Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.1/2
ĆWICZENIE 10
UKA
ADY ELEKTRYCZNEGO STEROWANIA NA
PRZYKA
ADZIE STEROWANIA SEKWENCYJNO-CZASOWEGO
NAP
DU PRASY
1. CEL ĆWICZENIA:
zapoznanie się z podstawowymi układami elektrycznego sterowania silnikiem trójfazowym
asynchronicznym służącym do napędu większości obrabiarek i urządzeń.
1.1. Budowa i zasada działania silników asynchronicznych trójfazowych
Silniki asynchroniczne są najbardziej rozpowszechnionymi maszynami elektrycznymi, zarówno
z uwagi na ich taniość, jak i prostotę budowy i obsługi oraz łatwość konserwacji.
Silnik asynchroniczny składa się z dwóch podstawowych części: nieruchomego stojana i
obracającego się wirnika. Zarówno stojan, jak i wirnik mają obwody magnetyczne stalowe,
wykonane z cienkich odizolowanych blach elektrotechnicznych; ma to na celu zmniejszenie strat od
prądów wirowych. Na wewnętrznej powierzchni stojana wycięte są żłobki, w których umieszczone
jest uzwojenie trójfazowe. Uzwojenie stojana w zależności od napięcia sieci zasilającej oraz
znamionowego napięcia silnika może być łączone w gwiazdę lub trójkąt (rys.9.1).
Rys. 1-1 Sposoby łączenia uzwojenia stojana: a) w gwiazdę; b) w trójkąt
U, V, W - początki uzwojeń; x, y, z - końce uzwojeń
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.2/2
W przypadku, gdy napięcie fazowe stojana jest równe napięciu międzyprzewodowemu sieci
zasilającej, wówczas silnik powinien być połączony w trójkąt, natomiast silnik łączymy w gwiazdę,
gdy napięcie międzyprzewodowe sieci jest 3 razy większe niż napięcie fazowe silnika.
W zależności od rodzaju uzwojenia wirnika rozróżnia się silniki asynchroniczne zwarte
(klatkowe) i pierścieniowe. Silniki asynchroniczne do sieci mają przyłączone uzwojenie stojana.
Uzwojenie wirnika nie ma połączenia elektrycznego z siecią; energia przenoszona jest do tego
uzwojenia na drodze indukcji elektromagnetycznej.
Po włączeniu uzwojenia stojana do sieci trójfazowej popłynie w nim prąd, który wytworzy w
szczelinie maszyny wirujące pole magnetyczne. Pole to przecinając pręty uzwojenia wirnika
indukuje w nich siłę elektromotoryczną. Jeżeli obwód uzwojenia wirnika jest zamknięty, to
popłynie w nim prąd, który współdziałając z polem magnetycznym stojana wytworzy siłę działającą
na wirnik w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu pola wirującego. Aby więc powstał moment
napędowy musi zachodzić przecinanie prętów uzwojenia wirnika przez linie sił pola
magnetycznego wirującego, czyli prędkość wirowania wirnika (n) musi być mniejsza od prędkości
pola wirującego (czyli od prędkości synchronicznej n1). Względną różnicę tych prędkości
nazywamy poślizgiem (s).
n1 - n
s% = Å"100%
n1
Poślizg silnika przy obciążeniu znamionowym wynosi kilka procentów (1,0%...10%) i jest tym
mniejszy, im większa jest moc znamionowa. Przy przeciążeniu poślizg wynosi kilkanaście
procentów, a podczas biegu jałowego silnika, ułamek procenta. W pierwszej chwili rozruchu, gdy
wirnik jest jeszcze nieruchomy, poślizg jest równy 100% (s=1). Gdy wirnik wiruje z pewną
prędkością n, wówczas pole wirujące wiruje względem niego z prędkością n0=n1-n; częstotliwość
prądu w wirniku jest zatem równa:
n0p sn1p
f2 = = = sf1
60 60
gdzie:
p - liczba par biegunów uzwojenia stojana,
f1 - częstotliwość prądu w stojanie.
W przybliżeniu stała wartość obrotów wynikająca z częstotliwości sieci zasilającej i ilości par
biegunów wyraża się wzorem:
60 f
n = (1- s)
p
gdzie: n - ilość obrotów na minutę,
f - częstotliwość sieci zasilającej,
p - ilość par biegunów,
s - wartość poślizgu magnetycznego (zależnie od obciążenia silnika),
Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu nieruchomego wirnika wyraża się następująco:
E2 = 4,44k2 z2 f1Åšm
gdzie:
Śm - strumień magnetyczny,
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.3/3
k2 - współczynnik uzwojenia wirnika,
z2 - liczba zwojów uzwojenia wirnika.
Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wirnika pracującego z poślizgiem s określona jest
następująco:
E2s = sE2
Prąd płynący w uzwojeniu wirnika pracującego z poślizgiem s określa zależność:
E2
I2 =
ëÅ‚ öÅ‚2
R2
ìÅ‚ ÷Å‚ + X2
2
íÅ‚ s Å‚Å‚
gdzie:
R2 - rezystancja uzwojenia wirnika,
X2 - reaktancja uzwojenia wirnika.
Moc, jakÄ… otrzymuje wirnik silnika asynchronicznego, przekazywana jest ze stojana za
pośrednictwem pola wirującego. Moc pola wirującego Pw jest mniejsza od mocy pobieranej przez
silnik z sieci P1 o straty w uzwojeniu stojana "Pu1 oraz o straty w rdzeniu stojana "Pr1:
Pw = P1 - "Pu1 - "Pr1
Moc pola wirującego zamienia się głównie na moc mechaniczną Pm, jednak część tej mocy
tracona jest w uzwojeniach wirnika "Pu2 oraz w rdzeniu wirnika "Pr2. Możemy więc napisać:
Pm = Pw - "Pu2 - "Pr2
W czasie normalnej pracy silnika straty w rdzeniu wirnika są bardzo małe ze względu na małą
częstotliwość prądu w wirniku. Można przyjąć:
Pm = Pw - "Pu2
Moc mechaniczna oddawana na wale silnika P2 jest mniejsza od mocy mechanicznej Pm
rozwijanej przez wirnik o straty mechaniczne "Pm, na które składają się straty tarcia w łożyskach
oraz straty wentylacyjne:
P2 = Pm - "Pm
Sprawność silnika asynchronicznego określa wyrażenie:
P2
·= 100%
P1
Sprawność silników asynchronicznych przy obciążeniu znamionowym najczęściej wynosi
(80...95)%. Zarówno sprawność, jak i współczynnik mocy silników obciążonych znamionowo są
tym większe, im większa jest ich moc.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.4/4
Moment elektromagnetyczny silnika asynchronicznego powstaje - jak wiemy - w wyniku
dynamicznego oddziaływania wytwarzanego przez stojan pola wirującego na prądy indukowane w
uzwojeniach wirnika.
Zależność momentu od poślizgu przedstawiono na rysunku poniżej:
Rys. 1-2 Wykres zależności M=f(s)
Moment maksymalny, zwany jest także momentem utyku i występuje przy poślizgu utyku.
Poślizg utyku wynosi (10...25)%, a niekiedy nawet do 30%. Jeżeli moment oporowy na wale silnika
przekroczy wartość momentu maksymalnego, to silnik przechodzi do obszaru pracy niestatecznej i
zatrzymuje siÄ™ (utyka).
Momentem rozruchowym MR nazywamy moment jaki działa na wirnik w chwili gdy n=0 (s=1).
1.2. Rozruch silników asynchronicznych zwartych
Rozruch silnika obejmuje okres przejściowy od postoju do stanu pracy ustalonej. Rozruch jest
możliwy tylko wtedy, gdy moment elektromagnetyczny silnika przewyższa moment hamujący na
wale czyli występuje tzw. moment dynamiczny. Przy określonym momencie bezwładności układu
silnik-maszyna robocza, wartość momentu dynamicznego decyduje o czasie trwania rozruchu.
Praca silnika asynchronicznego przy nieruchomym wirniku ze zwartym jego uzwojeniem
odpowiada stanowi zwarcia silnika. Pobierany jest wówczas duży prąd rozruchowy, który jest
szkodliwy, zarówno ze względu na sam silnik (grzanie uzwojeń), jak i na sieć zasilającą (duże
spadki napięć). Dąży się do zmniejszenia prądu rozruchowego, przy czym pożądane jest
równocześnie powiększenie momentu rozruchowego silnika.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.5/5
Zgodnie z wymaganiami normy urządzenia rozruchowe powinny być tak dobrane, aby prąd
rozruchu silników o mocy do 5kW nie przekraczał wartości 2,5 Izn, a dla silników o mocy
(5...100)kW - wartości 2,2Izn lub prąd rozruchu nie przekraczał wartości 60A przy napięciu 380V.
1.2.1. Rozruch bezpośredni
Bezpośrednie przyłączenie do sieci silnika asynchronicznego zwartego związane jest z
przepływem znacznego prądu rozruchowego o wartości IR=(4...8)Izn. Z tego względu stosowanie
rozruchu bezpośredniego w sieci miejskiej niskiego napięcia, przepisy ograniczają do silników o
mocy do kilku kilowatów (najczęściej 5kW).
1.2.2. Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt
Przełącznik gwiazda-trójkąt stosowany jest w celu zmniejszenia prądu pobieranego z sieci w
chwili rozruchu, przez zmniejszenie napięcia na zaciskach uzwojenia stojana. W pierwszej chwili
uruchamiania, uzwojenie stojana połączone jest w gwiazdę, następnie przełączamy je w trójkąt.
Rys. 1-3 Układ połączeń silnika z przełącznikiem gwiazda-trójkąt.
Jeżeli silnik zasilany jest napięciem, międzyprzewodowym U, to przy połączeniu w gwiazdę,
U
napięcie fazowe wynosi Uf = , a przy połączeniu w trójkąt Uf = U , zatem Uf = 3Uf" . Prąd
3
rozruchu przy połączeniu w gwiazdę wynosi
Uf" U
IR = If" = =
ZfR
3ZfR
gdzie:
ZfR - impedancja jednej fazy stojana w chwili rozruchu.
Przyjmując, że wartość impedancji ZfR jest stała, prąd rozruchu przy połączeniu w trójkąt
wyniesie:
Uf" U
IR" = 3If" = 3 = 3
ZfR ZfR
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.6/6
DzielÄ…c stronami otrzymujemy:
IR U ZfR 1
= Å" =
IR" 3
3ZfR 3U
Z powyższego wynika, że zastosowanie przełącznika gwiazda-trójkąt powoduje 3-krotne
zmniejszenie prądu rozruchu. Zależność nie jest zupełnie ścisła, gdyż impedancja ZfR nie zachowuje
IR
stałej wartości i przy połączeniu w gwiazdę jest ona nieco większa. Tak więc stosunek prądów
IR"
1
wypada na ogół mniejszy od .
3
Ponieważ moment rozruchowy jest proporcjonalny do kwadratu napięcia (patrz wzór (9.20)),
stosunek momentu rozruchowego przy połączeniu w gwiazdę do momentu rozruchowego przy
połączeniu w trójkąt wynosi
2
U
ëÅ‚ öÅ‚
2
ìÅ‚ ÷Å‚
ëÅ‚ öÅ‚
MR Uf 1
3
ìÅ‚ ÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
= = =
÷Å‚
MR" ìÅ‚ Uf" ÷Å‚ ìÅ‚ U 3
íÅ‚ Å‚Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
czyli moment rozruchowy również maleje 3-krotnie, co nie jest korzystne.
Ten sposób rozruchu stosowany jest wówczas, gdy rozruch odbywa się bez obciążenia lub przy
niewielkim obciążeniu. Przełączników gwiazda-trójkąt używa się przy uruchamianiu silników
średniej mocy (najczęściej do 15kW) i tylko do silników, których uzwojenie stojana w czasie
normalnej pracy powinno być połączone w trójkąt (np. silnik 380/660V w sieci 3x380/220V).
1.3. Hamowanie silników asynchronicznych zwartych
Najczęściej stosowanymi sposobami hamowania silników asynchronicznych zwartych są:
hamowanie przeciwprądowe i hamowanie prądem stałym. Niekiedy jest stosowane również
hamowanie prÄ…dnicowe (nadsynchroniczne).
1.3.1. Hamowanie przeciwprÄ…dowe
Hamowanie to polega na zmianie kierunku obrotów pola wirującego silnika. Zmianę tę
dokonujemy przez przełączenie dwóch dowolnych faz uzwojenia stojana. Na rys. 1-4
przedstawiono układ połączeń silnika z hamowaniem przeciwprądem. Zmiana położenia
przełącznika P z pozycji 1 na 2 powoduje wyhamowanie silnika. Czas hamowania nie może być
zbyt długi, gdyż w przeciwnym razie silnik po wyhamowaniu zacznie obracać się w odwrotnym
kierunku.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.7/7
Rys. 1-4 Układ hamowania silnika przeciwprądem.
Po zmianie kierunku pola wirującego poślizg będzie wynosił:
-n1 - n n1 + n
s = = > 1
-n1 n1
Ponieważ prędkość obrotowa wirnika n jest w przybliżeniu równa n1, a przy hamowaniu maleje,
więc w czasie hamowania poślizg będzie zawarty w granicach: 2 > s > 1.
Prąd płynący w okresie hamowania przeciwprądem osiągnie znaczne wartości, większe nawet od
prądu rozruchu bezpośredniego. Związane to jest z tym, że w okresie hamowania do silnika
posiadającego energię kinetyczną nagromadzoną w wirniku i innych połączonych z nim masach
wirujących dostarczona jest również energia pola wirującego. Cała ta energia zamienia się w
wirniku na energię cieplną. Czas hamowania silnika jest bardzo krótki i silnik po zatrzymaniu się,
może zmienić kierunek wirowania. W praktyce, wykorzystując tego rodzaju hamowanie stosuje się
wyłączniki automatyczne (np. odśrodkowe), odłączające silnik od sieci po jego zatrzymaniu.
Hamowanie to jest najbardziej skuteczne ze znanych metod hamowania silnika asynchronicznego i
bywa stosowane szczególnie tam, gdzie zachodzi niebezpieczeństwo utraty życia lub zdrowia
obsługi.
1.3.2. Hamowanie prądem stałym
Hamowanie prądem stałym polega na tym, że po odłączeniu uzwojenia stojana od sieci
trójfazowej zostaje ono podłączone do z
ródła prądu stałego, przy czym fazy stojana mogą być
podłączone według jednego z podanych na rys. 5 układów.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.8/8
Rys.1-5. Sposoby łączenia faz stojana przy hamowaniu prądem stałym
Prąd stały dołączony jest do zacisków A i B w stojanie. Powstaje wówczas nieruchome pole
magnetyczne, które w obracającym się wirniku indukuje siłę elektromotoryczną proporcjonalną do
prędkości obrotowej silnika. W zamkniętym obwodzie wirnika (zwartym lub z rezystancją
dodatkową) popłynie prąd, który wytwarza moment hamujący zmniejszający prędkość obrotową do
zera.
Hamowanie prądem stałym jest mniej skuteczne w porównaniu z hamowaniem przeciwprądem,
ale jest ono łagodne i po osiągnięciu prędkości obrotowej równej zeru nie zachodzi zmiana
kierunku wirowania. W czasie hamowania, z sieci pobierana jest tylko energia potrzebna do
wzbudzenia, zatem znacznie mniejsza jest ilość ciepła wydzielanego w uzwojeniach silnika.
1.4. Styczniki
Ich zasada działania wykorzystuje siły przyciągania zwory przez elektromagnes załączony do sieci
220V lub 380V 50Hz spełniają rolę włączników prądów równocześnie w trzech fazach np. do
odbiorników takich jak silniki elektryczne.
Podstawowymi cechami styczników są:
" równoczesność załączania przepływu prądu w trzech fazach sieci 3x380 V 50Hz,
" sterowanie małą mocą dużych mocy zasilania odbiorników (np. moc sygnału sterującego stycznik
MSM 3 wynosi około 10W, podczas gdy moc załączona wynosi 20kW),
" wykorzystanie styków pomocniczych do blokady elektrycznej i sterowania (np. podtrzymania
krótkotrwałych sygnałów 'start')
" możliwość stosowania przekaz
ników termicznych w celu zabezpieczenia silnika przed
przeciążeniem.
1.5. Wyłączniki krańcowe
Stosowane są w układach sterowania w celu tworzenia sygnałów elektrycznych (wyłączania,
załączania, przełączania) dzięki odpowiednim układom styków połączonych dz
wigniami ze
współpracującymi częściami obrabiarek. Oprócz wyłączników krańcowych stosuje się do
sterowania przyciski ręczne załączające 'start' i wyłączające 'stop'.
1.6. Przekaz
niki czasowe
Służą do załączania lub wyłączania sygnałów elektrycznych po określonym upływie czasu od
otrzymania sygnału wejściowego. Zasada działania opiera się najczęściej na odmierzaniu czasu
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.9/9
ilością obrotów silniczka elektrycznego napędzającego styki elektryczne poprzez przekładnię
mechaniczną lub na wykorzystaniu układów elektronicznych odmierzających czas ładowania do
odpowiedniego napięcia kondensatora przez rezystor o nastawianej wartości rezystancji. Ponadto
do sygnalizacji załączania poszczególnych układów stosuje się różnego koloru lampki, których
żarówki przyłączone są do odpowiednich obwodów elektrycznych.
2. LITERATURA
1. J.Kostro: Elementy, urządzenia i układy automatyki, WSZP, Warszawa 1983.
2. Antoni M. Plamitzer: Maszyny elektryczne, WNT, Warszawa 1986.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.10/10
3 PRZEBIEG ĆWICZENIA
Student wykonuje wybrane punkty ćwiczenia zgodnie z zaleceniami prowadzącego.
3.l. Układ z możliwością zmiany kierunku obrotów silnika
Połączyć układ elektryczny służący do ręcznego sterowania silnika asynchronicznego
wykorzystując do tego styczniki elektryczne 'S1' i 'S2' oraz przyciski 'start' i 'stop'. Pełen układ
elektryczny pokazano na rys l. Grubymi liniami oznaczono główne doprowadzenia prądu do silnika
z zacisków UVW, a cienkimi liniami - połączenie obwodów sterujących. Stosując dwa styczniki do
zmiany kolejności doprowadzania faz do silnika, można zapewnić wirowanie pola magnetycznego
w dwóch kierunkach, a tym samym spowodować załączenie obrotów silnika w dwóch kierunkach.
Na rys. 2 przedstawiono uproszczony schemat układu sterowania silnika za pomocą dwóch
styczników przy wykorzystaniu styków pomocniczych 'SpS1z' i 'SpS2z' dla samoczynnego
podtrzymania sygnału załączania.
Po wykonaniu połączeń układu przeprowadzić próbę działania oraz ustalić dlaczego w układzie
tym może nastąpić zwarcie międzyfazowe.
3.2. Układ z możliwością zmiany kierunku obrotów silnika z blokadą
zabezpieczajÄ…cÄ…
Dodatkową blokadę elektryczną uniemożliwiającą załączenie dwóch styczników jednocześnie
realizuje siÄ™ Å‚Ä…czÄ…c w szereg z cewkÄ… stycznika  Cs1 styki pomocnicze 'SpS2r' stycznika 2, a w
drugim obwodzie w szereg z cewkÄ… 'Cs2' styki 'SpS1r', co przedstawiono na rys. 3.
Po wykonaniu połączeń sprawdzić działanie blokady.
3.3. Układ z możliwością zatrzymania w zadanym położeniu
W celu dalszej automatyzacji układu napędu prasy należy zastosować wyłącznik krańcowy
'Wkr1' powodujący wyłączenie dopływu prądu zasilającego silnik w chwili osiągnięcia przez półkę
prasy zadanego górnego położenia.
Połączenie wykonać wg układu zamieszczonego na rys. 4. Porównać dokładność wyłączenia
ręcznego i automatycznego.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 10 str.11/11
3.4. Układ z ręcznym hamowaniem przeciwprądem
Po ustaleniu przyczyn powodujących dalszy ruch półki prasy pomimo wyłączenia dopływu prądu
zasilającego silnik, przeprowadzić próby hamowania przeciwprądem przez krótkotrwałe ręczne
załączanie wirowania pola w silniku w przeciwnym kierunku.
3.5. Układ z automatycznym hamowaniem przeciwprądem
Podłączyć do układu sterowania silnika przekaz
nik czasowy 'Pcz1' (rys. 5) w celu automatyzacji
procesu hamowania. Eksperymentalnie ustalić czas hamowania zapewniający optymalne warunki.
Przy zbyt krótkim czasie nie nastąpi całkowite wyhamowanie, a przy zbyt długim czasie silnik
zacznie obracać się w przeciwnym kierunku.
3.6. Układ z zadanym czasem prasowania
Przeprowadzając dalszą automatyzację procesu prasowania zastosować drugi przekaz
nik czasowy
 Pcz2 dla ustalenia czasu prasowania (rys. 6) (czasu położenia półki prasy w górnej pozycji) oraz
wyłącznik krańcowy 'Wkr2' dla wyłączenia półki w dolnej pozycji.
3.7. Układ pełnej automatyzacji prasy
Rozwijając układ w celu pełnej automatyzacji, zastosować przekaz
nik czasowy 'Pcz3' dla
odmierzenia czasu położenia półki w dolnej pozycji. Po upływie określonego czasu nastąpi
automatyczne załączenie napędu podnoszenia półki prasy (rys. 7).
pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com
pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com
pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com
pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com