Napędy Elektryczne

Studium Podyplomowe - Mechatronika

Napędy elektryczne i konkurencja

Napęd/

właściwości użyt-

kowe

Elektryczny

Pneumatyczny

Hydrauliczny

Rodzaj ruchu: obrót

liniowy

+++

+

, przekładnie

+

+++

+

+++

Gęstość mocy

[kW/kg]

0.1-0.2

do 2

2 – 10

20 - 50

Prędkość

[m/s]

0.5-1

do 10

1 – 2

do 15

0.1

Dokładność

liniowa [



m]

100

do 5

200 – 500

do 20

20

do 2

Koszt [100%]

100

30 – 80

200 - 300

Sprawność [%]

40 – 80

10 – 20

10 - 20

Ekologia/ hałas

+++/++

++/

+

-

/+++

Łatwość zabudowy

++

++

-

Miniaturyzacja [g]

0.1 – 10

5 – 30

100 - 500

Struktura ogólna napędu elektrycznego

Układ regulacji

1. przekaźniki,

blokady

2. regulatory

prędkości i po-
łożenia

3. sterowniki po-

lem magne-
tycznym

Układ sterowania

el. wykonawczy

1. Zasilanie sieciowe

przełączalne

2. Sterowane zasila-

cze pr. =, falowni-
ki, softstart

3. Falowniki stero-

wane, komut. elek-
troniczne

Typ maszyny

elektrycznej

1. Silniki prądu

zmie

nnego

i

sta

łego

,

2. Silniki prądu

zmie

nnego

i

sta

łego krokowe

3. Silniki bez-

szczotkowe,

kompakt.



Wielkość wyj-

ściowa

1. prędkość

2. prędkość i/

lub położenie

3. położenie i

moment

Układ pomiarowy

1. Przekaźniki

2. Prądnice tachometryczne,

resolwery, przetworniki im-
pulsowe

3. resolwery, przetworniki

impulsowe, pomiar momen-
tu tensometr.

Silniki elektryczne – charakterystyka ogólna

Zasada działania

r

s

c

em

M











Silniki prądu sta-
łego

Zalety

mała masa

duży moment mechaniczny

wysoka sprawność

łatwa regulacja
wysokie obroty

Wady

zasilane przez pro-
stownik
koszt

konserwacja
hałas

praca dorywcza

Silniki prądu
zmiennego

zasilanie z sieci

bardzo trwałe
ciche
bezobsługowe
tanie

mały moment rozru-
chowy

trudna regulacja obro-
tów

ciężar

ograniczone obroty

Silniki krokowe

bezpośrednia kontrola
ciche
trwałe

zasilanie
mały moment mech.

duża masa
koszt

niska sprawność

Silniki bezszczot-
kowe

bardzo duży moment
mała masa
bardzo dobra regulacja
ciche
bezobsługowe
trwałe
wysokie obroty

drogie

zasilanie

Silniki elektryczne prądu stałego

Silnik bocznikowy

Silnik obcowzbudny

Równania silnika

Wzbudzenie

Równania twornika

2

1

1

lub

.

)

(

E

E

U

I

dt

d

L

I

R

R

E

t

wzb

wzb

wzb

d

wzb









t

wzb

t

wzb

em

obc

em

wzb

t

t

t

t

t

I

c

c

M

dt

d

J

M

M

c

I

dt

d

L

I

R

U























3

3

2

'







s



w



w

Dużo zwojów cienkiego drutu



s

=z

s

I

s

I

s

płynie zawsze, I

s

powinno być małe

Mało zwojów grubego drutu



t

= z

t

I

t

I

t

wzrasta tylko przy obciążeniu, R

t



0

Strumień wytwarzany do korekcji pola tylko w
dużych silnikach



s



t

M

em

=0



s



t

M

em



s



t

M

em

=max



s

Silnik się zatrzymu-

je



t

n

M

em

0

M

nom

M

max

R

wzb

I

t

L

wzb

R

t

, L

t

I

wzb

SEM

R

d





wzb



t

R

wzb

I

t

E

1

L

wzb

E

2

R

t

, L

t

I

wzb

SEM



R

d



wzb



t

E

1

.

.

tan

1

const

const

R

R

E

I

ustalony

S

wzb

d

wzb

wzb











obc

wzb

t

obc

wzb

t

M

c

c

R

M

c

U

1

0

2

3

2

2

'

'



















Silnik obcowzbudny

obc

wzb

wzb

wzb

t

obc

wzb

M

E

c

c

R

M

c

E

2

1

1

0

2

3

2

2

1























Silnik bocznikowy

d

wzb

wzb

R

R

E

c







1

2

1

1

0

2

1

3

2

1

1

)

(

)

(

E

M

E

c

c

R

R

R

cM

cE

R

R

E

obc

d

wzb

t

obc

d

wzb



















Regulacja prędkości obrotowej w silniku obcowzbudnym

Regulacja nap

ięciem zasilania

Regulacja strumieniem

n

n

wzbudzenia

U

1

R

d1

U

2

R

dn

U

3

R

d min

U

4

<

U

3

<

U

2

< U

1

0

M

obc

0

M

max1

M

maxn

M

max

Podstawowe parametry elektryczne silników prądu stałego

U

n

– napięcie nominalne [V]

I

n

– prąd nominalny [A] (przy nominalnym, długotrwałym obciążeniu

mech.)

I

max

– prąd maksymalny [A] (przy krótkotrwałym np. 0,5 s obciąże-

niu mech.)

M

n

– moment nominalny [Nm] (przy nominalnym, długotrwałym

obciążeniu mech.)

M

max

– moment maksymalny [Nm] (przy krótkotrwałym np. 0,5 s

obciążeniu mech.)

Stała napięciowa [V/s

-1

]- określa przyrost obrotów twornika przy

zmianie napięcia zasilania twornika (w stanie ustalonym przy
zadanym strumieniu wzbudzenia)



wzb

t

t

t

t

t

c

I

dt

d

L

I

R

U









2















0

0

t

t

I

I

dt

d



wzb

n

t

c

U













t

n

U

c

Stała momentowa [Nm/A]- określa przyrost prądu twornika silnika

przy zmianie momentu obciążenia mechanicznego (w stanie
ustalonym przy zadanym strumieniu wzbudzenia)

t

wzb

em

I

c

M





3







const

wzb

t

em

m

I

M

c







Rozruch silników prądu stałego

0

)

50

10

(

,









d

n

t

t

roz

t

R

gdy

I

R

U

I

N

rozr

I

I

3

2

1





Hamowanie silnika prądu stałego

1. Praca generatorowa przy

zmniejszaniu napięcia zasilania

R

wzb

, L

wzb



wzb



R

1

R

2

R

3

R

t

, L

t

E

U

t

Q

1

Q

2

Q

3





N

M

o

M



c I

t

R

1

+R

2

+R

3

R

1

+R

2

R

1

R

d

=0

M<0

M

obc

M

N

M

I

t

<0

I

t

>0

U

N

U

1

< U

N

U

2

< U

1

U

3

< U

2

Zmniejszanie napięcia zapewnia
ograniczenie prądu twornika i nie-
wielkie straty,
mały moment hamujący przy n



0

2. Hamowanie dynamiczne

2’. Z zastosowaniem oporników rozruchowych

3. Hamowanie przeciw-

włączeniowe

R

wzb

, L

wzb



wzb



M

o

M

N

R

h

=0

R

t

, L

t

R

h

I

t

E

Niski moment hamujący dla n



0

R

h

>>0

R

wzb

, L

wzb



wzb



R

1

R

2

R

3

R

t

, L

t

E

Q

1

Q

2

Q

3

I

t

< 0

.

R

1

+R

2

+R

3

R

1

+R

2

R

1

R

d

=0



R

wzb

, L

wzb



wzb



E

U

t

R

h

Energia rozpraszana w R

h

,

Duże straty,

R

h



10 =- 20 R

t

Właściwości dynamiczne silników prądu stałego

Obwód wzbudzenia

:













)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

s

I

sL

s

I

R

s

U

t

I

dt

d

L

t

I

R

t

U

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

wzb

R

L

T

R

k

s

U

sT

k

s

I









,

1

),

(

1

)

(

Obwód twornika

(przy założeniu że



wzb

=cons.)

)

(

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

3

3

3

2

2

s

I

c

s

M

t

I

c

t

c

t

M

s

sJ

s

M

s

M

t

dt

d

J

t

M

t

M

s

c

s

I

sL

s

I

R

s

U

t

c

t

I

dt

d

L

t

I

R

t

U

t

wzb

em

t

wzb

t

wzb

em

obc

em

obc

em

wzb

t

t

t

t

t

wzb

t

t

t

t

t





















































)

(

)

(

1

)

(

2

s

sL

R

c

s

U

sL

R

t

I

t

t

wzb

t

t

t

t



















t

t

t

t

t

R

L

T

R

k





,

1

))

(

)

(

(

1

)

(

s

M

s

M

sJ

s

obc

em













)

(

)

(

3

s

I

c

s

M

t

wzb

em









Schemat blokowy silnika obcowzbudnego lub z magnesami trwałymi

G



U

(s)

),

(

1

)

(

2

s

U

T

T

s

sT

k

s

t

t

m

m

U















wzb

t

m

wzb

U

c

c

k

J

T

c

k

2

3

2

2

,

1











t

t

sT

k



1

wzb

c



3

sJ

1

wzb

c



2

-



M

obc



U

t



I

t



M

em





+

+

-



SEM



)

(

)

1

(

)

(

2

3

2

3

s

U

c

c

sT

sJ

c

k

s

t

wzb

t

wzb

t

















G



M

(s)

),

(

1

)

(

2

s

M

T

T

s

sT

k

s

obc

t

m

m

M

















wzb

M

c

c

k

2

3

2

1







t

t

wzb

t

t

t

m

t

m

m

R

L

L

c

c

JR

T

T

T

T

T

a

b

s

4

4

0

4

,

2

2

3

2

2

2

,

1



























G

IU

(s)

),

(

1

)

(

2

s

U

T

T

s

sT

sk

s

I

t

t

m

m

U

I

t











wzb

U

I

c

c

J

k

2

3

2





G

IM

(s)

),

(

1

)

(

2

s

M

T

T

s

sT

k

s

I

obc

t

m

m

M

I

t













t

wzb

M

I

k

c

k





3

1





U

t

t



M

obc



t

I

t

I

t

I

t

t

t

T

m

>4T

t

,

T

m

<4T

t

T

m

>4T

t

,

T

m

<4T

t

G



U

(s)

G

IU

(s)

G



M

(s)

G

IM

(s)

U

t

M

obc



I

t

Uproszczony
schemat blokowy
maszyny prądu
stałego

Poprawa właściwości dynamicznych silników pr. stałego

Zmniejszenie wartości stałych czasowych:

T

wzb

:

wzb

wzb

wzb

R

L

T



duża liczba zwojów cienkiego drutu, dla zmniejszenia

strat i poprawy sprawności,

zastąpienie przez stałe magnesy T

wzb

= 0,

typowe wartości T

wzb



100

– 300 ms (!)

T

t

:

t

t

t

R

L

T



mała liczba zwojów, duże prądy chwilowe, uzwojenia

bez obwodu magnetycznego,
typowe wartości T

t



3

– 15 ms

T

m

:

wzb

t

m

c

c

JR

T

2

3

2





mała bezwładność J



, silne pole magnetyczne



wzb

, uzwo-

jenia o małej liczbie zwoi grubego drutu R

t



,

typowe wartości T

m



20

– 300 ms

Silniki tarczowe
















Silniki wysoko-

obrotowe o wąskim wale, n



10 000

– 20 000 obr/min

-1

N S

N S



1.5

– 2 mm

Wirnik w formie płaskiej, lekkiej tarczy –
duży moment, mała bezwładność,

Zalety: małe J, b.

mała L

w

,

Wady: duże straty

strumienia,
mniejsza
sprawność,

N
S

N
S

Komutator
Szczotki

Magnesy trwałe
Uzwojenia naklejo-
ne na wirniku,





1,5

– 2 mm

Silniki prądu zmiennego – asynchroniczne (indukcyjne)

Konstrukcja stojana zawiera po p

– par nabiegunników dla każdej z 3 faz:

p=1

– 1 obrót pola na 1 okres zmienności: n

s

= 3000 obr/min

-1

, n

n

= 2850 obr/min

-1

p=2

– 1/2 obrotu pola na 1 okres zmienności: n

s

= 1500 obr/min

-1

, n

n

= 1420 obr/min

-1

p=3

– 1/3 obrotu pola na 1 okres zmienności: n

s

= 1000 obr/min

-1

, n

n

= 950 obr/min

-1

p=4

– 1/4 obrotu pola na 1 okres zmienności: n

s

= 750 obr/min

-1

, n

n

= 720 obr/min

-1

p=6

– 1/6 obrotu pola na 1 okres zmienności: n

s

= 500 obr/min

-1

, n

n

= 485 obr/min

-1

p=8

– 1/8 obrotu pola na 1 okres zmienności: n

s

= 375 obr/min

-1

, n

n

= 365 obr/min

-1

Konstrukcja wirnika

t

I II III

R

S

T

I.



w



R

II.



w



R



T



S



T

III.



T



S



w



R



S

Klatkowy

Pierścieniowy

Uzwojenia faz wirnika

pręty aluminiowe lub
miedziane, jedna czasem
dwie klatki