowa, s > 1 (n < 0) praca hamulcowa, s < 0 (n > n 1 ) praca prądnicowa. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 22
Moment elektromagnetyczny Wzór Klossa zaleŝność między momentem wytwarzanym w maszynie, momentem krytycznym, poślizgiem i poślizgiem krytycznym. M 2 M s s k k + sk s oślizg krytyczny: rzeciąŝalność: u s k 2 M k M k 1 M N M N M M k N iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 23 Moment elektromagnetyczny Wpływ zmian napięcia zasilającego (sconst) 2 M cu 1 Bardzo niekorzystne dla pracy silnika użyteczny moment obrotowy gwałtownie maleje przy obniżaniu napięcia zasilania zatrzymanie silnika iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 24
Stan obciąŝenia silnika W stanie obciąŝenia - ustala się prędkość obrotowa wirnika przy jakiej występuje równowaga momentu wydawanego przez silnik M i hamującego M h. rzy zmianie obciąŝenia zmienia się poślizg, zmieniają się prądy płynące w uzwojeniach, współczynnik mocy, moc czynna pobierana przez silnik moment (aŝ do punktu równowagi) U 1 const f 1 const iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 25 Stan obciąŝenia silnika Charakterystyki ruchowe iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 26
Stan obciąŝenia silnika Stan ustalony - prędkość obrotowa n zespołu jest stała, Stan nieustalony - zmiana prędkości obrotowej n - moment dynamiczny M d : M M d M h M d > 0 układ przyspiesza, M d < 0 układ zwalnia. M d J dω dj + ω dt dt iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 27 Stan obciąŝenia silnika Stany nieustalone: Rozruch, Regulacja prędkości obrotowej, Zatrzymywanie się układu, Zmiana obciąŝenia, Zmiana warunków zasilania. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 28
Stan obciąŝenia silnika o zaburzeniu stanu równowagi zespołu raca stabilna, raca niestabilna zatrzymanie lub rozbieganie. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 29 Regulacja prędkości obrotowej Zmiana kierunku wirowania rędkość wirowania n n n (1 s), 1 60 f p 1 (1 s) Częstotliwość napięcia zasilającego, Liczba par biegunów magnetycznych, oślizg. iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 30
Regulacja prędkości obrotowej Zmiana częstotliwości napięcia zasilającego Wpływ zmian częstotliwości napięcia zasilającego: a) Uconst, b) zmiana napięcia i częstotliwości U cφf U 1 const f 1 iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 31 Regulacja prędkości obrotowej Zmiana liczby par biegunów (silnik klatkowy): Dwa niezaleŝne uzwojenia w stojanie o róŝnych liczbach biegunów magnetycznych, Jedno uzwojenie z moŝliwością przełączania. Zmiana poślizgu: Zmiana rezystancji w obwodzie wirnika )silnik pierścieniowy) Zmiana napięcia zasilającego (M h const) Zakres zmian 10% iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 32
Hamowanie Hamowanie elektryczne moment elektromagnetyczny działa w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obrotowej. Hamowanie naturalne hamowanie przeciwprądem wirnik napędzany jest w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola włączenie duŝej rezystancji w obwód wirnika iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 33 Hamowanie Hamowanie prądnicowe występuje przy prędkości wirnika większej od prędkości wirowania pola magnetycznego moŝe wystąpić przy opuszczaniu cięŝaru w dół Zamienia się w maszynie kierunek wirowania strumienia przez skrzyŝowanie dwóch przewodów doprowadzających napięcie do silnika zmiana znaku momentu iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 34
Hamowanie Hamowanie dynamiczne (prądem stałym) iotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 35