1. Pojęcia dotyczące napędu elektrycznego, struktura i elementy składowe układu
napędu elektrycznego
Napęd elektryczny  jest to przetwarzanie energii elektrycznej na energię mechaniczną z
zastosowaniem przetworników elektromechanicznych, nazywanych silnikami
elektrycznymi. Zadaniem napędu elektrycznego jest zapewnienie ruchu maszyny lub
mechanizmu zgodnie z określonym przeznaczeniem. Zespół złożony z silnika
elektrycznego, napędzanej maszyny i dodatkowych elementów mechanicznych i
elektrycznych jest nazywany układem napędowym (elektrycznym układem napędowym).
Elementy napędu elektrycznego:
układ zasilający  przekształca energię elektryczną pobieraną z sieci i dostarcza ją do
silnika  np. prostownik sterowany,
silnik elektryczny (lub kilka silników)  przekształca doprowadzoną energię elektryczną
na energiÄ™ mechanicznÄ…,
urządzenie pędne  przekazuje energię mechaniczną wytworzoną przez silnik do maszyny
roboczej, może także zmieniać parametry przekazywanej energii mechanicznej, tj.
moment, prędkość kątowa  np. sprzęgło, przekładnia zębata, przekładnia pasowa,
urządzenia sterowania i automatyki  stosowane napęd ma być sterowany automatycznie
2. Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych, kwadranty pracy napędu,
stany pracy układu napędowego
Kwadrant I - praca silnikowa; Kwadrant III - praca silnikowa przy przeciwnym kierunku
wirowania (względem I); Kwadrant II - hamowanie elektryczne; Kwadrant IV - hamowanie
elektryczne przy przeciwnym kierunku wirowania (względem II);
1  ch. idealnie sztywna (synchroniczna); 2  ch. sztywna (bocznikowa); 3  ch. miękka;
4  ch. sztywna niestabilna; 5 - ch. miękka (szeregowa); 6  ch.przedziałami sztywna i miękka
(asynchroniczna)
3. Klasyfikacja i charakterystyki mechaniczne maszyn roboczych
4. Sprowadzanie momentów mechanicznych, sił oporowych i momentów bezwładności do
prędkości wału napędowego silnika elektrycznego - umiejętność praktycznego obliczenia
wielkości sprowadzonych.
5. Równanie ruchu układu napędowego - interpretacja składników występujących w
równaniu ruchu.
Równanie ruchu układu napędowego jest formułowane na podstawie II prawa dynamiki
Newtona dla ruchu obrotowego.
6. Stan stabilny i stan niestabilny pracy układu napędowego
Stan pracy ustalonej układu napędowego wyznaczony przez punkt przecięcia charakterystyki
mechanicznej silnika elektrycznego i charakterystyki mechanicznej maszyny roboczej może
być:
" Stanem stabilnej pracy ustalonej;
" Stanem niestabilnej pracy ustalonej.
Stabilność i niestabilność punktu pracy ustalonej układu napędowego
może być określona metodą małych wychyleń ze stanu równowagi
oraz metodami analitycznymi.
Jeżeli układ wytrącony ze stanu pracy ustalonej do tego stanu zawsze powraca, to taki stan
pracy ustalonej jest stanem stabilnym.
Jeżeli układ wytrącony ze stanu pracy ustalonej do tego stanu nie powraca, ale przechodzi do
stanu pracy nieustalonej lub stanu pracy ustalonej w innym punkcie to taki stan pracy
ustalonej jest stanem niestabilnym.
7. Układy połączeń obwodów i oznaczenia zacisków silników prądu stałego
Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń silników prądu stałego
(poczÄ…tek - koniec) wg normy PN--EN 60034-8:2005:
1) uzwojenie twornika - A1 - A2,
2) uzwojenie biegunów komutacyjnych - B1 - B2,
3) uzwojenie kompensacyjne - C1 - C2,
4) uzwojenie wzbudzajÄ…ce szeregowe - D1 - D2,
5) uzwojenie wzbudzajÄ…ce bocznikowe - E1 - E2,
6) uzwojenie obcowzbudne - F1  F2,
8. Model obwodowy i układ równań silnika obcowzbudnego prądu stałego
Parametry elektromagnetyczne i mechaniczne systemu elektromechanicznego z
silnikiem obcowzbudnym prądu stałego:
Rt  rezystancja obwodu twornika; Lt  indukcyjność obwodu twornika;
Jz  zastępczy moment bezwładności układu napędowego;
Rw  rezystancja obwodu wzbudzenia; Lw  indukcyjność obwodu wzbudzenia;
9. Równania charakterystyk elektromechanicznych i mechanicznych silnika obcowzbudnego
prądu stałego, przebiegi charakterystyk i metody ich kształtowania
Równania charakterystyki elektromechanicznej i mechanicznej silnika są równaniami
prostych o ujemnym współczynniku kierunkowym.
10. Rozruch rezystorowy silnika obcowzbudnego prądu stałego (układ i zasady
rozruchu)
U
I =
Prąd rozruchowy pobierany przez silnik ma postać
r
Rac i jest wielokrotnie większy od
prądu znamionowego. Prąd rozruchowy można ograniczyć przez zmniejszenie napięcia
zasilającego lub włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika o rezystancji R .
ar
11. Metody i układy sterowania prędkości kątowej silnika obcowzbudnego prądu
stałego (zakres sterowania, właściwości poszczególnych metod sterowania)
Prędkość silnika z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika wynosi
U -(Rac+Rar) I
a
n= na zmianę prędkości ma wpływ napięcie, rezystancja R i
ar
c Õ
strumień magnetyczny.
Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji regulacyjnej R w szereg z obwodem
ar
twornika (silniki bocznikowe i szeregowe). W tym przypadku mamy możliwość regulacji w
dół  poniżej prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce naturalnej (od prędkości
znamionowej do zera). Regulacja nieekonomiczna  straty na rezystorze regulacyjnym.
Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia strumienia
magnetycznego.
" w silnikach bocznikowych  rezystancja regulacyjna Rfr jest włączona w szereg w
obwód wzbudzenia,
" w silniku szeregowym  rezystancja Rfr jest włączona równolegle z obwodem
wzbudzenia.
Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości nN do 3nN, jest regulacją
ekonomiczną. Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia, nie należy nadmiernie
osłabiać pola magnetycznego oraz powodować zaniku prądu w obwodzie wzbudzenia silnika.
Regulację prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika można uzyskać przez
zastosowanie tyrystorowych regulatorów napięcia. Zmieniając napięcie zasilające twornik
można przy znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do wartości większej od
prędkości znamionowej  w całym zakresie regulacji prąd twornika nie zmienia wartości i
zależy tylko od obciążenia.
12. Układy i metody hamowania elektrycznego silnika obcowzbudnego prądu stałego
(kształtowanie charakterystyk elektromechanicznych i mechanicznych silnika dla
stanów hamowania, właściwości poszczególnych metod hamowania)
Hamowanie układu napędowego polega na wytworzeniu momentu obrotowego przeciwnego
do kierunku ruchu i ma na celu: utrzymanie stałej prędkości ruchu, utrzymanie w stanie
spoczynku urządzenia, zmniejszenie prędkości lub zatrzymanie. Hamowanie może być
mechaniczne (hamulce cierne) lub elektryczne. 3 sposoby hamowania: odzyskowe (energia
jest zwracana do sieci), dynamiczne (maszyna pracuje jako prÄ…dnica ale energia jest tracona) i
przeciwprÄ…dowe (maszyna pobiera energiÄ™ i jÄ… traci).
13. Podstawowe pojęcia, wielkości oraz schemat zastępczy silnika indukcyjnego
(moment znamionowy, krytyczny i rozruchowy, przeciążalność momentem;
wyznaczanie mocy elektromagnetycznej i mechanicznej oraz momentu
elektromagnetycznego w funkcji poślizgu).
Silnik elektryczny asynchroniczny, silnik indukcyjny- jest maszynÄ… elektrycznÄ… zmieniajÄ…cÄ…
energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w
stosunku do wirujÄ…cego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie stojana.
Wartość znamionowego poślizgu zależy od silnika i mieści się w granicach 1-8%.
Charakterystyka mechaniczna jest charakterystykÄ… sztywnÄ….
30P
M =
Moment znamionowy
Ä„ n
skr
s
( + )M
Moment krytyczny skr s
M =
kr
2
Moment rozruchowy jest krotnością momentu znamionowego.
Przeciążalność momentem to stosunek momentu maksymalnego(krytycznego) do
znamionowego.
Moc elektromagnetyczna (P ) jest równa mocy pobranej ze z
ródła pomniejszonej o straty w
e
uzwojeniu i w żelazie.
Moc mechaniczna P =P (1-s).
m e
Pe Pm
M = =
Moment elektromagnetyczny É=É (1-s)
0
e
É0 É
14. Równanie charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego - wzór Klossa Me=f(s),
zakres stosowania i definicje występujących we wzorze wielkości
2(1+askr)
M
R1
=
M skr a=
Stałe s , M ,
s kr kr
kr
+ +2askr
R'
2
skr s
Poślizg krytyczny wymaga znajomości reaktancji i rezystancji.
15. Rozruch silników indukcyjnych klatkowych - bezpoÅ›redni, Y/Dð, z rozrusznikiem
stojanowym, autotransformatorowy, z zastosowaniem sterownika tyrystorowego
(układy rozruchu i metody sterowania)
Rozruch silnika jest możliwy, jeżeli powstający w chwili rozruchu moment
elektromagnetyczny jest większy niż moment obciążenia. Najprostszym sposobem dokonania
rozruchu silnika indukcyjnego jest podłączenie uzwojeń stojana do 3-fazowego z
ródła
zasilania (w przypadku silnika 3-fazowego), jest to tzw. rozruch bezpośredni. W tym
przypadku pobierany prąd rozruchu jest wielokrotnie większy niż prąd znamionowy (do 8
razy), co powoduje nagrzewanie się uzwojeń a także może spowodować spadki napięcia sieci
zasilającej. Wartość powstającego momentu elektromagnetycznego nie jest zbyt duża,
dlatego, aby silnik mógł wystartować nie może być zbytnio obciążony. Ze względu na te
ograniczenia rozruch bezpośredni stosuje się dla silników o małych mocach (do kilkunastu
kW).
Sposobem na zmniejszenie prÄ…du rozruchowego, jest zastosowanie w celach
rozruchowych przełącznika gwiazda - trójkąt.
Przy połączeniu uzwojeń silnika w trójkąt, prąd pobierany przez silnik z sieci jest 3-krotnie
większy niż prąd pobierany przy połączeniu w gwiazdę. Także moment elektromagnetyczny a
więc i moc silnika w tym przypadku są 3-krotnie większe. Stosując przełącznik gwiazda 
trójkąt możemy wystartować silnik połączony w gwiazdę, przez co będzie mniejszy pobór
prądu z sieci zasilającej, a następnie po osiągnięciu przez silnik odpowiedniej prędkości
obrotowej przełączyć uzwojenia stojana w trójkąt, tak, aby silnik mógł zapewnić pożądaną
przez nas moc.
Z rozrusznikiem stojanowym: spadek napięcia na włączonych w obwód uzwojenia
stojana dodatkowej rezystancji powoduje zmniejszenie napięcia doprowadzanego do silnika, a
tym samym zmniejszenie wartości prądu i momentu rozruchowego. W silnikach małej i
średniej mocy stosuje się rozruszniki rezystorowe, a w dużych dławikowe. Mogą być jedno
lub wielostopniowe.
Rozruch za pomocą autotransformatora jest stosowany do silników klatkowych o
dużej mocy i napięciu znamionowym. Stosuje się go gdy inne metody są niewystarczające.
PodstawowÄ… zaletÄ… jest zmniejszenie prÄ…du rozruchowego w takim samym stopniu (z
kwadratem napięcia zasilania) jak momentu rozruchowego, więc podobnie jak w Y. Różnica
polega na tym, że za pomocą autotransformatora uzwojenie stojana może mieć dowolne
połączenie i napięcie można zmniejszyć w dowolnym stosunku.
Do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych stosuje się specjalizowane
urządzenia, nazywane układami  soft - start (miękkiego rozruchu), które mają za zadanie
redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas rozruchu, wpływających na
żywotność silników i jakość ich pracy. Ich zasada działania opiera się na, płynnej regulacji
napięcia podawanego na uzwojenia (lub jedno z uzwojeń) W roli elementów sterujących
stosuje się najczęściej tyrystory. Zwykle urządzenia takie umożliwiają kontrole i możliwość
nastawienia wielu parametrów takich jak czas rozruchu, wartość początkowego momentu
rozruchowego, kolejności faz i czy temperaturę przegrzania.
16. Zasady sterowania prędkości kątowej silników indukcyjnych pierścieniowych
przez zmianÄ™ rezystancji w obwodzie wirnika
Dla silników pierścieniowych podobnie jak dla celów rozruchowych, podłącza się dodatkowe
rezystancji w obwód wirnika, Połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika rezystancje
spowodują spadek prądu płynącego w wirniku, a więc i spadek powstającej siły
elektrodynamicznej działającej na wirnik a co za tym idzie spadek momentu i w końcu spadek
prędkości obrotowej silnika. Jest to regulacja w dół. Podstawowa zaleta to prostota, a wady to
straty energii i mała sztywność charakterystyk mechanicznych.
17. Zasady sterowania prędkości kątowej silników indukcyjnych klatkowych przez
zmianę liczby par biegunów
Zmianę prędkości obrotowej silnika osiąga się przez zmianę liczby par biegunów w stojanie.
Realizuje się to zwykle umieszczając w stojanie kilka niezależnych uzwojeń o różnych
liczbach par biegunów (z reguły nie więcej niż dwa) lub jedno uzwojenie o przełączalnej
liczbie par biegunów Przełączając zasilanie pomiędzy uzwojeniami, otrzyma się pola wirujące
z różnymi prędkościami. W tym przypadku możliwa jest tylko i wyłącznie skokowa regulacja
prędkości obrotowej, Silniki takie nazywane są silnikami wielobiegowym. Silniki te znajdują
zastosowanie w wszelkiego rodzaju obrabiarkach, zastępując, jeżeli to możliwe, przekładnie
mechaniczne. Jest to bardzo ekonomiczne, jednak należy wziąć pod uwagę uzyskanie
właściwego przebiegu charakterystyk na poszczególnych stopniach prędkości i zredukować do
minimum liczbę wprowadzeń i styków przyłączających uzwojenie.
18. Sterowanie częstotliwościowe prędkości kątowej silników indukcyjnych
klatkowych (zasady i metody sterowania, przekształtnikowe układy sterowania)
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). Jeżeli zmiana częstotliwości
odbywa się przy stałej wartości napięcia zasilania, powoduje to niepożądaną zmianę wartości
strumienia (wzrost częstotliwości powoduje spadek wartości strumienia), co niekorzystnie
wpływa na generowany przez silnik moment obrotowy. Dlatego jeżeli wymagana jest stała
wartość momentu na wale, zmianom częstotliwości powinny odpowiadać proporcjonalne
zmiany napięcia zasilającego (stosunek U/f=const). Obecnie ze względu na bardzo
dynamiczny rozwój elektroniki, energoelektroniki, i znaczny spadek cen urządzeń
mikroprocesorowych, silniki indukcyjne zasila się z urządzeń zwanych falownikami.
Urządzenia te w najprostszych rozwiązaniach bazują właśnie na zasadzie zachowywania stałej
wartości stosunku U/f, a oprócz regulacji prędkości obrotowej, pozwalają na kontrolę wielu
parametrów silnika, co zdecydowanie poprawia jakość funkcjonowania takiego silnika i
wydłuża czas jego eksploatacji.