NAPĘD I STEROWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ

1. Przedstaw schemat blokowy ogólnej struktury układu sewonapędowego z silnikiem

elektrycznym.

Uze Us Me, We Mm, Wm

S1 S2

SS Sz

Uze – napięcie źródła energii

Us – napięcie na zaciskach silnika

SS, S1, S2 – sygnały sterujące

Sz – sygnały sprzężeń zwrotnych

2. Narysuj charakterystykę mechaniczną silnika prądu stałego (bocznikowego) i silnika

indukcyjnego (klatkowego) M= f(n).

silnik prądu stałego

silnik indukcyjny

3. Wymień znane ci sposoby regulacji prędkości silnika indukcyjnego (klatkowego).

• Zmiana liczby par biegunów

• Zmiana częstotliwości zasilania

4. Charakterystyki mechaniczne i zasada częstotliwościowej regulacji prędkości obrotowej

silnika indukcyjnego.

Zasada częstotliwościowej regulacji prędkości obrotowej:

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).

5. Silnik indukcyjny klatkowy pracuje obciążony stałym niezależnym od prędkości

momentem 0,5 N M ( N M -moment znamionowy silnik zasilany jest napięciem

o częstotliwości znamionowej. W jakim przypadku nastąpi większy spadek prędkość

obrotowej:

a) przy spadku napięcia zasilania o 10%,

b) przy spadku częstotliwości zasilania o 10%.

6. Jakie parametry znamionowe silnika uwzględniamy podczas doboru silnika do układu

napędowego?

• Moc znamionowa silnika - musi być tak dobrana, by w danych warunkach

pracy silnik nie nagrzewał się nadmiernie a moment maksymalny silnika był większy od momentu maksymalnego przewidywanego obciążenia.

• Metoda prądu zastępczego polega na wyznaczeniu prądu Iz , ktory płynąc przez

uzwojenie silnika, wytwarza taką samą ilość ciepła jak zmienny w czasie prąd

rzeczywisty. (silnik indukcyjny)

• Metoda momentu zastępczego polega na wyznaczeniu momentu zastępczego Mz,

przy założeniu że moment obrotowy jest liniową funkcją prądu. (silnik indukcyjny)

7. Oblicz moment znamionowy Mn dla silnika o parametrach Pn= 10kW, nn = 1450

obr./min., ηn = 0,95.

8. Wymień wady i zalety napędu z silnikiem krokowym.

Zalety:

● Moment trzymający, bezprądowy moment spoczynkowy (detent torque),

silniki wyposażone w magnes trwały,

● Silnik pracuje z pełnym momentem w stanie spoczynku (o ile uzwojenia są

zasilane),

● Precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu dobre silniki krokowe mają dokładność ok. 3 5% kroku i błąd ten nie kumuluje się z kroku na krok. Krok podstawowy, rozdzielczość kątowa kroku : 15°, 7.5°, 3.6 °, 1.8°, 0.9 ° ( liczba krokow: 24, 48, 100, 200, 400)

● Szeroki zakres prędkości obrotowych uzyskiwany dzięki temu, że prędkość jest proporcjonalna do częstotliwości impulsow wejściowych,

● Możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku.

● Niezawodny ze względu na brak szczotek, żywotność silnika zależy zatem tylko od żywotności łożysk.

● Możliwość osiągnięcia bardzo niskich prędkości synchronicznych obrotow z obciążeniem umocowanym bezpośrednio na osi.

● Jedną z najbardziej znaczących zalet silnika krokowego jest możliwość dokładnego sterowania w pętli otwartej co oznacza, że nie potrzeba sprzężenia zwrotnego informacji o położeniu. Eliminuje to potrzebę stosowania kosztownych urządzeń sprzężenia zwrotnego, takich jak enkodery optoelektroniczne. Pozycje określa się zliczając impulsy wejściowe.

Wady:

● Rezonanse mechaniczne pojawiające się przy niewłaściwym sterowaniu.

● Trudności przy pracy z bardzo dużymi prędkościami.

● Malejący moment obrotowy wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.

9. Metody sterowania silnikiem krokowym, wymień rodzaje sterowań i ich właściwości.

Wśród silników krokowych można wyróżnić dwa podstawowe typy: unipolarne i bipolarne.

• Zaleta sterowania bipolarnego – dobre wykorzystanie momentu obrotowego dzięki temu, że całe uzwojenie jest w stanie prądowym po otrzymaniu impulsu.

Wada sterowania bipolarnego – bardziej rozbudowany układ sterowania.

• Zaleta wariantu unipolarnego - prostszy układ połączeń i mniejsza liczba tranzystorów.

Wada sterowania unipolarnego – jednocześnie pracuje tylko połowa uzwojenia, a zatem nie wytwarza się moment obrotowy o pełnej wartości.

RODZAJE STEROWANIA (KROK, ALGORYTMY KOMUTACJI) :

• falowe - W sterowaniu falowym - jednofazowym w danym momencie zasilana jest jedna faza. Wada: Silniki o uzwojeniach unipolarnych wykorzystują tylko 25%, a o uzwojeniach bipolarnych 50% całkowitego uzwojenia silnika w danej chwili czasu. Nie wykorzystuje się maksymalnego momentu wyjściowego silnika.

• pełnokrokowe - W sterowaniu pełnokrokowym (dwufazowym) w każdej chwili czasu zasilane są dwie fazy. Wynikiem tego rodzaju sterowania są takie same ruchy jak przy sterowaniu jednofazowym z tym, że pozycja wirnika jest przesunięta o pół kroku.

• półkrokowe - jest kombinacją sterowania dwufazowego i jednofazowego. Co drugi krok jest zasilana tylko jedna faza, a w pozostałych krokach dwie fazy.

• mikrokrokowe - w sterowaniu mikrokrokowym prądy w uzwojeniach zmieniają się płynnie rozbijając w ten sposób pełny krok na wiele mniejszych. Dzięki pracy z mikrokrokiem możliwe jest uzyskanie płynniejszej pracy i dokładniejszego pozycjonowania. Istnieje wiele różnych typów mikrokroków o podziale od 1/3 do 1/256 pełnego kroku lub jeszcze większym.

10. Wyjaśnij termin silnik BLCD.

Nazwa ta wynika z angielskiego określenia brushless DC motor i jest powszechnie używana. Często też mowiąc o silnikach BLDC używa się wyrażenia ''silnik z komutacją elektroniczną''.

11. Wymień głowne zalety silnika bezszczotkowego.

● bardzo duża sprawność,

● liniowa charakterystyka mechaniczna,

● wysoki stosunek momentu rozwijanego do gabarytow,

● brak komutatora,

● bardzo mała inercja wirnika.

12. Narysuj przykładowy schemat blokowy napędu hydraulicznego.

13. Podaj przynajmniej po trzy wady i zalety napędów hydrostatycznych w porównaniu

z napędami elektrycznymi.

Zalety:

• Duża dokładność pozycjonowania,

• Duża niezawodność,

• Duże przenoszone moce,

• Iskrobezpieczeństwo,

• Duży współczynnik wzmocnienia (rozumiany jako stosunek mocy sygnału wyjściowego do mocy sygnału wejściowego (~108),

• Mała wrażliwość na zakłocenia,

• Prostota obsługi,

• Relatywnie mała zależność właściwości od obciążeń.

Wady:

• Wycieki czynnika roboczego,

• Występowanie zjawiska obliteracji (powodując zmniejszanie światła kanałów przepływowych),

• Znaczne koszty budowy i eksploatacji.

14. Wymień i opisz funkcje podzespołów wchodzących w skład zasilacza hydraulicznego.

• Pompa - jej zadaniem jest zamiana energii mechanicznej dostarczonej z zewnątrz na energię ciśnienia cieczy roboczej. Zasada działania pompy wyporowej polega na przetłaczaniu dawek cieczy z przestrzeni ssawnej do tłocznej za pomocą elementow wyporowych.

• Silnik - zadaniem silnika wyporowego, nazywanego najczęściej silnikiem hydraulicznym, jest zamiana energii ciśnienia cieczy na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Zasada działania silnika jest odwroceniem zasady działania pompy wyporowej.

• Manometr

• Regulator ciśnienia - zadaniem elementow sterujących ciśnieniem – nazywanych skrótowo zaworami ciśnieniowymi – jest wpływanie w określony sposob na wartość ciśnienia w układzie hydrostatycznym lub jego części.

• Zawór przelewowy – jest on jedną z dwóch odmian funkcjonalnych (ze względu na charakter pracy) zaworów maksymalnych, których podstawowym zadaniem jest zabezpieczenie układu hydrostatycznego lub jego części przed wzrostem ciśnienia ponad dopuszczalną wartość.

15. Jakie zadanie w układzie hydraulicznym spełniają rozdzielacze hydrauliczne, jak mogą

być sterowane?

Sterujemy za ich pomocą kerunkiem przepływu czynnika roboczego.

Ze względu na rodzaj sygnału sterującego rozróżniamy:

1. Rozdzielacze sterowane mechanicznie.

2. Rozdzielacze sterowane hydraulicznie i pneumatycznie.

3. Rozdzielacze sterowane elektrycznie.

4. Rozdzielacze o sterowaniu mieszanym np. elektrohydraulicznym.

16. Zdefiniować, podać jednostki: wydajność teoretyczną pompy, wydajność jednostkową

pompy, wydajność rzeczywistą pompy, sprawność ogolną (całkowitą) pompy, moc

otrzymywaną z pompy (efektywną).

• Wydajność teoretyczna (idealna) pompy Q,p [l/min] jest to objętościowe natężenie przepływu cieczy, jakie pompa dostarczałaby, gdyby nie istniały wewnątrz niej żadne przecieki, zwane stratami objętościowymi.

• Wydajność jednostkowa – jest to ilość cieczy podana do przewodu tłocznego w trakcie 1 obrotu przy cśnieniu w przewodzie tłocznym równym ciśnieniu w przewodzie spływowym. Jednostka: [m3/obr]

• Wydajność rzeczywista pompy Qp [l/min] jest to objętościowe natężenie przepływu cieczy dostarczane przez pompę.

• Sprawność całkowita pompy – 𝜂 = $\frac{P_{\text{otrz}}}{P_{\text{dost}}}$ [%] - jest to iloraz mocy na wyjściu do mocy dostarczonej na wale.

• Moc efektywna pompy – moc netto zużyta na zwiększenie energii płynu [kW].

17. Przedstaw przykładowe zastosowanie i opisz sposob działania (elementy składowe)

układu przedstawionego na rysunku:

18. Zdefiniować, podać jednostki: a) chłonność teoretyczną silnika, b) sprawność

rzeczywistą silnika, c) chłonność jednostkową silnika.

1. chłonność teoretyczna (idealna) silnika Qts [l/min] jest to objętościowe

natężenie przepływu cieczy, jakie płynęłoby przez silnik, gdyby nie istniały

wewnątrz silnika żadne przecieki, ani inne zjawiska powodujące zwiększenie chłonności silnika

1. sprawność rzeczywista silnika – jest to stosunek chłonności rzeczywistej do teoretycznej [%]

2. chłonność jednostkowa qh – minimalna ilość cieczy pobrana z przewodu tłocznego w trakcie jednego obrotu wałka wyjściowego, przy cśnieniu w przewodzie tłocznym równym ciśnieniu w przewodzie spływowym; [mm3/obr], [dm3/obr]

19. Narysuj charakterystyki przepływowe statyczne zaworu przelewowego.

jednostopniowego

dwustopniowego

20. Narysuj charakterystyki przepływowe statyczne zaworu dławiącego.

21. Wymień znane ci rodzaje prowadnic i porownaj ich właściwości.

1. prowadnice ślizgowe:

• typu „jaskółczy ogon”

• prostokątne

• walcowe

Są konstrukcyjnie najprostsze, co nie oznacza, że ich właściwe wykonanie jest łatwe i tanie. Ze wszystkich typow prowadnic charakteryzują się – w okresie swego

prawidłowego działania – największą sztywnością , tj. najmniejszym ugięciem

pod działaniem obciążenia.

Największą z kolei ich wadę stanowi duży i nierownomierny opor ruchu,wymagający kosztownych jednostek napędowych o dużej mocy oraz powodujący szybkie zużywanie się wspołpracujących elementow.

Inne problemy związane ze stosowaniem prowadnic ślizgowych to:

• Drgania cierne i niszczenie podczas montaż u oraz docierania

• Bicie, zarysowania, szybkie zniszczenie – konieczność względnie częstej, kosztownej i czasochłonnej wymiany

• Krotka żywotność pod wysokim obciążeniem

• Krotka żywotność oraz niedostateczne smarowanie wynikające z wilgotności środowiska

• Korozja cierna.

1. prowadnice toczne

• Łożyskowanie w takiej prowadnicy wykazuje 50-krotnie mniejszy wspołczynnik tarcia niż przy łożyskowaniu ślizgowym.

• Rożnica pomiędzy tarciem statycznym i dynamicznym jest niewielka, przy tym siła ruchu jałowego jest niewiele większa od siły ruchu przy obciążeniu znamionowym.

• Nie występują efekty drgań ciernych.

• Dzięki niskim wspołczynnikom tarcia potrzebne są małe siły napędowe, siła napędowa pozostaje stała w obu kierunkach, wymaga tylko minimalnego smarowania, montaż profilowej prowadnicy szynowej jest bardzo łatwy.

22. Od jakich parametrow pracy zależy żywotność prowadnicy?

Żywotność bez uwzględnienia wspołczynnika pracy:

$${L = (\frac{\text{Cdyn}}{P})}^{3}$$

L – znamionowa żywotność dla 50km

Cdyn – dynamiczna nośność [N]

P - dynamiczne ekwiwalentne obciążenia [N]

$${L = (\frac{f_{H} \bullet f_{T} \bullet C_{\text{dyn}}}{f_{W} \bullet P})}^{3}$$

f_H - wsp. twardości

f_T - wsp. temperaturowy

f_W – wsp. udaru