Napęd elektryczny. Wiadomości ogólne

Napęd elektryczny
 Główną funkcją jest sterowane przetwarzanie energii
elektrycznej na mechaniczną i odwrotnie
Podstawowe elementy napędu: maszyna elektryczna,
przekształtnik, czujniki, sterownik z oprogramowaniem, system
komunikacji z otoczeniem.
Interfejsy
Układ
sterowania
Źródło energii
Imp. ster.
Przekszt.
energii
Sprzężenia zwrotne
Silnik
Maszyna robocza, Obciążenie
Współczesny napęd elektryczny
Silnik elektryczny
MASZYNA ELEKTRYCZNA
 Pierwsza koncepcja silnika elektrycznego – Faraday,
1821r.
Pierwszy patent maszyny indukcyjnej – US Patent
381968, Nicola Tesla, 1888r.
Dzisiaj sprawność do 95-96%.
MASZYNA ELEKTRYCZNA
1. Maszyny prądu stałego
2. Maszyny prądu przemiennego:
- synchroniczne (ze wzbudzeniem, z magnesami trwałymi, reluktancyjne),
- asynchroniczne,
- z komutatorem elektronicznym (BLDC, reluktancyjne przełączane),
- inne: skokowe, histerezowe, liniowe, …
Maszyna prądu stałego jest prosta w sterowaniu
Dominującą maszyną jest maszyna indukcyjna
Maszyna synchroniczna PMSM ma większą gęstość
mocy i wyższą sprawność,

Cechy silników elektrycznych z punktu widzenia
zastosowania w układach napędowych:
zalety:
- szeroki zakres mocy,
- dostępność energii elektrycznej i łatwość jej dostarczenia,
- możliwość pracy w różnych warunkach otoczenia,
- podatność na sterowanie,
- praca silnikowa, hamulcowa oraz prądnicowa,
- wysoka sprawność, niska cena i niskie koszty eksploatacji.
wady:
- konieczność przyłączenia do nieruchomego zazwyczaj źródła
energii elektrycznej,
- często większy ciężar jednostkowy i mniejsza szybkość działania
niż siłowników pneumatycznych i hydraulicznych.
6
NALEŻY PAMIĘTAĆ, ŻE:
•Silniki mogą (przez krótki okres czasu) pracować z
momentem wyższym od momentu znamionowego –
tzw. przeciążalność silnika.
krótki okres czasu = ?
silnik elektryczny vs. silnik spalinowy
Przekształtnik energoelektroniczny
Przekształtnik energoelektroniczny
Źródło energii
Przekształtnik
AC
AC-AC
AC-DC-AC
DC
AC-DC
DC-AC
DC-DC
Maszyna
elektryczna
AC
ex.
AC
AC-AC
AC-DC-AC
DC
AC
Przekształtnik energoelektroniczny
•Dostarczanie do maszyny energii elektrycznej o wymaganych
parametrach.
•W wielu aplikacjach pożądany dwukierunkowy przepływ
energii, czyli także z maszyny do źródła.
•Pełni rolę elementu wykonawczego – wzmacniacza sygnałów
sterujących.
•Na ogół zintegrowany z układem sterowania – cyfrowym.
•Wyposażony w rozbudowany interfejs komunikacyjny z
operatorem i innymi urządzeniami (przewodowy i/lub
bezprzewodowy,
•Często wyposażony w narzędzia do diagnostyki.
NALEŻY PAMIĘTAĆ, ŻE:
•Przekształtniki,
jako
złożone
z
elementów
półprzewodnikowych, nie mogą być przeciążane
prądowo, muszą więc być zabezpieczane.
•Przekształtnik musi być dobierany do dynamiki
napędu, czyli na maksymalne wartości prądów.
Silniki w napędzie elektrycznym
•
Silnik pracujący w napędzie zautomatyzowanym
z układem regulacji ma inne charakterystyki niż
silnik zasilany bezpośrednio ze źródła energii
elektrycznej (sieci, zasobnika).
•
Zastosowanie układu regulacji silnika umożliwia
kształtowanie właściwości maszyny w szerokim
zakresie
(charakterystyk
statycznych
i
właściwości dynamicznych).
STEROWNIKI
 Pierwszy mikroprocesor INTEL 4004, 1971r.,
Pierwszy DSP TMS32010, 1983 r.,
DSP dedykowane do napędów: TMS320F2407,
TMS320F28335, …
Pierwsze FPGA XC2064, Xilinx 1985r. Kontynuacją są
współczesne ARM
Rozwój napędu zautomatyzowanego rozpoczął się
dopiero od masowej produkcji mikroprocesorów i DSP
Sterowanie
Wymagania:
dokładność, szybka odpowiedź dynamiczna,
dobre właściwości statyczne,
Inne wymagania: praca regeneracyjna, jakość energii,
współczynnik mocy, sprawność, dopasowane do wymagań i
ograniczeń urządzenia napędzanego
Wielkości sterowane: położenie, prędkość, moment,
Wielkości sterujące: (U, f), (I, f), U, I
Człon wykonawczy: przekształtnik
STEROWANIE
 Stosowane techniki: klasyczne, neuronowe, rozmyte,
ślizgowe, back-stepping, genetyczne,
Estymacja parametrów,
Odtwarzanie zmiennych stanu i zakłóceń,
Czujnik prędkości - najbardziej zawodny element
napędu  napędy bezczujnikowe estymatory