Napędy Elektryczne
Studium Podyplomowe - Mechatronika
Napędy elektryczne i konkurencja
Napęd/
właściwości użyt- Elektryczny Pneumatyczny Hydrauliczny
kowe
Rodzaj ruchu: obrót +++ + +
liniowy +, przekładnie +++ +++
Gęstość mocy 0.1-0.2
[kW/kg] do 2 2  10 20 - 50
Prędkość 0.5-1 1  2 0.1
[m/s] do 10 do 15
Dokładność 100 200  500 20
do 5 do 20 do 2
liniowa [mðm]
Koszt [100%] 100 30  80 200 - 300
Sprawność [%] 40  80 10  20 10 - 20
Ekologia/ hałas +++/++ ++/+ -/+++
A
atwość zabudowy ++ ++ -
Miniaturyzacja [g] 0.1  10 5  30 100 - 500
Struktura ogólna napędu elektrycznego
Układ sterowania Typ maszyny Wielkość wyj-
Układ regulacji
el. wykonawczy elektrycznej ściowa
1. przekaz
niki,
1. Zasilanie sieciowe 1. Silniki prÄ…du
1. prędkość
blokady
przełączalne zmiennego i
stałego,
2. prędkość i/
2. regulatory
2. Sterowane zasila-
lub położenie
prędkości i po-
cze pr. =, falowni- 2. Silniki prÄ…du
łożenia
ki, softstart zmiennego i
3. położenie i
stałego krokowe
moment
3. sterowniki po-
3. Falowniki stero-
lem magne-
wane, komut. elek- 3. Silniki bez-
tycznym
troniczne szczotkowe,
kompakt. ð
Układ pomiarowy
1. Przekaz
niki
2. PrÄ…dnice tachometryczne,
resolwery, przetworniki im-
pulsowe
3. resolwery, przetworniki
impulsowe, pomiar momen-
tu tensometr.
Silniki elektryczne  charakterystyka ogólna
Mem =ð c ×ð Fðs ´ð Fðr
Zasada działania
Zalety Wady
Silniki prądu sta- mała masa zasilane przez pro-
łego duży moment mechaniczny stownik
wysoka sprawność koszt
Å‚atwa regulacja konserwacja
wysokie obroty hałas
praca dorywcza
Silniki prądu zasilanie z sieci mały moment rozru-
zmiennego bardzo trwałe chowy
ciche trudna regulacja obro-
bezobsługowe tów
tanie ciężar
ograniczone obroty
Silniki krokowe bezpośrednia kontrola zasilanie
ciche mały moment mech.
trwałe duża masa
koszt
niska sprawność
Silniki bezszczot- bardzo duży moment drogie
kowe mała masa zasilanie
bardzo dobra regulacja
ciche
bezobsługowe
trwałe
wysokie obroty
Silniki elektryczne prądu stałego
Fðs Dużo zwojów cienkiego drutu qðs=zs Is
Is płynie zawsze, Is powinno być małe
Fðw MaÅ‚o zwojów grubego drutu qðt= zt It
It wzrasta tylko przy obciążeniu, Rtð 0
Fðw StrumieÅ„ wytwarzany do korekcji pola tylko w
dużych silnikach
n
Fðs Fðs Fðs
Fðs
Fðt
Fðt
Silnik siÄ™ zatrzymu-
je
Fðt
Mem
Mem=0
Mem
Mem=max
Fðt 0 Mnom Mmax
Silnik bocznikowy Silnik obcowzbudny
Rwzb It
Rwzb It
E1 Lwzb E2 Rt, Lt
E1
Lwzb Rt, Lt
Iwzb SEM
Iwzb SEM
wð
Rd wð
Rd
Fðwzb Fðt
Fðwzb Fðt
Równania silnika
Wzbudzenie Równania twornika
d
Ut =ð RtIt +ð Lt I +ðc2Fðwzbwð
t
dt
d
d
E1 =ð (Rwzb +ð Rd )Iwzb +ð Lwzb Iwzb.
Mem -ð Mobc =ð J wð
dt
dt
Ut =ð E1 lub E2
Mem @ð c'3 FðwzbFðt @ð c3FðwzbIt
S tan ustalony
E1
Iwzb =ð =ð const. Fðwzb =ð const.
Rwzb +ð Rd
Ut MobcRt
wð =ð -ð =ð að'0-ðað'1 Mobc
c2Fðwzb c2c3Fð2
wzb
Silnik obcowzbudny
E1 MobcRt E1 lð1
wð =ð -ð =ð lð0 -ð Mobc
c2Fðwzb c2c3Fð2 Fðwzb Fð2
wzb wzb
E1
Fðwzb =ð c
Silnik bocznikowy
Rwzb +ð Rd
E1(Rwzb +ð Rd ) cMobcRt (Rwzb +ð Rd ) Mobc
wð =ð -ð =ð lð0 -ð lð1
cE1
c2c3E12 E12
Regulacja prędkości obrotowej w silniku obcowzbudnym
Regulacja napięciem zasilania Regulacja strumieniem
n n wzbudzenia
U1 Rd1
U2 Rdn
U3 Rd min
U4 < U3 0 Mobc 0 Mmax1 Mmaxn Mmax
Podstawowe parametry elektryczne silników prądu stałego
Un  napięcie nominalne [V]
In  prąd nominalny [A] (przy nominalnym, długotrwałym obciążeniu
mech.)
Imax  prąd maksymalny [A] (przy krótkotrwałym np. 0,5 s obciąże-
niu mech.)
Mn  moment nominalny [Nm] (przy nominalnym, długotrwałym
obciążeniu mech.)
Mmax  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)
d
d
ïð
It =ð 0üð
Ut =ð Rt It +ð Lt I +ðc2Fðwzbwð
Ut =ð cnFðwzbwð
t
Þð
żð
dt
dt
It @ð 0 ïð
þð
DðUt
cn =ð
Dðwð
Stała momentowa [Nm/A]- określa przyrost prądu twornika silnika
przy zmianie momentu obciążenia mechanicznego (w stanie
ustalonym przy zadanym strumieniu wzbudzenia)
Mem @ð c3FðwzbIt Fðwzb =ð const Þð
DðM
em
cm =ð
DðIt
Rozruch silników prądu stałego
Ut
It,roz =ð ®ðð (10 -ð 50)In gdy Rd =ð 0
Rt
wð
wðN
Rd=0
Rwzb, Lwzb
R1
Fðwzb ­ð
R1+R2
R1 R2 R3 Rt, Lt
R1+R2+R3
E
Ut Q1 Q2 Q3
Mo Mðc It
Irozr1 ð 2 ¸ð 3IN
Hamowanie silnika prądu stałego
UN
1. Praca generatorowa przy
zmniejszaniu napięcia zasilania
U1 < UN
Zmniejszanie napięcia zapewnia
U2 < U1
ograniczenie prÄ…du twornika i nie-
wielkie straty,
U3 < U2
maÅ‚y moment hamujÄ…cy przy n ð 0
M<0 Mobc MN M
It <0 It >0
2. Hamowanie dynamiczne
Rwzb, Lwzb
Rh=0
Fðwzb ­ð
Rh>>0
Rt, Lt
Rh It E
Mo MN
Niski moment hamujÄ…cy dla n ®ð 0
2 . Z zastosowaniem oporników rozruchowych
wð
Rwzb, Lwzb
R1+R2+R3
Fðwzb ­ð
R1+R2
R1 R2 R3 Rt, Lt
R1
E
Rd=0
Q1 Q2 Q3
It < 0 .
3. Hamowanie przeciw-włączeniowe
Energia rozpraszana w Rh,
Rwzb, Lwzb
Duże straty,
Fðwzb ­ð
Rh ð 10 =- 20 Rt
E
Ut Rh
Właściwości dynamiczne silników prądu stałego
d
Uwzb(t) =ð RwzbIwzb(t) +ð Lwzb Iwzb(t) Þð
dt
Obwód wzbudzenia:
Uwzb(s) =ð RwzbIwzb(s) +ð sLwzbIwzb(s) Þð
kwzb 1 Lwzb
Iwzb(s) =ð Uwzb(s), kwzb =ð , Twzb =ð
1+ð sTwzb Rwzb Rwzb
Obwód twornika (przy zaÅ‚ożeniu że Fðwzb=cons.)
d
Ut (t) =ð RtIt (t) +ð Lt I (t) +ð c2Fðwzbwð(t) Þð Ut (s) =ð RtIt (s) +ð sLtI (s) +ð c2Fðwzbwð(s)
t t
dt
d
Mem(t) -ð Mobc(t) =ð J wð(t) Þð Mem(s) -ð Mobc(s) =ð sJwð(s)
dt
Mem(t) @ð c'3 FðwzbFðt (t) @ð c3FðwzbIt (t) Þð Mem(s) =ð c3FðwzbIt (s)
1 c2Fðwzb
1 Lt
DðIt (t) =ð DðUt (s) -ð Dðwð(s)
kt =ð , Tt =ð
Rt +ð sLt Rt +ð sLt
Rt Rt
1
Dðwð(s) =ð (DðMem(s) -ð DðMobc(s))
DðMem(s) =ð c3FðwzbDðIt (s)
sJ
Schemat blokowy silnika obcowzbudnego lub z magnesami trwałymi
- Dð Mobc
DðUt DðIt Dð Mem Dð wð
kt 1
+
c3 Fðwzb + sJ
- 1+ð sTt
ktc3Fðwzb
Dðwð(s) =ð DðUt(s)
Dð SEM
sJ(1+ð sTt ) +ð c2c3Fð2
wzb
c2Fðwzb
Þð
kwðU
Dðwð(s) =ð DðUt (s),
GwðU(s)
1+ð sTm +ð s2TmTt
1 J
kwðU =ð , Tm =ð
c2Fðwzb ktc2c3Fð2
wzb
-ð kwð M
1
Dðwð(s) =ð DðMobc(s),
kwð M =ð
GwðM(s)
1+ð sTm +ð s2TmTt
c2c3Fð2
wzb
-ð b +ð Dð JRt 4Lt
s1,2 =ð , Dð =ð Tm2 -ð 4TmTt >ð 0 Ûð Tm >ð 4Tt Ûð >ð
2a c2c3LtFð2 Rt
wzb
Tm>4Tt, Tm<4Tt
wð
wð
Dð Ut Dð Mobc
t
t
It
skI U
J
DðIt (s) =ð DðUt (s),
kIU =ð
GIU(s)
1+ð sTm +ð s2TmTt
c2c3Fð2
wzb
+ð kI M
1
DðIt (s) =ð DðMobc(s),
kI M =ð
GIM(s)
1+ð sTm +ð s2TmTt
c3Fðwzbkt
It It
Tm>4Tt, Tm<4Tt
t t
Ut
wð
Uproszczony
GwðU(s)
schemat blokowy
maszyny prÄ…du
GIU(s)
stałego
GwðM(s)
Mobc
It
GIM(s)
Poprawa właściwości dynamicznych silników pr. stałego
Zmniejszenie wartości stałych czasowych:
Lwzb
Twzb =ð
Twzb: duża liczba zwojów cienkiego drutu, dla zmniejszenia
Rwzb
strat i poprawy sprawności,
zastąpienie przez stałe magnesy Twzb = 0,
typowe wartoÅ›ci Twzb ð 100  300 ms (!)
Lt
Tt =ð
Tt : mała liczba zwojów, duże prądy chwilowe, uzwojenia
Rt
bez obwodu magnetycznego,
typowe wartoÅ›ci Tt ð 3  15 ms
JRt
Tm =ð
Tm: maÅ‚a bezwÅ‚adność J Å»ð, silne pole magnetyczne Fðwzb, uzwo-
c2c3Fð2
wzb
jenia o maÅ‚ej liczbie zwoi grubego drutu Rt Å»ð,
typowe wartoÅ›ci Tm ð 20  300 ms
Silniki tarczowe
Wirnik w formie płaskiej, lekkiej tarczy 
duży moment, mała bezwładność,
Zalety: małe J, b.
N S
mała Lw,
Wady: duże straty
strumienia,
mniejsza
sprawność,
N S
sðð1.5  2 mm
Silniki wysoko-obrotowe o wÄ…skim wale, n ð10 000  20 000 obr/min-1
Magnesy trwałe
N
S Uzwojenia naklejo-
ne na wirniku,
sð ð 1,5  2 mm
N
Komutator
S
Szczotki
Silniki prÄ…du zmiennego  asynchroniczne (indukcyjne)
R S T
t
I II III
I. Fðw
FðR II. Fðw
FðR
FðT FðS FðT III. FðT
FðS Fðw FðR
FðS
Konstrukcja stojana zawiera po p  par nabiegunników dla każdej z 3 faz:
p=1  1 obrót pola na 1 okres zmienności: ns = 3000 obr/min-1, nn = 2850 obr/min-1
p=2  1/2 obrotu pola na 1 okres zmienności: ns = 1500 obr/min-1, nn = 1420 obr/min-1
p=3  1/3 obrotu pola na 1 okres zmienności: ns = 1000 obr/min-1, nn = 950 obr/min-1
p=4  1/4 obrotu pola na 1 okres zmienności: ns = 750 obr/min-1, nn = 720 obr/min-1
p=6  1/6 obrotu pola na 1 okres zmienności: ns = 500 obr/min-1, nn = 485 obr/min-1
p=8  1/8 obrotu pola na 1 okres zmienności: ns = 375 obr/min-1, nn = 365 obr/min-1
Konstrukcja wirnika
Klatkowy Pierścieniowy Uzwojenia faz wirnika
pręty aluminiowe lub
miedziane, jedna czasem
dwie klatki