UKŁADY NAPĘDOWE 2

1.5. Układy napędowe prądu stałego

W napędach głównych obrabiarek sterowanych numerycznie stosowane
są:

•

bocznikowe komutatorowe silniki prądu stałego,

a w napędach ruchu posuwowego silniki:

 komutatorowe obcowzbudne ze wzbudzeniem od magnesów

trwałych,

 bezszczotkowe prądu stałego,

1. 5.1. Komutatorowe silniki prądu stałego

Rys. 1. Komutatorowy silnik prądu stałego z magnesami trwałymi: a)

przekrój wzdłużny, b) stojan z magnesami w przekroju poprzecznym

Rys. 7.10. Zasada działania silnika prądu stałego bocznikowego













a

60

n

p

z

2

E

(1.1)

gdzie: p - liczba par biegunów stojana,  - strumień magnetyczny

przypadający na parę biegunów stojana, z - liczba zwojów wirnika,
a - liczba par gałęzi równoległych uzwojeń wirnika, n - prędkość
obrotowa wirnika.

a

60

p

z

2

k

E









(1.2)

(1.3)

E = k

E

n 











E

t

t

k

I

R

U

n

gdzie: U - napięcie zasilające wirnik, R

t

- rezystancja w obwodzie

wirnika, I

t

- prąd w obwodzie wirnika.

E = U – R

t

I

t

(1.4)

(1.5)

stąd

t

I

a

p

z

M















a

p

z

k

M









(1.6)

(1.7)

t

M

I

k

M









(1.8)

(1.9)

55

,

9

30

k

k

E

M







M

k

k

R

k

U

n

2

M

E

t

E

















M

N

M

dop

= f (n)

N

dop

= f (n)

N

dop

= const

n

M

dop

= const

U<U

zn

U

zn



zn

<

zn

(1.10
)

Rys. 7.11. Charakterystyki mechaniczne silnika prądu stałego

const

I

k

M

max

t

M

dop











(1.11
)

const

I

U

N

max

t

t

dop







(1.12
)

Typ:

Znamionowa

prędkość

obrotwa

Znamionowy

moment

obrotowy

Moc

znamionowa

Zakres

zmian

prędkości

Prąd

znamionowy

[1/min]

[Nm]

[kW]

[1/min]

[A]

Napięcie zasilania 300V Napięcie wzbudzenia 310V

1GG5 100-0FG4

3720

4,6

1,8

504100

7,4

1GG5 108-0EH4

3200

24,5

8,2

503570

32

1GG5 116-0GL4

2800

47,6

14

503140

53

Napięcie zasilania 460V Napięcie wzbudzenia 310V

1GG5 100-0EE4

3100

6,5

2,1

507000

5,7

1GG5 104-0EF4

3200

13,7

4,6

504800

12

1GG5 116-0GH4

2900

47,9

14,5

505800

36

1GG5 136-0GJ 4

3300

109

37,5

503900

89

1GG5 164-0GL4

3300

173

59

503450

140

Tab. 7.1. Parametry obcowzbudnych silników prądu stałego firmy SIEMENS

do napędu głównego

Tab. 7.2. Parametry serwonapędowych obcowzbudnych silników prądu

stałego firmy PORTER

Typ:

Maksymalna

prędkość

obrotowa

Znamionowy

moment

obrotowy

Napięcie

zasilania

Moment

bezwładnośc

i

Przeciążenie

chwilowe

momentem

[1/min]

[Nm]

[V]

[kgcm

2

]

[Nm]

DF4-5680

3000

15

110

120

60

PF4-5680

3000

30

110

219

118

ZF4-5680

3000

29

120

324

190

ZNF4-5680

3000

27

120

449

257

MF3-2100

1900

95

200

1030

202

ZGF3-2100

2400

161

200

1770

324

ABF3-2100

2500

225

200

2470

500

1.5.2. Układ napędowy Ward-Leonarda

Rys. 7.12. Układ napędowy Ward-Leonarda: M2 - silnik prądu

stałego, G1 - prądnica główna zasilająca obwód wirnika

silnika M2, G2 - prądnica (wzbudnica) zasilająca obwód

wzbudzenia silnika M1 i prądnicy G1, M1 - silnik

asynchroniczny napędzający prądnicę G1 i wzbudnicę G2

1.5.3. Tyrystorowe układy napędowe

Rys. 7.13. Zasada działania tyrystorowego zasilania silnika

prądu stałego

M

~U

z











U

s

I

a



z

t

U

s

U

U

sk

t

Rys. 7.14. Układy tyrystorowe jedno-, dwu-, trzy- i sześcio-

pulsowe

Rys. 7.15. Schemat blokowy tyrystorowego układu

napędowego ze sprzężeniem zwrotnym: prędkościowym i

prądowym

Regulator

prędkości

Regulator

prądu

Sterownik

Zapłonnik

R S T

M

n

U

J

= K

J

I

t

U

PT

= K

PT

n

1

K

3

K

2

K

1



U

3

U

2

U

1

U



U

Z

+

+

2

-

n

-

I

t

U

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

1.5.4. Tyrystorowy układ regulacji
prędkości

Rys. 7.16. Schemat blokowy tyrystorowego układu napędowego ze

sprzężeniem zwrotnym: prędkościowym

Regulator

prędkości

Ogranicznik

prądów

dynamicznych

Sterownik

Zapłonnik

R S T

U

PT

= K

PT

n

K

3

K

1

K

2

U

1



U

2

U



U

Z

+

1

-

I

t

U

M

n

n

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

n

K

U

U

U

U

PT

Z

PT

Z













J

t

1

J

1

2

K

I

K

U

U

U

U















3

2

2

K

K

U

n







PT

3

2

1

J

3

2

t

3

2

1

Z

K

K

K

K

1

K

K

K

I

K

K

K

U

n

























(7.13
)

(7.14
)
(7.15
)

(7.16
)

(7.17
)

Regulator

prędkości

Regulator

prądu

Sterownik

Zapłonnik

R S T

M

n

U

J

= K

J

I

t

U

PT

= K

PT

n

1

K

3

K

2

K

1



U

3

U

2

U

1

U



U

Z

+

+

2

-

n

-

I

t

U

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

1

1

K

U

U





Regulator

prędkości

Ogranicznik

prądów

dynamicznych

Sterownik

Zapłonnik

R S T

U

PT

= K

PT

n

K

3

K

1

K

2

U

1



U

2

U



U

Z

+

1

-

I

t

U

M

n

n

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

n

K

U

U

U

U

PT

Z

PT

Z













3

2

1

K

K

K

U

n











PT

3

2

1

3

2

1

Z

K

K

K

K

1

K

K

K

U

n

















(7.18
)

1

1

K

U

U





(7.19
)

2

1

2

K

U

U 

(7.20
)

(7.21
)

(7.22
)

1.5.5. Serwomechanizm z silnikiem prądu
stałego

Regulator

prędkości

Regulator

położenia

Ogranicznik

prądów

dynamicznych

Sterownik

Zapłonnik

U

PT

= K

PT

n

K

p

K

1

K

2

U

1

U

2

U



U

z

x

gen

+

+



x

ist

lub 

ist

-

-

I

t

U

R S T

K

3



M

n



X v

n



h

Liniowy układ

pomiarowy

położenia

Układ

pomiarowy

położenia

Zespół

przesuwny

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

Tyrystorowy układ

napędowy

Sterownik napędu w

układzie sterowania

numerycznego

Rys. 7.17. Schemat blokowy serwonapędu z silnikiem prądu stałego

Regulator

prędkości

Regulator

położenia

Ogranicznik

prądów

dynamicznych

Sterownik

Zapłonnik

U

PT

= K

PT

n

K

p

K

1

K

2

U

1

U

2

U



U

z

x

gen

+

+



x

ist

lub 

ist

-

-

I

t

U

R S T

K

3



M

n



X v

n



h

Liniowy układ

pomiarowy

położenia

Układ

pomiarowy

położenia

Zespół

przesuwny

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

Tyrystorowy układ

napędowy

Sterownik napędu w

układzie sterowania

numerycznego

ist

gen

x

x











ist

gen

p

p

Z

x

x

K

K

U













n

h

v





h

K

K

K

K

1

K

K

K

K

v

PT

3

2

1

3

2

1

p



















h

K

K

K

K

1

K

K

K

K

v

K

PT

3

2

1

3

2

1

p

v





















(7.23)

(7.24)

(7.25)

(7.26)

(7.27)

Regulator

prędkości

Regulator

położenia

Ogranicznik

prądów

dynamicznych

Sterownik

Zapłonnik

U

PT

= K

PT

n

K

p

K

1

K

2

U

1

U

2

U



U

z

x

gen

+

+



x

ist

lub 

ist

-

-

I

t

U

R S T

K

3



M

n



X v

n



h

Liniowy układ

pomiarowy

położenia

Układ

pomiarowy

położenia

Zespół

przesuwny

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

Tyrystorowy układ

napędowy

Sterownik napędu w

układzie sterowania

numerycznego

E

1

= E



K

1

= (E

z

- E

i

) K

1

(7.28)

Jeżeli pominąć obecność sprzężenia prędkościowego E

v

, ( E

2

= E

3

) to:

E

3

= E



K

1

K

2

(7.29)

gdzie: K

2

- wzmocnienie regulatora prędkości, E

3

- sygnał

sterujący dopływem energii do silnika.

Prędkość kątowa w [rad/s] wału silnika wynosi:

 = E



K

1

K

2

K

S

K

E

(7.30)

gdzie: K

S

- wzmocnienie zasilacza tyrystorowego, K

E

- stała

napięciowa silnika prądu stałego.

Ważną wielkością charakterystyczną serwomechanizmu jest współczynnik
wzmocnienia prędkościowego k

v

, który określony jest zależnością:

k

v

= = K

1

K

2

K

S

K

E

E



(

7.31)

[s

-1

]

(7.32)
gdzie: v - prędkość ruchu [mm/s],
 - uchyb położeniowy [mm].

 =

(7.33)

k

v

=

(7.34)

Regulator

prędkości

Regulator

położenia

Ogranicznik

prądów

dynamicznych

Sterownik

Zapłonnik

U

PT

= K

PT

n

K

p

K

1

K

2

U

1

U

2

U



U

z

x

gen

+

+



x

ist

lub 

ist

-

-

I

t

U

R S T

K

3



M

n



X v

n



h

Liniowy układ

pomiarowy

położenia

Układ

pomiarowy

położenia

Zespół

przesuwny

Prądnica

tacho-

metryczna

Silnik

prądu

stałego

Tyrystorowy układ

napędowy

Sterownik napędu w

układzie sterowania

numerycznego





V

k

V





PT

E

S

2

E

S

2

1

K

K

K

K

1

K

K

K

K

E





PT

E

S

2

E

S

2

1

K

K

K

K

1

K

K

K

K

K





czas t

x

zad

x

x

gen

e

X

x

ist

T



Rys. Ilustracja generowania przemieszczeń w osi X oraz powstawania

uchybu położenia

T

x

tg

V

zad







1.5.6. Napędy prądu stałego z silnikami
bezkomutatorowymi

Rys. 7.18. Bezkomutatorowy silnik prądu stałego lub silnik

synchroniczny prądu przemiennego: 1–wał silnika, 2–uzwojenia w

stojanie, 3–łożyska wirnika, 4–czujnik położenia kątowego wirnika, 5–

wentylator, 6–hamulec, 7– pierścień uszczelniający, 8–wirnik z

segmentami magnetycznymi (magnesy trwałe)

U

PT

(n

ist

)

U

3

()

U

2

(

n

)

U

1

(n

zad

)

U

ist

(

ist

)

U



()

U

Z

(

zad

)

Prostownik

tyrystorowy

Regulator

prędkości

Regulator

położenia



n

Silnik

Czujnik

położenia

kątowego

n



2=

R S T

U

S

Komutator

elektroniczny



ist

Zespół zasilania

silnika

Rys. 7.19. Schemat blokowy układu regulacji prędkości z silnikiem z

komutacją elektroniczną

Silniki skokowe

Silnik skokowy zwany także silnikiem krokowym przetwarza ciąg

impulsów sterujących na ciąg obrotów kątowych. Kąt obrotu wirnika jest
proporcjonalny do liczby impulsów sterujących, a prędkość obrotowa  do
częstotliwości tych impulsów. Silniki skokowe znalazły zastosowanie przede
wszystkim w tych robotach, gdzie obciążenie jest relatywnie niewielkie. Silniki
skokowe mogą pracować w układzie otwartym sterowania, bez kontroli
wykonanego położenia, ponieważ po każdym impulsie sterującym wirnik
wykonuje obrót o ściśle określony kąt. Wartość tego kąta, odpowiadającego
pojedynczemu impulsowi sterującemu, nazywana jest skokiem lub krokiem
silnika. Układ z silnikami skokowymi reaguje na serię impulsów tak, że
wykonywany ruch o dokładnie określonej liczbie skoków odpowiada ściśle
liczbie impulsów.

Ze względu na zasadę działania i cechy konstrukcyjne silniki skokowe

można podzielić na trzy zasadnicze grupy:

• silniki o wirniku biernym (reluktancyjne) z momentem reluktancyjnym,
• silniki o wirniku czynnym (prawie wyłącznie maszyny magnetoelektryczne),
wykorzystujące moment synchroniczny wzbudzeniowy,
• silniki hybrydowe, wykorzystujące zarówno moment synchroniczny, jak i
moment reluktancyjny.

Na rys. pokazana jest zasada działania trójfazowego silnika skokowego
reluktancyjnego o sześciu biegunach na stojanie. Układ faz składa się z
uzwojeń sterowania fazy pierwszej (11, 12), fazy drugiej (21, 22) i fazy
trzeciej (31, 32).

e )

1

2

d )

a )

I V

1

2

2

1

2

3

I

2

1

1

3

b )

V

I I

f )

V I

c )

I I I

Kiedy prąd pojawi się w uzwojeniach 11, 12 fazy pierwszej  wirnik zajmuje pozycję
I (rys. a), w której wartość reluktancji dla strumienia magnetycznego jest
minimalna. Gdy w następnej chwili prąd występuje w uzwojeniach 11, 12 fazy
pierwszej i jednocześnie w 21, 22 fazy drugiej, wirnik zajmie położenie pośrednie II
(rys. b). Następnie w paśmie 11, 12 nie ma już prądów i wirnik pod działaniem sił
pola magnetycznego od prądów w uzwojeniach 21, 22 zajmuje położenie III (rys. c)
itd. Następne zmiany prądów powodują kolejne zmiany pozycji wirnika (rys. d→ rys.
7.25e→ rys. f).

W celu polepszenia charakterystyk silniki skokowe wykonywane są ze

zwiększoną liczbą faz: czterofazowe, pięciofazowe (i nawet z większą ilością
faz), ponieważ ze wzrostem liczby faz maszyny elektrycznej zwiększają się
moment obrotowy i liczba skoków na jeden obrót (to znaczy maleje wartość
skoku znamionowego).

Struktura czterofazowego silnika skokowego pokazana jest na rys.

Silnik zawiera osiem biegunów wydatnych z ulokowanymi na każdym z nich
trzema zębami oraz 30 zębów na wirniku. Silnik ten może realizować pracę
pełnoskokową z komutacją: 1

 2  3  4  1 … (komutacja czterotaktowa

pojedyncza) lub 1, 2

 2, 3  3, 4  4, 1  1, 2 … (komutacja czterotaktowa

parowa symetryczna), półskokową: 1

 1, 2  2  2, 3  3  3, 4  4  4, 1  1  …

(komutacja ośmiotaktowa parowa niesymetryczna) oraz inny rodzaj pracy z
odpowiednio zmieniającą się kombinacją włączonych grup faz: 1, 2

 1, 2, 3  2,

3

 2, 3, 4  3, 4  3, 4, 1  1, 2  ... itd.

V I I

3

2

V I

2

2

V

1

2

V I I I

I

4

2

1

1

1

3

I I I

1

4

I V

2

1

I I

W konstrukcji na nabiegunnikach stojana są wykonane zęby (o takie

samej podziałce jak podziałka żłobkowa wirnika) w ten sposób, że pod
przeciwległymi biegunami ustawione są zęby stojana i wirnika naprzeciwko
siebie, a pozostałe bieguny przesunięte są o 1/4 podziałki żłobkowej do
zębów wirnika. Zatem podziałka żłobkowa wirnika stanowi . Przy komutacji
niesymetrycznej ośmiotaktowej według algorytmu 1

 1, 2 – 2  2, 3 – 3  3, 4 –

4

 4, 1 – 1 … otrzymuje się skok odpowiadający 1/8 podziałki żłobkowej

wirnika (skok pojedynczy stanowi: 12/8 = 1,5 przy 240 skokach w jednym
obrocie wirnika).

Wartość skoku silnika reluktancyjnego przy komutacji symetrycznej

(n = 1) wynosi















3

4

30

360

360

m

Z

R

r



a liczba skoków w jednym obrocie wirnika stanowi n

s

= 360

0

/3

0

= 120.

Rozpowszechnionym silnikiem w napędach maszyn jest silnik

pięciosekcyjny

Każda sekcja stojana posiada taką samą liczbę ząbków jak wirnik, ale
przesuniętych o 1/5 podziałki. Kolejność włączania poszczególnych sekcji
realizowana jest wg dwóch sposobów: obrót o całą podziałkę odbywa się po 5
impulsach, albo po 10 impulsach sterujących.
W pierwszym przypadku elementarny obrót wałka wynosi:

0

3

5

z

360

=





w drugim przypadku:

0

5

,

1

10

z

360

=



