Różnice pomiędzy silnikiem jednofazowym i dwufazowym.

Silniki indukcyjne jednofazowe są to silniki z wirnikiem klatkowym i uzwojeniem stojana przeznaczonym do zasilania z sieci jednofazowej. Jeśli zasilane uzwojenie jest uzwojeniem jednopasmowym, to wytworzone przez nie pole magnetyczne jest polem oscylacyjnym składającym się z dwóch pól kołowych wirujących w przeciwne strony. Każde z pól wytwarza moment elektromagnetyczny i w rezultacie na wirnik działa wartość wypadkowa T_e.

Pole wirujące zgodne wytwarzające moment T_e1 jest polem magnetycznym kołowym wirującym w tym samym kierunku, co wirnik. Analogicznie pole wirujące przeciwne wytwarzające moment T_e2 jest polem wirującym w stronę przeciwną do wirnika.

Jak wynika z charakterystyki przy prędkości Ω = 0 moment przyjmuje wartość T_e = 0. Oznacza to, że silnik o takiej charakterystyce nie jest wstanie samodzielnie dokonać rozruchu. Aby był wstanie go dokonać musi mieć przynajmniej dwa pasma uzwojenia: główne pracujące cały czas oraz dodatkowe, które może pracować, jako pomocnicze lub rozruchowe. Warunkiem koniecznym powstania początkowego momentu rozruchowego jest, aby osie magnetyczne obu pasm były przesunięte względem siebie w przestrzeni (konstrukcyjnie) a prądy w fazie (zmiana stosunku rezystancji do reaktancji poprzez zwiększenie rezystancji bądź włączenie w obwód kondensatora). Silniki z uzwojeniem rozruchowym mają dwa pasma o osiach magnetycznych przesuniętych w przestrzeni o $\frac{\pi}{2}$. Pasmo główne zajmuje $\frac{2}{3}$ a pasmo rozruchowe $\frac{1}{3}$ wszystkich żłobków.

Przykłady.

Rysunek . Z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym.

Rysunek . Z uzwojeniem rozruchowym kondensatorowym.

Silniki indukcyjne dwufazowe należą do grupy silników wykonawczych i są stosowane w układach automatyki i regulacji. W żłobkach blachowanego rdzenia stojana rozmieszczone są dwa uzwojenia (sterowania i wzbudzenia) o osiach magnetycznych przesuniętych względem siebie w przestrzeni o kąt $\frac{\pi}{2}$. Wirnik może być wykonany np. jako klatkowy, lity nieblachowany pokryty materiałem o dużej przewodności lub jako kubkowy. Sterowanie prędkością polega na deformacji pola magnetycznego poprzez odpowiednią zmianę napięcia sterowania przy znamionowej wartości napięcia wzbudzenia, zmianę wartości przesunięcia przy stałych napięciach lub poprzez zastosowanie obu tych metod jednocześnie.

Zasadnicza różnica w konstrukcji silnika jednofazowego i dwufazowego polega na tym, że obwód wirnika silnika dwufazowego ma znacznie podwyższoną rezystancję (na tyle, aby poślizg krytyczny był większy od jedności). Powoduje to, że charakterystyka momentu w zakresie pracy silnikowej jest bardziej liniowa i stabilna a największy moment występuje przy rozruchu, co daje dobre właściwości regulacyjne oraz samohamowne.

Wyznaczenie kąta mechanicznego oraz elektrycznego w silniku skokowym.

k = m • n₁ • n₂ − liczba taktow komutacji

m − liczba pasm (uzwojen)

n₁ − zasilanie unipolarne (1) lub bipolarne (2)

n₂ − komutacja symetryczna (1) lub niesymetryczna (2)

$$\alpha_{e} = \frac{2\pi}{k}$$

$$\alpha = \frac{\alpha_{e}}{p} - dla\ silnika\ z\ magnesem\ trwalym$$

$$\alpha = \frac{\alpha_{e}}{Z} - dla\ silnika\ reluktancyjnego$$

Opisać i porównać elektromagnesy DC oraz AC.

Elektromagnesem nazywa się urządzenie skonstruowane z cewki nawiniętej na rdzeń ferromagnetyczny. Jego celem jest wytwarzanie pola magnetycznego wzbudzonego przez prąd elektryczny płynący w cewce. Mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym. W urządzeniach wykonawczych automatyki typowe jest zasilanie prądem stałym ze względu na łatwiejsze sterowanie, większą sprawność przetwarzania energii oraz stałość siły w czasie.

Rysunek 7. Charakterystyki mechaniczne statyczne

Charakterystyki rzeczywiste przy zasilaniu prądem stałym różnią się od przebiegów idealizowanych z powodu występowania nasycenia obwodu magnetycznego przy mniejszych szczelinach oraz występowania zwiększonego rozproszenia przy większych szczelinach.

$$F_{e} = - \frac{1}{2}\frac{U^{2}}{\omega^{2}N^{2}\mu_{0}S_{\delta}}$$

W przypadku elektromagnesów zasilanych napięciem przemiennym wraz ze wzrostem szczeliny rośnie strumień rozproszony, a z powodu wzrostu wartości prądu rośnie spadek napięcia na rezystancji, co powoduje, że strumień użyteczny maleje a wraz z nim siła elektromotoryczna.

$$f_{e} = - \frac{1}{2}\frac{U^{2}}{\omega^{2}N^{2}\mu_{0}S_{\delta}}(1 - \cos{2\omega t) - chwilowa}$$

$$F_{e} = - \frac{1}{2}\frac{U^{2}}{\omega^{2}N^{2}\mu_{0}S_{\delta}} - srednia$$

Przy napięciu przemiennym siła zmienia wartości od zera do podwójnej wartości średniej z pulsacją dwa razy większą niż pulsacja napięcia zasilania. Wynikiem tego są duże drgania. Można je zredukować poprzez umieszczenie na końcach krawędzi rdzenia masywnych zwojów, które nie pozwolą sile zmaleć do wartości zerowej.

Charakterystyka mechaniczna silnika skokowego.

Jest to zależność momentu elektromagnetycznego rozwijanego przez silnik od średniej prędkości wirowania wirnika. Prędkość ta jest wprost proporcjonalna do częstotliwości impulsów sterujących i odwrotnie proporcjonalna do liczby taktów w cyklu. Jest silnie zależna od typu silnika i zasilacza, rodzaju komutacji oraz sposobu sterowania. Charakterystyka momentu rozruchowego (A) wyznacza wartość graniczną momentu obciążenia, dla której silnik w wyniku skokowego wzrostu częstotliwości impulsów sterujących od zera do zadanej wartości, nie zgubi żadnego skoku. Zwiększając płynnie częstotliwość (przy ustalonym obciążeniu), silnik można rozpędzić do większych prędkości niż wynika to z przebiegu krzywej A. Graniczne możliwości silnika przy takim postępowaniu wyznacza charakterystyka granicznego momentu (B).

Rysunek 8. Charakterystyka mechaniczna

Kątowa charakterystyka momentu elektromagnetycznego.

Rysunek . Kątowa charakterystyka momentu elektromagnetycznego z uwzględnieniem momentu reluktancyjnego.

Okres zmian momentu reluktancyjnego zależy od liczby zębów wirnika a okres zmian momentu wzbudzeniowego od liczby par biegunów.

Biegunowość momentu wzbudzeniowego zależy od polaryzacji prądu pasmowego, a biegunowość momentu reluktancyjnego nie zależy od polaryzacji prądu pasmowego

Porównanie charakterystycznych cech zasilania z komutacją elektroniczną o SEM sinusoidalnym oraz trapezoidalnym.

Silniki i komutacji elektronicznej to silniki bezszczotkowe.

Silniki z trapezoidalnym przebiegiem SEM rotacji noszą nazwę bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC), a o przebiegu sinusoidalnym – bezszczotkowych silników prądu przemiennego (BLAC).

W przypadku obu odmian możliwa jest praca przy stałej mocy dla prędkości większych niż znamionowa. W tym przypadku osłabienie strumienia magnesu trwałego realizowana jest przez przesuwanie strefy przewodzenia prądu (trapez) lub poprzez przesuwanie fali prądu (sinus).

W przypadku silnika z trapezoidalnym SEM stosuje się punktowe czujniki położenia wirnika (hallotronowe). Natomiast przy sinusoidalny przebiegu SEM pomiar położenia wirnika odbywa się w sposób ciągły poprzez zastosowanie transformatora położenia kątowego.

Silniki bezszczotkowe.

Żądane przebiegi SEM uzyskuje się przez odpowiednie rozmieszczenie uzwojeń w żłobkach stojana i ukształtowanie rozkładu pola magnesów w szczelinie powietrznej. W zależności od charakteru rozkładu pola w szczelinie powietrznej wykorzystuje się rożne sposoby śledzenia położenia wirnika. Silniki bezszczotkowe zasilane są za pomocą układów elektronicznych o rożnych strukturach.

DC (BLMDC)

AC (BLMAC)

Bezszczotkowe silniki prądu stałego silniki z trapezoidalnym przebiegiem SEM. W silnikach z rozkładem trapezoidalnym stosowany jest dyskretny, (co 60° elektrycznych) sposób pomiaru położenia. Sterowanie trapezowe polega na tym, że przy połączonych pasmach uzwojenia w gwiazdę, prąd płynie tylko w dwóch pasmach uzwojenia, w trzecim paśmie uzwojenia prąd jest równy zero.

Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego silniki z sinusoidalnym przebiegiem SEM. W silnikach z rozkładem sinusoidalnym niezbędny jest ciągły pomiar położenia wirnika realizowany zwykle za pomocą resolvera lub impulsatora. Sterowanie sinusoidalne polega na tym, że kąt między wektorami Φf i Φa ma wartość stałą. Chwilowa wartość prądu w poszczególnych pasmach uzwojenia musi być tak regulowana, aby uzyskiwać pożądane położenie wektora Φa. Enkoder realizujący to zadanie jest układem bardziej złożonym, a komutator elektroniczny musi realizować kluczowanie tranzystorów w systemie modulacji szerokości impulsów.