NAPĘD

ELEKTRYCZNY

Teresa Orłowska-Kowalska,

prof. dr hab. inż.

Zakład Napędów Elektrycznych

http://zne.imne.pwr.wroc.pl

godz. konsultacji: śr.11-13, pt.9-

11

WYKŁAD 7

Charakterystyki silnika

szeregowego prądu

stałego

i ich kształtowanie

Charakterystyki silnika szeregowego

prądu stałego

Nazwa maszyny szeregowej wynika ze sposobu
połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem
twornika:

I

t

=I

w

; R

w

≈R

t

.

Charakterystyka silnika szeregowego

prądu stałego

Równanie charakterystyki elektromechanicznej

silnika szeregowego przyjmuje postać:

(1)

gdzie



w

(I

t

)– strumień wzbudzenia przy danym prądzie

twornika I

t

.

Przyjmując:



w

= cI

t

(praca na prostoliniowej

części charakterystyki magnesowania) oraz (R

t

+R

w

) I

t

<< U

t

można wykazać, że charakterystyka

elektromechaniczna silnika szeregowego ma

przebieg hiperboliczny:

(2)

gdzie – teoretyczna stała konstrukcyjna.

 

 

,

t

t

w

e

d

w

t

t

w

e

I

I

k

R

R

R

I

k

U



















,

t

t

e

w

t

t

I

k

cI

k

R

R

I

U











Charakterystyki silnika szeregowego

prądu stałego

Charakterystyka



= f (I

t

) należy do

charakterystyk miękkich.

Moment elektromagnetyczny SSz:

(3)

W przypadku znacznych przeciążeń momentem
SSz jest korzystniejszy od bocznikowego
(obcowzbudnego), gdyż wówczas pobiera z sieci
prąd o mniejszym natężeniu.
Tę zaletę SSz wykorzystuje się w układach
napędowych o ciężkim rozruchu, np. w trakcji,
urządzeniach transportowych.

,

2

t

e

t

w

e

e

cI

k

I

k

M







Regulacja prędkości SSz

Możliwości regulacji prędkości kątowej

SSzwynikają z zależności (1) i (2):

1-  regulacja napięciem zasilania,
2 - regulacja rezystancji dodatkowej w

obwodzie twornika,

3 - regulacja przez bocznikowanie uzwojenia

twornika,

4 - regulacja przez bocznikowanie uzwojenia

wzbudzenia.

Ad.1 – U=var
Jest to regulacja

„w dół” – aby

uzyskać płynność

– regulowane

źródło napięcia

(przekształtnik)

Regulacja prędkości SSz –

R

d

=var

Ad.2 – Rd=var

Jest to też regulacja „w dół”.

Następuje spadek

sprawności wraz ze zmniejszaniem się prędkości
kątowej (podobnie jak w SPS - chociaż w
mniejszym stopniu).

Regulacja prędkości SSz -

R

bt

=var

Ad.3 – R

bt

=var

Bocznikowanie obwodu twornika zwiększa

sztywność charakterystyki el.-mech. oraz może

zapobiec rozbieganiu się silnika szeregowego

przy jego znacznym odciążeniu.

Regulacja prędkości SSz

-

R

bw

=var

Ad. 4 – R

bw

=var

Bocznikowanie uzwojenia wzbudzenia powoduje

osłabienie prądu (strumienia) wzbudzenia - jest

to regulacja prędkości „w górę”.
Ten sposób regulacji często jest stosowany w

trakcji w celu zwiększenia prędkości jazdy

pociągu.

Hamowanie SSz

Hamowanie elektryczne SSz można teoretycznie

zrealizować trzema metodami:

• odzyskową,

• dynamiczną,

• przeciwwłączeniową.

Hamowanie odzyskowe

(dla prędkości



>



 

0

) jest

dla SSz

w zasadzie niemożliwe

, ponieważ



0

= .

Hamowanie odzyskowe można jednak zrealizować

w tzw. warunkach sztucznych, przy specjalnych

(rzadko stosowanych) połączeniach uzwojeń

maszyny.

Powszechnie stosowane

jest hamowanie

dynamiczne

(prądnicowe, na rezystor hamujący),

które może odbywać się w

układzie

samowzbudnym lub obcowzbudnym.

Hamowanie dynamiczne SSz

W układzie samowzbudnym

należy zachować

ten sam kierunek prądu w obwodzie wzbudzenia,

jaki występował przy pracy silnikowej. W innym

przypadku maszyna może się nie wzbudzić.

W układzie obcowzbudnym

należy pamiętać,

że prąd wzbudzenia jest równy prądowi

twornika, trzeba zatem zastosować

wydajne

źródło prądowe.

Hamowanie

przeciwwłączeniem

SSz

Hamowanie SSz przeciwwłączeniem (czyli
prądem sieci) polega na przełączeniu obwodu
twornika na napięcie o przeciwnej
biegunowości, przy czym, w celu ograniczenia
prądu hamowania, w obwód twornika silnika
należy włączyć rezystor hamowania o znacznej
wartości:

(4)

Podczas hamowania przeciwwłączeniem – przy
zmniejszaniu się prędkości kątowej silnika do
zera – należy silnik odłączyć od napięcia
zasilającego, aby nie nastąpił rozruch w
przeciwnym kierunku wirowania.





w

t

h

h

R

R

I

E

U

R









Hamowanie

przeciwwłączeniem

SSz

Jeżeli moment obciążenia ma charakter bierny,

hamowanie odbywa się w II ćwiartce, jeżeli

czynny (opuszczanie ciężaru) – w IV ćwiartce.

a) dla przypadku

M

bier

.

b) dla przypadku

M

czyn

.

WYKŁAD 7a

Silnik szeregowy prądu

stałego

ze sterowaniem

impulsowym

Sterowanie napięciowe -

przekształtniki impulsowe

Regulacja średniej wartości napięcia na

zaciskach twornika -cykliczne załączanie i

wyłączanie napięcia o stałej wartości -

tyrystorowe lub tranzystorowe impulsowe

sterowniki napięcia (impulsatory, przerywacze,

czopery).

Stosuje się:
- zmianę szerokości impulsów przy stałej

częstotliwości impulsowania f,

- zmianę częstotliwości impulsowania przy

stałej szerokości impulsów

- zmianę częstotliwości impulsowania przy

jednoczesnej zmianie szerokości impulsów.

Amplituda napięcia jest stała i równa napięciu

zasilającemu.

Przekształtniki impulsowe

Średnia wartość napięcia wyjściowego:

(1)

gdzie:
– okres impulsowania,
– względny czas załączenia ( wsp.

wypełnienia).

 

,

1

max

max

1

0

śr

U

U

T

t

dt

t

U

T

U

i

T

i

i











f

T

i

/

1



i

T

t /

1





Przekształtniki impulsowe

Zakres zmian wypełnienia impulsów, a tym

samym zakres zmian napięcia wyjściowego,

wynosi:

0 



 1,

0  U

śr

 U

max

.

Regulacja impulsowa napięcia na zaciskach

silnika wykazuje wiele zalet w porównaniu z

metodami tradycyjnymi:

 umożliwia realizację bezstopniowego rozruchu,

regulację prędkości kątowej, hamowania oraz

pracy nawrotnej silnika,

 powoduje zmniejszenie energochłonności

układu napędowego w wyniku eliminacji strat

podczas rozruchu i regulacji prędkości

kątowej,

 umożliwia realizację zamkniętych układów

regulacji,

 sterowniki impulsowe mają niewielkie wymiary

i ciężar.

Układy połączeń sterowników z SSz

a- układ do

regulacji
prędkości od 0
do



N

b- układ do

hamowania dyn.

z płynną regul. i

t

w wyniku

zmiany wartości

R modulowanej,

(a więc

momentu

hamującego)

c- układ do

hamowania z

częściowym

zwrotem energii
do sieci.

a)

1

A

2

B

1

D

2

D

U

M

0

D

ST

M

ST

R

U

M

0

D

ST

b)

c)

1

A

2

B

1

D

2

D

1

A

2

B

1

D

2

D

Przebieg napięcia i prądu silnika

zasilanego ze sterownika impulsowego

Przebiegi prądowe

rozpatruje się dla
dwóch stanów pracy
sterownika:

 dla stanu załączenia

sterownika: 0  t  t

1

,

 dla stanu wyłączenia

sterownika: t

1

 t  T.

gdzie:





,

1

1

e

T

t

n

n

e

I

I

I

i













,

2

2

m

T

t

m

I

e

I

I

i

e













K

c

R

Φ

c

U

I

e

t

e

n







0





K

c

R

Φ

c

I

e

t

e

m





0

Przekształtniki impulsowe

Z zależności tych można określić:

• średnią wartość prądu

• skuteczną wartość prądu

• moment

• prędkość kątową silnika:

gdzie: - aproksymacja nieliniowej ch-ki

magnesowania





,

1

2

1

śr

t

I

t

I

T

I

m

n

i







 



,

1

2

2

2

sk

I

I

I

I

T

T

I

I

m

n

e

n













,

2

sk

śr

0

śr

KI

I

Φ

c

M

e









.

śr

0

śr

I

K

Φ

c

R

I

U

e











,

0

Ki

Φ

Φ





Przekształtniki impulsowe

W praktycznych układach sterowników impulsowych

przeznaczonych do zasilania silników szeregowych można

wyróżnić dwa podstawowe rozwiązania:

 sterowniki impulsowe prądu stałego z zastosowaniem

tyrystorów mocy;

 sterowniki impulsowe wykonane z zastosowaniem

tranzystorów mocy.

Częstotliwość impulsowania w sterownikach

tyrystorowych < 1000 Hz. Stosunkowo niska częstotliwość

impulsowania powoduje, że w sterownikach tyrystorowych

stosowane są dodatkowe dławiki w obwodzie twornika

silnika, aby utrzymać ciągłość prądu i ograniczyć pulsację.

W sterownikach impulsowych dużej mocy, przeznaczonych

do napędów trakcyjnych, stosowane są obecnie układy z

tyrystorami GTO.

SSz prądu stałego pracują bardzo często w napędach

trakcyjnych – ze względów bezpieczeństwa – wymagane

jest hamowanie dynamiczne. Hamowanie to może być

łatwo zrealizowane w układach tranzystorowych

sterowników napięcia (schemat b)

WYKŁAD 6a

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

- czas na

odpoczyne

k....