Serwonapędy w automatyce i robotyce Wykład 5 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Prądnica prądu stałego zasada działania e Blv sinαα
Prądnica prądu stałego zasada działania Prądnica prądu stałego zasada działania Zwiększenie liczby wycinków komutatora przebieg napięcia odbieranego z prądnicy jest bardziej równomierny.
Silnik prądu stałego zasada działania Moment napędowy powstaje na skutek oddziaływania między zewnętrznym polem mag., a polem powstającym wokół przewodnika przez który płynie prąd. Silnik prądu stałego zasada działania
Silnik prądu stałego - budowa Stojan - najczęściej jest magneśnicą wytwarza pole magnetyczne jarzmo (2), bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3), bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5), tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe. Silnik prądu stałego - budowa Wirnik najczęściej jest twornikiem (1) rdzeń (pakietu blach), uzwojenie twornika (8), komutator (9).
Silnik prądu stałego - budowa Komutator osadzony na wale wirnika wiele wycinków Miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście. Izolator między wycinkami - mikanit 1 wycinek komutatora, 2 pierścień dociskowy, 3 kołnierz izolacyjny, 4 piasta. Silnik prądu stałego - budowa Pole magnetyczne silnika elektromagnesy zasilane prądem stałym prąd wzbudzenia. Wielkości opisujące maszynę prądu stałego:: Prąd wzbudzenia - I f, Prąd twornika - I a, Prąd obciąŝenia - I (oddawany lub pobierany z sieci), Napięcie twornika - U, Rezystancja obwodu twornika - R a a,, Rezystancja obwodu wzbudzenia - R f, Siła elektromotoryczna indukowana w tworniku - E, Prędkość wirowania wirnika n, Moment elektrodynamiczny - M Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10
Silnik prądu stałego - budowa Uzwojenie biegunów głównych uzwojenie wzbudzające główne pole magnetyczne w maszynie. 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. B1, B2 Uzwojenia kompensacyjne C1, C2 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Silnik prądu stałego obwód magnetyczny Strumień magnetyczny wytworzony przez uzwojenie wzbudzenia, zasilane prądem stałym. Θ IN Wartość przepływu wzbudzającego - wartości wymaganego strumienia, - permeancji obwodu magnetycznego
Silnik prądu stałego obwód magnetyczny Przepływ siła magnetomotoryczna suma spadków napięcia magnetycznego w poszczególnych częściach obwodu jarzmo stojana H j l j, bieguny 2H m l m, szczelina powietrzna 2H δ δ, zęby twornika 2H z l z, jarzmo twornika H t l t. Θ H Θ 2I j f l j N + 2H m l m + 2H δ + 2H l δ z z + H l t t Silnik prądu stałego obwód magnetyczny NatęŜenie pola magnetycznego B µh Przenikalność powietrza jest stała, porównywalna z przenikalnością próŝni H δ Bδ, 7 4π10 B Φ S Strumień Φ Φ m m Φ + Φ (1.25 1.25) Φ r σ Φ Φ m Współczynnik rozproszenia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14
Silnik prądu stałego SEM 1. W stanie idealnego biegu jałowego (I a 0, EU) 2. Jeżeli płynie prąd I a : R R + R + R + R ac a k p sz jeżeli maszyna pracuje jako prądnica jeżeli maszyna pracuje jako silnik U E R ac I a 3. Moment działający na wirnik U E + R I c Φn + R ac a E ac I a M c I Φ M a Silnik prądu stałego wpływ twornika
Silnik prądu stałego - charakterystyki Charakterystyka mechaniczna n f(i), n f(m), U const, R f const Charakterystyka momentu M f(i), U const, R f const Silnik prądu stałego układy połączeń Maszyna obcowzbudna, Maszyna samowzbudna: bocznikowe, bocznikowe, szeregowe, szeregowo-bocznikowe.
Silnik prądu stałego silnik bocznikowy Silnik bocznikowy i obcowzbudny Silnik obcowzbudny stosowany w układach napędowych z przekształtnikami tyrystorowymi. Silnik prądu stałego silnik bocznikowy Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego (przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika). n U c E Φ Rac c Φ E I a δn n n n 0 N N Zmienność prędkości 3-8% (2-5%)
Silnik prądu stałego silnik bocznikowy Charakterystyka momentu silnika bocznikowego (przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika). M cm ΦI a c1 I a Silnik prądu stałego silnik 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.
Silnik prądu stałego silnik szeregowy Charakterystyka momentu Przy małym nasyceniu obwodu: Φ ci M cm ΦI c M ci 2 Silnik prądu stałego silnik szeregowy Charakterystyka mechaniczna U R ac I U R ac A n B c ci c ci c c I E przy założeniu liniowej zależności strumienia od prądu E E M ci 2 n A 1 M B
Silnik prądu stałego silnik szeregowy Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniach 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 szeregowo-bocznikowy
Silnik prądu stałego schemat zastępczy U di L dt M J + RI + E, dω + Dω + M dt obc E K ω K M E I ω( s) G( s) U ( s) K E ( st m 1 + 1)( st e, + 1) T m RJ K K E M, T e L R G M α( s) ( s) U ( s) K E 1 s( st m + 1) Silnik prądu stałego - rozruch W chwili rozruchu prędkość obrotowa wirnika 0, E 0, równanie napięcia dla silnika ma postać: Prąd rozruchowy pobierany przez silnik: I r U R ac U R ac I r Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od prądu znamionowego. U E I R ac
Silnik prądu stałego - rozruch Prąd rozruchowy można ograniczyć przez: zmniejszenie napięcia zasilającego, włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika o rezystancji R ar I r R ac U + R ar W przypadku silnika bocznikowego obwód wzbudzenia w czasie rozruchu musi być zasilany całym napięciem (musi być włączony przed rozrusznikiem). Rozrusznik jest opornikiem kilkustopniowym dostosowanym do pracy krótkotrwałej. Silnik prądu stałego - rozruch
Silnik prądu stałego - rozruch Dla silnika prądu stałego dobierz rezystancję włączoną na czas rozruchu, tak aby prąd rozruchowy nie przekroczył 2I N. Rezystancja obwodu twornika tego silnika R ac 0,3Ω. Silnik prądu stałego regulacja prędkości obrotowej Prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika R ar n U ( R + R ) ac cφ ar I a Na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ: napięcie U, rezystancja R ar, strumień magnetyczny Φ.
Silnik prądu stałego regulacja prędkości obrotowej Prędkość obrotową można regulować: przez zmianę napięcia zasilania twornika U, przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika R ar, przez zmianę strumienia Φ Wykorzystywane w praktyce, a różnią się pod względem: zakresu regulacji, kierunku regulacji (góra, dół), ekonomicznym Silnik prądu stałego regulacja szeregowa Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji regulacyjnej R ar w szereg z obwodem twornika (silniki bocznikowe i szeregowe). 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 regulacja bocznikowa Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia strumienia magnetycznego. w silnikach bocznikowych rezystancja regulacyjna R fr jest włączona w szereg w obwód wzbudzenia, w silniku szeregowym rezystancja R fr jest włączona równolegle z obwodem wzbudzenia. Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości n N do 3n N, jest regulacją ekonomiczną. Silnik prądu stałego 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 regulacja przez zmianę napięcia zasilania. Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika można uzyskać przez zastosowanie 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 trwałymi Pole magnetyczne magnesy trwałe Stosowane materiały magnetyczne: materiały proszkowe z ferrytów baru, magnesy lane ze stopów alnico.
Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi Kubkowy silnik prądu stałego 1 wirnik kubkowy, 2 magnes trwały stojana, 3 rdzeń ferromagnetyczny, 4 obudowa. Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi 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 magnesami trwałymi Silnik prądu stałego z biegunami trwałymi Zalety silnika tarczowego: 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, duży zakres prędkości obrotowej 1-3000 obr/min, możliwość uzyskania idealnie liniowej zależności SEM od prędkości, małe wymiary
Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi Wady silnika tarczowego: duży koszt wytworzenia, mniejsza trwałość przy większych mocach. Zastosowanie: silniki wykonawcze w układach sterowania i automatyki sterowanie obrabiarek w zgrzewarkach, pojazdach mechanicznych, urządzeniach radiolokacyjnych. Zagadnienia 1. Z jakich podstawowych elementów zbudowany jest silnik DC? 2. Który element najczęściej spełnia rolę twornika, a 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. 7. Od jakich maszyn pochodzą przedstawione tabliczki zaciskowe? Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 44
Zagadnienia 8. Czy silnik DC moŝe nie mieć uzwojenia wzbudzającego? 9. Jakie skutki wywołuje 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 szeregowego? a) II a +I f b) II a -I f c) II a I f Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 45 Zagadnienia 15. Która zaleŝność jest prawdziwa dla silnika bocznikowego? a) II a +I f b) II a -I f c) II a I f 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 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 46
Zagadnienia 18. Który ze sposobów regulacji prędkości pozwala regulować prędkość w górę? 19. Który ze sposobów regulacji prędkości pozwala 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? 23. Dlaczego obwodu wzbudzenia silnika bocznikowego i obcowzbudnego nie wolno rozwierać? 24. Ile biegunów i wycinków komutatora ma przedstawiony silnik z magnesami trwałymi? Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 47