NAPĘD I STEROWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ

1. Przedstaw schemat blokowy ogólnej struktury układu sewonapędowego z silnikiem

elektrycznym.

Uze

Us

Me, We

Mm, Wm

S1

S2

SS

Sz

Uze – napięcie źródła energii

Us – napięcie na zaciskach silnika

SS, S1, S2 – sygnały sterujące

Sz – sygnały sprzężeń zwrotnych

2. Narysuj charakterystykę mechaniczną silnika prądu stałego (bocznikowego) i silnika

indukcyjnego (klatkowego) M= f(n).

silnik prądu stałego

Źródło energii
elektrycznej

Przekształtnik
energii

Silnik
elektryczny

Przekładnia
mechaniczna

Maszyna
robocza

Układ
sterujący

silnik indukcyjny

3. Wymień znane ci sposoby regulacji prędkości silnika indukcyjnego (klatkowego).



Zmiana liczby par biegunów



Zmiana częstotliwości zasilania

4. Charakterystyki mechaniczne i zasada częstotliwościowej regulacji prędkości obrotowej

silnika indukcyjnego.

Zasada częstotliwościowej regulacji prędkości obrotowej:
Częstotliwość zasilania wpływa na prędkość wirowania pola magnetycznego wytwarzanego
w stojanie, czyli na prędkość synchroniczną silnika. Zmieniając jej
wartość możemy płynnie zmieniać prędkość silnika w zakresie od postoju do
prędkości nawet przekraczającej prędkość znamionową (przekraczając prędkość

znamionową trzeba wziąć pod uwagę wytrzymałość mechaniczną silnika i wytrzymałość
elektryczną izolacji).

5. Silnik indukcyjny klatkowy pracuje obciążony stałym niezależnym od prędkości

momentem 0,5 N M ( N M -moment znamionowy silnik zasilany jest napięciem

o częstotliwości znamionowej. W jakim przypadku nastąpi większy spadek prędkość

obrotowej:

a) przy spadku napięcia zasilania o 10%,

b) przy spadku częstotliwości zasilania o 10%.

6. Jakie parametry znamionowe silnika uwzględniamy podczas doboru silnika do układu

napędowego?



Moc znamionowa silnika - musi być tak dobrana, by w danych warunkach

pracy silnik nie nagrzewał się nadmiernie a moment maksymalny silnika był większy od
momentu maksymalnego przewidywanego obciążenia.



Metoda prądu zastępczego polega na wyznaczeniu prądu Iz , ktory płynąc przez

uzwojenie silnika, wytwarza taką samą ilość ciepła jak zmienny w czasie prąd

rzeczywisty. (silnik indukcyjny)



Metoda momentu zastępczego polega na wyznaczeniu momentu zastępczego Mz,

przy założeniu że moment obrotowy jest liniową funkcją prądu. (silnik indukcyjny)

7. Oblicz moment znamionowy Mn dla silnika o parametrach Pn= 10kW, nn = 1450

obr./min., ηn = 0,95.

8. Wymień wady i zalety napędu z silnikiem krokowym.

Zalety:

● Moment trzymający, bezprądowy moment spoczynkowy (detent torque),
silniki wyposażone w magnes trwały,
● Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia są

zasilane),

● Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu dobre silniki krokowe mają dokładność
ok. 3 5% kroku i błąd ten nie kumuluje się z kroku na krok. Krok podstawowy, rozdzielczość
kątowa kroku : 15°, 7.5°, 3.6 °, 1.8°, 0.9 ° ( liczba krokow: 24, 48, 100, 200, 400)
● Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki temu, że prędkość jest
proporcjonalna do częstotliwości impulsow wejściowych,
● Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku.
● Niezawodny ze względu na brak szczotek, żywotność silnika zależy zatem tylko od
żywotności łożysk.

● Możliwość osiągnięcia bardzo niskich prędkości synchronicznych obrotow z obciążeniem
umocowanym bezpośrednio na osi.
● Jedną z najbardziej znaczących zalet silnika krokowego jest możliwość dokładnego
sterowania w pętli otwartej co oznacza, że nie potrzeba sprzężenia zwrotnego informacji o
położeniu. Eliminuje to potrzebę stosowania kosztownych urządzeń sprzężenia zwrotnego,
takich jak enkodery optoelektroniczne. Pozycje określa się zliczając impulsy wejściowe.

Wady:

● Rezonanse mechaniczne pojawiające się przy niewłaściwym sterowaniu.
● Trudności przy pracy z bardzo dużymi prędkościami.
● Malejący moment obrotowy wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.

9. Metody sterowania silnikiem krokowym, wymień rodzaje sterowań i ich właściwości.

Wśród silników krokowych można wyróżnić dwa podstawowe typy: unipolarne i bipolarne.



Zaleta sterowania bipolarnego – dobre wykorzystanie momentu obrotowego dzięki

temu, że całe uzwojenie jest w stanie prądowym po otrzymaniu impulsu.

Wada sterowania bipolarnego – bardziej rozbudowany układ sterowania.



Zaleta wariantu unipolarnego - prostszy układ połączeń i mniejsza liczba

tranzystorów.
Wada sterowania unipolarnego – jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a

zatem nie wytwarza się moment obrotowy o pełnej wartości.

RODZAJE STEROWANIA (KROK, ALGORYTMY KOMUTACJI) :



falowe - W sterowaniu falowym - jednofazowym w danym momencie zasilana jest

jedna faza. Wada: Silniki o uzwojeniach unipolarnych wykorzystują tylko 25%, a o
uzwojeniach bipolarnych 50% całkowitego uzwojenia silnika w danej chwili czasu.
Nie wykorzystuje się maksymalnego momentu wyjściowego silnika.



pełnokrokowe - W sterowaniu pełnokrokowym (dwufazowym) w każdej chwili czasu
zasilane są dwie fazy. Wynikiem tego rodzaju sterowania są takie same ruchy jak przy
sterowaniu jednofazowym z tym, że pozycja wirnika jest przesunięta o pół kroku.



półkrokowe - jest kombinacją sterowania dwufazowego i jednofazowego. Co drugi
krok jest zasilana tylko jedna faza, a w pozostałych krokach dwie fazy.



mikrokrokowe - w sterowaniu mikrokrokowym prądy w uzwojeniach zmieniają się

płynnie rozbijając w ten sposób pełny krok na wiele mniejszych. Dzięki pracy z
mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie płynniejszej pracy i dokładniejszego
pozycjonowania. Istnieje wiele różnych typów mikrokroków o podziale od 1/3 do
1/256 pełnego kroku lub jeszcze większym.

10. Wyjaśnij termin silnik BLCD.

Nazwa ta wynika z angielskiego określenia brushless DC motor i jest powszechnie używana.
Często też mowiąc o silnikach BLDC używa się wyrażenia ''silnik z komutacją
elektroniczną''.

11. Wymień głowne zalety silnika bezszczotkowego.

● bardzo duża sprawność,

● liniowa charakterystyka mechaniczna,
● wysoki stosunek momentu rozwijanego do gabarytow,
● brak komutatora,
● bardzo mała inercja wirnika.

12. Narysuj przykładowy schemat blokowy napędu hydraulicznego.

13. Podaj przynajmniej po trzy wady i zalety napędów hydrostatycznych w porównaniu

z napędami elektrycznymi.

Zalety:



Duża dokładność pozycjonowania,



Duża niezawodność,



Duże przenoszone moce,



Iskrobezpieczeństwo,



Duży współczynnik wzmocnienia (rozumiany jako stosunek mocy sygnału
wyjściowego do mocy sygnału wejściowego (~108),



Mała wrażliwość na zakłocenia,



Prostota obsługi,



Relatywnie mała zależność właściwości od obciążeń.

Wady:



Wycieki czynnika roboczego,



Występowanie zjawiska obliteracji (powodując zmniejszanie światła kanałów
przepływowych),



Znaczne koszty budowy i eksploatacji.

14. Wymień i opisz funkcje podzespołów wchodzących w skład zasilacza hydraulicznego.



Pompa - jej zadaniem jest zamiana energii mechanicznej dostarczonej z zewnątrz na

energię ciśnienia cieczy roboczej. Zasada działania pompy wyporowej polega na
przetłaczaniu dawek cieczy z przestrzeni ssawnej do tłocznej za pomocą elementow
wyporowych.



Silnik - zadaniem silnika wyporowego, nazywanego najczęściej silnikiem

hydraulicznym, jest zamiana energii ciśnienia cieczy na energię mechaniczną ruchu
obrotowego. Zasada działania silnika jest odwroceniem zasady działania pompy
wyporowej.



Manometr



Regulator ciśnienia - zadaniem elementow sterujących ciśnieniem – nazywanych
skrótowo zaworami ciśnieniowymi – jest wpływanie w określony sposob na wartość
ciśnienia w układzie hydrostatycznym lub jego części.



Zawór przelewowy – jest on jedną z dwóch odmian funkcjonalnych (ze względu na

charakter pracy) zaworów maksymalnych, których podstawowym zadaniem jest
zabezpieczenie układu hydrostatycznego lub jego części przed wzrostem ciśnienia
ponad dopuszczalną wartość.

15. Jakie zadanie w układzie hydraulicznym spełniają rozdzielacze hydrauliczne, jak mogą

być sterowane?
Sterujemy za ich pomocą kerunkiem przepływu czynnika roboczego.
Ze względu na rodzaj sygnału sterującego rozróżniamy:
1. Rozdzielacze sterowane mechanicznie.
2. Rozdzielacze sterowane hydraulicznie i pneumatycznie.
3. Rozdzielacze sterowane elektrycznie.
4. Rozdzielacze o sterowaniu mieszanym np. elektrohydraulicznym.

16. Zdefiniować, podać jednostki: wydajność teoretyczną pompy, wydajność jednostkową

pompy, wydajność rzeczywistą pompy, sprawność ogolną (całkowitą) pompy, moc
otrzymywaną z pompy (efektywną).



Wydajność teoretyczna (idealna) pompy Q,p [l/min] jest to objętościowe natężenie
przepływu cieczy, jakie pompa dostarczałaby, gdyby nie istniały wewnątrz niej żadne
przecieki, zwane stratami objętościowymi.



Wydajność jednostkowa – jest to ilość cieczy podana do przewodu tłocznego w
trakcie 1 obrotu przy cśnieniu w przewodzie tłocznym równym ciśnieniu w
przewodzie spływowym. Jednostka: [m3/obr]



Wydajność rzeczywista pompy Qp [l/min] jest to objętościowe natężenie przepływu
cieczy dostarczane przez pompę.



Sprawność całkowita pompy – 𝜂 =

𝑃

𝑜𝑡𝑟𝑧

𝑃

𝑑𝑜𝑠𝑡

[%] - jest to iloraz mocy na wyjściu do mocy

dostarczonej na wale.



Moc efektywna pompy – moc netto zużyta na zwiększenie energii płynu [kW].

17. Przedstaw przykładowe zastosowanie i opisz sposob działania (elementy składowe)
układu przedstawionego na rysunku:

18. Zdefiniować, podać jednostki: a) chłonność teoretyczną silnika, b) sprawność

rzeczywistą silnika, c) chłonność jednostkową silnika.

a) chłonność teoretyczna (idealna) silnika Qts [l/min] jest to objętościowe

natężenie przepływu cieczy, jakie płynęłoby przez silnik, gdyby nie istniały
wewnątrz silnika żadne przecieki, ani inne zjawiska powodujące zwiększenie chłonności
silnika

b) sprawność rzeczywista silnika – jest to stosunek chłonności rzeczywistej do

teoretycznej [%]

c) chłonność jednostkowa qh – minimalna ilość cieczy pobrana z przewodu tłocznego w

trakcie jednego obrotu wałka wyjściowego, przy cśnieniu w przewodzie tłocznym
równym ciśnieniu w przewodzie spływowym; [mm3/obr], [dm3/obr]

19. Narysuj charakterystyki przepływowe statyczne zaworu przelewowego.

jednostopniowego

dwustopniowego

20. Narysuj charakterystyki przepływowe statyczne zaworu dławiącego.

21. Wymień znane ci rodzaje prowadnic i porownaj ich właściwości.

a) prowadnice ślizgowe:



typu „jaskółczy ogon”



prostokątne



walcowe

Są konstrukcyjnie najprostsze, co nie oznacza, że ich właściwe wykonanie jest łatwe i
tanie. Ze wszystkich typow prowadnic charakteryzują się – w okresie swego
prawidłowego działania – największą sztywnością , tj. najmniejszym ugięciem
pod działaniem obciążenia.
Największą z kolei ich wadę stanowi duży i nierownomierny opor ruchu,wymagający
kosztownych jednostek napędowych o dużej mocy oraz powodujący szybkie
zużywanie się wspołpracujących elementow.

Inne problemy związane ze stosowaniem prowadnic ślizgowych to:
• Drgania cierne i niszczenie podczas montaż u oraz docierania
• Bicie, zarysowania, szybkie zniszczenie – konieczność względnie częstej,
kosztownej i czasochłonnej wymiany
• Krotka żywotność pod wysokim obciążeniem
• Krotka żywotność oraz niedostateczne smarowanie wynikające z wilgotności
środowiska
• Korozja cierna.

b) prowadnice toczne



Łożyskowanie w takiej prowadnicy wykazuje 50-krotnie mniejszy
wspołczynnik tarcia niż przy łożyskowaniu ślizgowym.



Rożnica pomiędzy tarciem statycznym i dynamicznym jest niewielka, przy
tym siła ruchu jałowego jest niewiele większa od siły ruchu przy obciążeniu
znamionowym.



Nie występują efekty drgań ciernych.



Dzięki niskim wspołczynnikom tarcia potrzebne są małe siły napędowe, siła
napędowa pozostaje stała w obu kierunkach, wymaga tylko minimalnego
smarowania, montaż profilowej prowadnicy szynowej jest bardzo łatwy.

22. Od jakich parametrow pracy zależy żywotność prowadnicy?

Żywotność bez uwzględnienia wspołczynnika pracy:

𝐿 = (

𝐶𝑑𝑦𝑛

𝑃

)

3

L – znamionowa żywotność dla 50km
Cdyn – dynamiczna nośność [N]
P - dynamiczne ekwiwalentne obciążenia [N]

𝐿 = (

𝑓

𝐻

∙ 𝑓

𝑇

∙ 𝐶

𝑑𝑦𝑛

𝑓

𝑊

∙ 𝑃

)

3

𝑓

𝐻

- wsp. twardości

𝑓

𝑇

- wsp. temperaturowy

𝑓

𝑊

– wsp. udaru