1. Części składowe funkcjonalnego układu napędowego.

Części składowe układu napędowego można pogrupować w zależności od funkcji jakie spełniają. Ogólnie ich wzajemne powiązania pokazano na schemacie blokowym na rys.

Rys. 1.1. Uogólniony schemat funkcjonalny układu napędowego

E- źródło energii elektrycznej
PE- przekształtnik energii elektrycznej
S- silnik
MR- maszyna robocza
UP- układ pomiarowy
US- układ sterujący
Z- zadajnik

2. Zadania przekształtnika.

Przekształtnik PE może nie tylko dopasowywać poziom napięcia zasilającego (np. transformator), ale też być elementem sterowanym (np. przetwornica elektromaszynowa, prostownik sterowany, falownik), dającym na wyjściu regulowane napięcie prądu stałego lub regulowane co do amplitudy, częstotliwości i fazy napięcie prądu przemiennego jednofazowego bądź wielofazowego.

3. Zadania układu pomiarowego.

Zadaniem układu pomiarowego jest wyznaczenie określonych przebiegów rzeczywistych występujących w systemie. Mogą być to napięcia i prądy, prędkości oraz momenty obrotowe silnika i maszyny roboczej, temperatura, położenia kątowe, itp.

4. Co to jest stan ustalony układu napędowego?

Stanem ustalonym w pracy układu elektrycznego nazywamy taki stan, w którym prędkość obrotowa n i prędkość kątowa ω zespołu, mierzone w dowolnym punkcie układu, mają wartości stałe, a zatem gdy ich pierwsze pochodne względem czasu t są równe zeru.

W przypadku, gdy powyższe równania nie są spełnione, mamy do czynienia ze stanami przejściowymi ( nieustalonymi ).

5. Co to jest moment oporowy?

Moment oporowy będzie się składał z momentu obciążenia M_obc, tj. właściwego momentu użytkowego i z momentu M_f służącego do pokonania strat w przekładniach, łożyskach i strat na tarcie powietrza,

6. Układ stabilny i niestabilny.

Rys. 1.3. Charakterystyki mechaniczne: a) napęd stateczny, b) napęd niestateczny

Napęd wyprowadzony ze stanu ustalonego będzie dążyć samoczynnie do przywrócenia zachwianej równowagi. Napęd taki nazywamy statecznym (stabilnym).

Napęd raz wyprowadzony ze stanu ustalonego więcej do niego powrócić nie może. Napęd taki jest niestateczny (niestabilny).

W tym przypadku zakłócenie stanu ustalonego napędu pociąga za sobą oddalenie się punktu pracy zespołu od punktu p pracy w stanie ustalonym.

7. Zakres regulacji.

Zakres regulacji związany jest ze stosunkiem prędkości maksymalnej do prędkości minimalnej, jakie można osiągnąć przy znamionowym prądzie i napięciu, zwykle określanych liczbowo

Np. w tokarkach do metalu zakres regulacji może się zawierać w granicach (20/120): 1, w wiertarkach pionowych (2/12):1, we frezarkach (20/30):1 itp. W przypadku gdy ze względów technologicznych wymagana jest prędkość napędu w obu kierunkach mówimy o napędzie nawrotnym.

8. Kierunek regulacji.

Kierunek regulacji zwiększenie lub zmniejszenie prędkości kątowej w stosunku do jej wartości znamionowej (odpowiednio regulacja w górę lub w dół)


9. Płynność regulacji.

Płynność regulacji stosunek dwóch najbardziej zbliżonych do siebie, możliwych do uzyskania prędkości kątowych, jest ona tym większa im więcej jest stopni regulacji w danym zakresie

Płynność regulacji związana jest z rodzajem regulatora. Regulatory mogą podawać do układu sygnały zmieniające się skokowo lub płynnie.

10. Podział silników prądu stałego.

Silniki prądu stałego

- ze wzbudzeniem magnetoelektrycznym (silniki bocznikowe, szeregowe, bocznikowo
szeregowe, obcowzbudne), z reguły budowane z wirnikiem cylindrycznym,

- ze wzbudzeniem na magnesach trwałych.

11. Podział silników indukcyjnych.

Silniki indukcyjne (asynchroniczne) - prądu przemiennego

- silniki klatkowe (np. sterowane poprzez zmianę liczby par biegunów; sterowane przy użyciu falowników przez zmianę częstotliwości; sterowane poprzez zmianę napięcia przy użyciu tyrystorowych układów; pracujące z prędkością nieregulowaną; jednofazowe z kondensatorem pracy),

- silniki pierścieniowe (sterowane przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika stycznikowo lub przekształtnikowo),

- silniki liniowe (zaliczane do silników klatkowych) o prostoliniowym ruchu biegnika względem induktora (biegnik wykonany jako klatkowy lub z litej stali).

12. Co to jest moc znamionowa [dot. silnika i prądnicy]?

moc znamionowa P_N wyrażona w W, mierzona na wale dla wszystkich silników lub mierzona na zaciskach twornika dla prądnic prądu stałego,

13. Prąd znamionowy silnika/prądnicy.

prąd znamionowy I_N wyrażony w A, pobierany ze źródła przez silnik w warunkach zasilania i obciążenia znamionowego lub prąd wydawany z zacisków twornika prądnicy,

Dla silników prądu stałego U_N i I_N są to wartości średnie napięcia i prądu, natomiast dla silników prądu przemiennego - wartości skuteczne.

14. Klasy izolacji.

Klasy izolacji podzielone są następująco:

• klasa A (temp. 105^oC),

• klasa E (temp. 120^oC),

• klasa B (temp. 130^oC),

• klasa F (temp. 155^oC),

• klasa H (temp. 180^oC).

Najszersze zastosowanie w silnikach elektrycznych ma dotychczas klasa izolacji A, do której należą: bawełna, jedwab, papier itp. materiały nasycone w masie zalewanej, lub zanurzone w oleju.

Do klasy B należą materiały izolacyjne z miki i włókna szklanego, z lepiszczami i nasycalnikami z żywic naturalnych lub syntetycznych.
Klasa E obejmuje emalie syntetyczne, folie syntetyczne i masy zalewne o temperaturze mięknienia 120°C.

15. Oznaczenia maszyn [tylko nowe oznaczenia].

Przykłady oznaczenia pełnego maszyny

STHg 90L 24 IM 1001 IP54 IC01 TP 211

Oznaczenie pełne literowo-cyfrowe zawiera kolejno wymienione poniżej cechy maszyny:

a) rodzaj maszyny oznaczona pierwsza litera symbolu:
A - prądnica prądu stałego,
G - prądnica synchroniczna,
R - silnik synchroniczny,
S - silnik indukcyjny,
P- silnik prądu stałego,
K - silnik komutatorowy prądu przemiennego 1-fazowego,
C - silnik komutatorowy prądu przemiennego 3-fazowy,

b) cechy uzwojeń dla prądnic i silników - druga litera informuje o cechach twornika oraz o cechach uzwojenia pierwotnego maszyn typu G, R, S należy :
T - uzwojenie trójfazowe,
D - uzwojenie dwufazowe,
I - uzwojenie jednofazowe (w maszynie bez uzwojenia rozruchowego lub pomocniczego)
W - uzwojenie wielofazowe (liczba pasm fazowych >3),

c) trzecia litera mówi o cechach wzbudzenia maszyn komutatorowych i synchronicznych oraz o cechach wirnika silnika indukcyjnego i tak np.:
Cechy wzbudzenia maszyn A, P, K i C należy oznaczać następującą literą
S - szeregowe,
B - bocznikowe,
C - szeregowe z dowzbudzeniem bocznikowym,
A - bocznikowe z dowzbudzeniem szeregowym,
O - obcowzbudne,
M - wzbudzenie magnesami trwałymi i inne.
Cechy wzbudzenia maszyn G i R należy oznaczać następującą literą:
U - magneśnica o biegunach utajonych z klatką tłumiącą,
S - magneśnica o biegunach utajonych bez klatki tłumiącej,
N - magneśnica o biegunach wydatnych z klatką tłumiącą,
P - magneśnica o biegunach wydatnych bez klatki tłumiącej,
K - wirnik o biegunach kłowych,
M - maszyna o magnesach trwałych i inne.
Cechy budowy wirnika maszyn S należy oznaczać następującą literą:
N - trójfazowy klatkowy o normalnym momencie, przeznaczony do rozruchu bezpośredniego,
NY - trójfazowy klatkowy o normalnym momencie, przeznaczony do rozruchu przy pomocy przełącznika gwiazda - trójkąt,
H - trójfazowy klatkowy o dużym momencie, przeznaczony do rozruchu bezpośredniego,
HY - trójfazowy klatkowy o dużym momencie, przeznaczony do rozruchu przy pomocy przełącznika gwiazda - trójkąt,
K - klatkowy (poza trójfazowym) o normalnych parametrach rozruchowych,D -
klatkowy (poza trójfazowymi) o podwyższonych parametrach rozruchowych,
U - pierścieniowy,

d) czwarta litera oznaczenia dla maszyn komutatorowych i synchronicznych informuje o cechach uzwojeń dodatkowych np.:
Cechy dodatkowe maszyn A, G, R, P należy oznaczać następującą literą:
K - maszyna z uzwojeniem kompensacyjnym,
Z - bez uzwojenia kompensacyjnego z biegunami zwrotnymi,
N - maszyna bez uzwojenia kompensacyjnego i z niepełną liczbą biegunów zwrotnych,
O - maszyna bez uzwojenia kompensacyjnego i biegunów zwrotnych,

e) seria maszyny (mała litera - wg oznaczeń producenta),
f) wielkość mechaniczna, wznios wału, rozstaw otworów mocujących i itd.,
g) forma wykonania
h) stopień ochrony ,
i) sposób chłodzenia :
j) środowisko pracy (wg oznaczeń producenta),
k) przeznaczenie specjalne (wg oznaczeń producenta),
l) wyposażenie specjalne.

16. Charakterystyki mechaniczne maszyn napędzanych.

Maszyny napędzane mają różne charakterystyki statyczne. Moment oporowy pochodzący od urządzenia napędzanego może być wielkością stałą lub zmienną. Zmienność momentu oporowego w funkcji czasu wiąże się przeważnie ze zmianami narzucanymi układowi elektromechanicznemu przez proces technologiczny. Moment oporowy może ulegać zmianom cyklicznym w funkcji drogi, jak to ma miejsce np. w mechanizmach o ruchu postępowo-zwrotnym, lub też może być zależny od prędkości obrotowej, jak np. w urządzeniach mechanicznych wirujących.


17. Charakterystyk mechaniczne maszyn napędzających.

Rys. 2.3. Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych: 1 - idealnie sztywna, 2 - sztywna, 3 - podatna

Zasadniczo spotykamy się z trzema rodzajami charakterystyk mechanicznych silników elektrycznych, a mianowicie: idealnie sztywną, sztywną i podatną (rys.).

Prędkość obrotowa silnika o charakterystyce mechanicznej idealnie sztywnej jest stała i nie zależy do wielkości rozwijanego momentu. Taką charakterystykę mają silniki synchroniczne.
Jeżeli ze wzrostem obciążenia prędkość obrotowa silnika maleje nieznacznie, praktycznie biorąc liniowo i mówimy wtedy, że charakterystyka mechaniczna silnika jest sztywna. Do grupy tej zaliczmy silniki bocznikowe prądu stałego, silniki asynchroniczne i silniki bocznikowe komutatorowe prądu przemiennego. Taką charakterystykę nazywamy często bocznikową.
Jeżeli ze wzrostem obciążenia prędkość maleje bardzo znacznie, prawie hiperbolicznie, mówimy, że charakterystyka mechaniczna takiego silnika jest podatna (miękka). Charakterystykę mechaniczną podatną mają silniki szeregowe prądu stałego i komutatorowe prądu przemiennego, jednofazowe oraz trójfazowe.


18. Co to jest charakterystyka naturalna/sztuczna?

Rozróżniamy charakterystyki mechaniczne naturalne i sztuczne. Charakterystyką mechaniczną naturalną nazywamy taką charakterystykę, która występuje przy znamionowych parametrach sieci zasilającej, przy normalnym włączeniu oraz braku elementów dodatkowych w obwodach elektrycznych. Wszystkie inne charakterystyki mechaniczne nazywamy sztucznymi.

Każda charakterystyka mechaniczna silnika ma pewne punkty szczególne, odpowiadające np. rozruchowi, prędkości idealnego biegu jałowego. Jeżeli to będzie funkcja o kilku punktach zerowych, interesować nas będą również ekstrema tej funkcji, oraz istotna będzie również informacja o sztywności roboczej części charakterystyki.

19. Co to jest moment aktywny/reaktywny?

Moment oporowy urządzeń, które bez względu na kierunek ich wirowania są zawsze odbiornikami energii mają moment oporowy nazywany momentem reaktywnym. Charakterystyka M_m=f(n) takiego urządzenia na płaszczyźnie przebiega przez ćwiartkę pierwszą i trzecią, moc bowiem, która jest proporcjonalna do iloczynu momentu oraz prędkości przy obu kierunkach wirowania jest dodatnia. Moment oporowy reaktywny wykazuje np. urządzenie jazdy w poziomie mostu suwnicowego; przebieg jego jest pokazany na rys.

20. Charakterystyki mechaniczne przy zmianie napięcia zasilającego maszyny indukcyjnej.

21. Charakterystyki mechaniczne przy zmianie rezystancji w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej.

Rys. Charakterystyki rozruchowe trójfazowego silnika asynchronicznego pierścieniowego

22. Charakterystyka mechaniczna maszyny indukcyjnej i jej charakterystyczne punkty.

Każda charakterystyka mechaniczna silnika ma pewne punkty szczególne, odpowiadające np. rozruchowi, prędkości idealnego biegu jałowego, stabilności układu.

Znajomość kształtu charakterystyki mechanicznej silnika i jej punktów szczególnych jest konieczna przy analizie statyki i dynamiki układu elektromechanicznego. Można, zmieniając elektryczne wielkości zewnętrzne wpływać na kształt charakterystyki mechanicznej, tzn. można ja odpowiednio formować (kształtować) i wtedy uzyskuje się całą rodzinę charakterystyk sztucznych, z których się korzysta przy regulacji układu elektromechanicznego.

Rys. 2.3. Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych: 1 - idealnie sztywna, 2 - sztywna, 3 - podatna

Zasadniczo spotykamy się z trzema rodzajami charakterystyk mechanicznych silników elektrycznych, a mianowicie: idealnie sztywną, sztywną i podatną (rys. 2.3).
Prędkość obrotowa silnika o charakterystyce mechanicznej idealnie sztywnej jest stała i nie zależy do wielkości rozwijanego momentu. Taką charakterystykę mają silniki synchroniczne.

Jeżeli ze wzrostem obciążenia prędkość obrotowa silnika maleje nieznacznie, praktycznie biorąc liniowo i mówimy wtedy, że charakterystyka mechaniczna silnika jest sztywna. Do grupy tej zaliczmy silniki bocznikowe prądu stałego, silniki asynchroniczne i silniki bocznikowe komutatorowe prądu przemiennego. Taką charakterystykę nazywamy często bocznikową.

23. Praca S1. (Praca ciągła)

Praca z obciążeniem stałym, trwającym tak długo aż zostanie osiągnięty stan równowagi cieplnej.

υ_max - najwyższa temperatura osiągana przy pracy ciągłej,
t_p - czas pracy przy obciążeniu stałym

24. Praca S2. (praca znamionowa dorywcza)

Praca z obciążeniem stałym, trwającym przez określony czas, krótszy niż czas potrzebny do osiągnięcia równowagi cieplnej, i następującym po tym czasie postojem, trwającym tak długo, aż ustalona temperatura maszyny nie będzie się różnić o więcej niż 2°C od temperatury czynnika chłodzącego.

υ_max - najwyższa temperatura osiągana przy pracy dorywczej,
t_p - czas pracy przy obciążeniu stałym

25. Praca S3. (praca znamionowa przerywana(okresowa))

Szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas pracy przy obciążeniu stałym i czas postoju. Przy tym rodzaju pracy okres jest taki, że prąd rozruchowy nie wpływa w sposób znaczący na nagrzewanie się maszyny.

υ_max - najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy,
t_o — czas trwania okresu,
t_p — czas pracy przy obciążeniu stałym,
t_s — czas postoju
Względny czas obciążenia =

26. Praca S4. (praca okresowa przerywana rozruchem (przerywana z dużą liczbą łączeń i hamowaniem mechanicznym))

Szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje znaczący (ze względów cieplnych) czas rozruchu, czas pracy przy obciążeniu stałym i czas postoju.

υ_max - najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy,

t_o — czas trwania okresu,

t_r - czas rozruchu,

t_p — czas pracy przy obciążeniu stałym,

t_s — czas postoju

Względny czas obciążenia =

27. Praca S5. (praca przerywana z dużą liczbą łączeń i hamowaniem elektrycznym)

Szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas pracy przy obciążeniu stałym, czas szybkiego hamowania elektrycznego oraz czas postoju.

υ_max — najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy,
t_o — czas trwania okresu,
t_r — czas rozruchu,
t_p — czas pracy przy obciążeniu stałym,
t_s— czas postoju,
t_h - czas hamowania,

Względny czas obciążenia =

28. Praca S6. (praca znamionowa okresowa, przerywana z przerwami jałowymi)

Szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas pracy przy obciążeniu stałym i czas pracy przy biegu jałowym. W tym rodzaju pracy nie występuje czas postoju.

υ_max — najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy,

t_o — czas trwania okresu,
t_p — czas pracy przy obciążeniu stałym,
t_j — czas pracy przy biegu jałowym
Względny czas obciążenia =

29. Praca S7. (praca okresowa długotrwała z hamowaniem elektrycznym)

Szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas rozruchu, czas pracy przy obciążeniu stałym oraz czas hamowania elektrycznego. W tym rodzaju pracy nie występuje czas postoju.

υ_max — najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy,
t_o — czas trwania okresu,
t_h — czas rozruchu,
t_p — czas pracy przy obciążeniu stałym,
t_h — czas hamowania

Względny czas obciążenia = 1

30. Praca S8. (praca okresowa długotrwała ze zmianami prędkości obrotowej)

Szereg identycznych okresów pracy, z których każdy obejmuje czas pracy przy obciążeniu stałym odpowiadającym określonej uprzednio prędkości obrotowej i z jednego lub kilku czasów pracy przy innych obciążeniach odpowiadających innym prędkościom obrotowym (osiąganym np. przez zmianę liczby biegunów w przypadku silników indukcyjnych). W tym rodzaju pracy nie występuje czas postoju.

υ_max — najwyższa temperatura osiągana w okresie pracy,
t_o — czas trwania okresu,
t_r, — czas rozruchu,
t_p1, t_p2, t_p3 — czasy pracy przy obciążeniu odpowiadającym różnym stałym prędkościom obrotowym,
t_h1, t_h2 - czasy hamowania

Względne czasy obciążenia

31. Praca S9. (praca z nieokresowymi zmianami obciążenia i prędkości obrotowej (praca nieokresowa))

Praca, przy której na ogół obciążenie i prędkość obrotowa zmieniają się nieokresowo w dopuszczalnym zakresie. Praca ta obejmuje często przeciążenia, które mogą przekraczać znacznie pełne obciążenie.

υ_max — najwyższa osiągana temperatura,

t_r — czas rozruchu,

t_p — czas pracy przy zmiennym obciążeniu,

t_h— czas hamowania,

t_s — czas postoju,

S — praca przy przeciążeniu,

C_p — pełne obciążenie

32. Krzywa nagrzewania i równania dla pracy S1, S2.

Rys. 4-10. Wyznaczenie czasu pracy dorywczej t_D silnika obciążonego stałym momentem przy stałej prędkości obrotowej i nie zmieniających się warunkach chłodzenia

otrzymamy:

skąd
(4.5)

Za pomocą tego wzoru możemy obliczyć moc danego silnika przy pracy dorywczej, jeśli znane są moc silnika przy pracy ciągłej i termiczna stała czasowa T_.
Ze wzoru ( 4.5 ) wynika, że im większa jest termiczna stała czasowa silnika, tym większa też może być moc do pracy dorywczej.

Rys. 4-11. Zależność stosunku dopuszczalnej mocy dorywczej P_S2 do mocy ciągłej P_S1 silnika od czasu pracy przy różnych termicznych stałych czasowych

33. Rodzaje strat w silniku i od czego zależą.

Zależność poszczególnych start od parametrów pracy silnika można wyrazić następująco:

• straty w uzwojeniach ΔP_uzw = I² ⋅ const

• starty w stali ΔP_Fe = B² ⋅ f^1,3 ⋅ const

• straty tarciowe ΔP_t = n ⋅ const

• starty wentylacyjne ΔP_went = n³ ⋅ const

• straty przejścia pod szczotkami ΔP_psz = I ⋅ const

• straty w uzwojeniu wzbudzającym ΔP_wzb = I²_wzb ⋅ const

34. Rozruch silnika trójfazowego.

Rozruchem nazywamy stan pracy od chwili załączenia napięcia do osiągnięcia przez maszynę ustalonej prędkości, określonej parametrami zasilania (napięciem i częstotliwością) i obciążenia (momentem hamującym).
Rozruch silnika jest możliwy tylko wtedy, gdy istnieje nadwyżka momentu wytworzonego przez silnik M nad momentem obciążenia Mh. Przy rozpatrywaniu jakości rozruchu bardzo istotna jest wartość prądu pobieranego z sieci w czasie rozruchu - prąd ten nazywa się prądem rozruchowym Ir , oraz wartość momentu rozwijanego przez silnik w chwili rozruchu - moment ten nazywa się momentem rozruchowym Mr (lub momentem początkowym}. Istotny jest również czas trwania rozruchu. Prąd pobierany podczas rozruchu ze zwartym uzwojeniem wirnika jest kilkukrotnie większy od prądu znamionowego (I_r = 4 ÷ 10I_N).

Dlatego też w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego stosuje się często różne metody rozruchu silników, które mają na celu ograniczenie wartości lub czasu działania prądu rozruchu. Stosuje się na przykład obniżanie napięcia zasilania (rozruch przy użyciu autotransformatora), zmianę konfiguracji uzwojeń (przełącznik gwiazda-trójkąt), itp. W silnikach pierścieniowych załączenie dodatkowej rezystancji w obwód wirnika powoduje znaczne zwiększenie początkowego momentu obrotowego kosztem większego poślizgu i strat mocy. W silnikach synchronicznych wirnik musi najpierw zostać rozpędzony do prędkości bliskiej synchronicznej (np. przy użyciu silnika asynchronicznego), po czym może zostać włączone zasilanie silnika synchronicznego, który normalnie posiada praktycznie zerowy moment startowy.

Początkowe chwile stanu rozruchu (bezpośrednio po włączeniu zasilania) są często równoznaczne z pracą w stan zwarcia silnika. Dlatego też czasem stosuje się specjalne konstrukcje silników ze zwiększoną szczeliną powietrzną, które są niewrażliwe na stany zwarcia.

35. Udowodnić, że wzór jest poprawny dla Y/D
P=sqrt(3)UpIpcos(fi) // P=3UfIfcos(fi)

ponieważ

---