Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego

Transkrypt

Serwonapędy w automatyce i robotyce
Wykład 5
Piotr Sauer
Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów
Prądnica prądu stałego – zasada działania
e = Blv sin α
Zwiększenie liczby wycinków komutatora – przebieg
napięcia odbieranego z prądnicy jest bardziej równomierny.
Silnik prądu stałego – zasada działania
Moment napędowy –
powstaje na skutek oddziaływania
między zewnętrznym polem mag.,
a polem powstającym wokół
przewodnika przez który płynie
prąd.
Silnik prądu stałego – zasada działania
Silnik prądu stałego - budowa
• Stojan - najczęściej jest magneśnicą – wytwarza pole
magnetyczne
• jarzmo (2),
• bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (3),
• bieguny pomocnicze (komutacyjne) (5),
• tarcze łożyskowe, trzymadła szczotkowe.
• Wirnik – najczęściej jest twornikiem (1)
• rdzeń (pakietu blach),
• uzwojenie twornika (8),
• komutator (9).
Komutator – osadzony na wale wirnika – wiele wycinków
Miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście.
Izolator między wycinkami - mikanit
1 – wycinek komutatora,
2 – pierścień dociskowy,
3 – kołnierz izolacyjny,
4 – piasta.
Pole magnetyczne silnika – elektromagnesy zasilane
prądem stałym – prąd wzbudzenia.
Wielkości opisujące maszynę prądu stałego::
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
Prąd wzbudzenia - If,
Prąd twornika - Ia,
Prąd obciąŜenia - I (oddawany lub pobierany z sieci),
Napięcie twornika - U,
Rezystancja obwodu twornika - Ra,
Rezystancja obwodu wzbudzenia - Rf,
Siła elektromotoryczna indukowana w tworniku - E,
Prędkość wirowania wirnika – n,
Moment elektrodynamiczny - M
Piotr Sauer
10
Uzwojenie biegunów głównych – uzwojenie
wzbudzające – główne pole magnetyczne w maszynie.
D1, D2 - szeregowe; E1, E2 - bocznikowe;
F1, F2 - obcowzbudne
Uzwojenie twornika – umieszczone na wirniku
A1, A2
Uzwojenia pomocnicze
◦ Uzwojenie biegunów komutacyjnych – poprawa warunków
pracy maszyny.
B1, B2
◦ Uzwojenia kompensacyjne
C1, C2
Piotr Sauer
Silnik prądu stałego – obwód magnetyczny
Strumień magnetyczny – wytworzony przez uzwojenie
wzbudzenia, zasilane prądem
stałym.
Θ = IN
Wartość przepływu wzbudzającego –
- wartości wymaganego strumienia,
- permeancji obwodu magnetycznego
11
Przepływ – siła magnetomotoryczna – suma spadków
napięcia magnetycznego w poszczególnych
częściach obwodu
• jarzmo stojana – Hjlj,
• bieguny – 2Hmlm,
• szczelina powietrzna – 2Hδδ,
• zęby twornika – 2Hzlz,
Θ = H j l j + 2 H m lm + 2 H δ δ + 2 H z l z + H t lt
Θ = 2I f N
• jarzmo twornika – Htlt.
NatęŜenie pola magnetycznego
B = µH
Przenikalność powietrza jest stała, porównywalna z
przenikalnością próŜni
Hδ =
Bδ
,
4π 10 −7
B=
Φ
S
Strumień
σ=
Φm = Φ + Φr
Φm
Φ
Współczynnik rozproszenia
Φ m = (1.25 ÷ 1.25)Φ
Piotr Sauer
14
Silnik prądu stałego – SEM
1. W stanie idealnego biegu jałowego (Ia=0, E=U)
2. Jeżeli płynie prąd Ia:
Rac = Ra + Rk + R p + Rsz
• jeżeli maszyna pracuje jako prądnica
U = E − Rac I a
• jeżeli maszyna pracuje jako silnik
U = E + Rac I a = cE Φn + Rac I a
3. Moment działający na wirnik
M = cM I a Φ
Silnik prądu stałego – wpływ twornika
Silnik prądu stałego - charakterystyki
• Charakterystyka mechaniczna
n = f(I), n = f(M), U = const, Rf = const
• Charakterystyka momentu
M = f(I), U = const, Rf = const
Silnik prądu stałego – układy połączeń
Maszyna obcowzbudna,
Maszyna samowzbudna:
• bocznikowe,
• szeregowe,
• szeregowo-bocznikowe.
Silnik prądu stałego – silnik bocznikowy
Silnik bocznikowy i obcowzbudny
Silnik obcowzbudny stosowany w układach
napędowych z przekształtnikami tyrystorowymi.
Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego
(przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika).
n=
R
U
− ac I a
cE Φ cE Φ
δn =
n0 − nN
nN
Zmienność prędkości
3-8% (2-5%)
Charakterystyka momentu silnika bocznikowego (przy
pominięciu wpływu oddziaływania twornika).
M = cM ΦI a ≈ c1 I a
Silnik prądu stałego – silnik szeregowy
Strumień zależy od prądu obciążenia (przy zmianie
obciążenia zmienia się strumień – wzrostowi momentu
obciążenia odpowiada wzrost prądu obciążenia i wzrost
strumienia zgodnie z charakterystyką magnesowania obwodu
magnetycznego.
Charakterystyka momentu
Przy małym nasyceniu obwodu:
Φ = cI
M = cM ΦI = cM cI 2
Charakterystyka mechaniczna
n=
U − Rac I
U
R
A
=
− ac = − B
cE cI
cE cI cE c I
przy założeniu liniowej zależności strumienia od prądu
M = cI 2
n=
A1
−B
M
Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniach
może doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na
przekroczenie jego wytrzymałości mechanicznej
Silnik szeregowy nie może pracować w stanie jałowym
i musi być połączony z maszyną roboczą za pomocą
sprzęgła lub przekładni zębatej
Zaleta – duży moment rozwijany podczas
rozruchu
Silnik prądu stałego – silnik szeregowo
szeregowo--bocznikowy
Silnik prądu stałego – schemat zastępczy
zastępczy
dI
+ RI + E ,
E = K Eω
dt
dω
M =J
+ Dω + M obc = K M I
dt
U =L
G (s) =
ω (s)
U (s)
GM ( s ) =
=
α (s)
U (s)
1
,
K E ( sTm + 1)( sTe + 1)
=
Tm =
RJ
L
, Te =
KE KM
R
1
K E s ( sTm + 1)
Silnik prądu stałego - rozruch
W chwili rozruchu prędkość obrotowa wirnika = 0, E =0,
równanie napięcia dla silnika ma postać:
U = Rac I r
Prąd rozruchowy pobierany przez silnik:
Ir =
U
Rac
Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od
prądu znamionowego.
I=
U −E
Rac
Prąd rozruchowy można ograniczyć przez:
• zmniejszenie napięcia zasilającego,
• włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika
• o rezystancji Rar
Ir =
U
Rac + Rar
W przypadku silnika bocznikowego – obwód wzbudzenia
w czasie rozruchu musi być zasilany całym napięciem
(musi być włączony przed rozrusznikiem).
Rozrusznik jest opornikiem kilkustopniowym dostosowanym
do pracy krótkotrwałej.
Dla silnika prądu stałego dobierz rezystancję włączoną na
czas rozruchu, tak aby prąd rozruchowy nie przekroczył
2IN. Rezystancja obwodu twornika tego silnika Rac=0,3Ω.
Silnik prądu stałego – regulacja prędkości
obrotowej
Prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w
obwodzie twornika Rar
n=
U − (Rac + Rar )I a
cΦ
Na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ:
• napięcie U,
• rezystancja Rar,
• strumień magnetyczny Φ.
Silnik prądu stałego – regulacja prędkości
obrotowej
Prędkość obrotową można regulować:
• przez zmianę napięcia zasilania twornika U,
• przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika Rar,
• przez zmianę strumienia Φ
Wykorzystywane w praktyce, a różnią się pod względem:
• zakresu regulacji,
• kierunku regulacji (góra, dół),
• ekonomicznym
Silnik prądu stałego – regulacja szeregowa
Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji
regulacyjnej Rar w szereg z obwodem 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.
Silnik prądu stałego – regulacja bocznikow
bocznikowa
a
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.
Silnik prądu stałego – regulacja bocznikowa
Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia,
nie należy nadmiernie osłabiać pola magnetycznego oraz
powodować zaniku prądu w obwodzie wzbudzenia
silnika.
Silnik prądu stałego – regulacja przez zmianę napięcia
zasilania.
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.
Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi
Pole magnetyczne – magnesy trwałe
Stosowane materiały magnetyczne:
• materiały proszkowe z ferrytów baru,
• magnesy lane ze stopów alnico.
Kubkowy silnik prądu stałego
1 – wirnik kubkowy,
2 – magnes trwały stojana,
3 – rdzeń ferromagnetyczny,
4 – obudowa.
Silnik tarczowy (wirnikiem drukowanym).
Całe uzwojenie – szereg pojedynczych zwojów – ścieżki
miedziane naniesione na przeciwne strony tarczy i
zespawane na zewnętrznym obwodzie tarczy, a przeciwne
zakończenia ścieżek doprowadzone są do komutatora.
Silnik prądu stałego z biegunami trwałymi
Zalety silnika tarczowego:
• bardzo mały moment bezwładności wirnika, małe
mechaniczne stałe czasowe wynoszące 3-10ms –
zwiększenie częstotliwości włączeń i zmian kierunku
wirowania
• znacznie korzystniejszy przebieg komutacji niż w silniku
tradycyjnym
• prostoliniowa charakterystyka mechaniczna,
• stały moment w całym zakresie prędkości,
• duży zakres prędkości obrotowej 1-3000 obr/min,
• możliwość uzyskania idealnie liniowej zależności SEM od
prędkości,
• małe wymiary
Wady silnika tarczowego:
• duży koszt wytworzenia,
• mniejsza trwałość przy większych mocach.
Zastosowanie:
• silniki wykonawcze w układach sterowania i
automatyki – sterowanie obrabiarek
• w zgrzewarkach,
• pojazdach mechanicznych,
• urządzeniach radiolokacyjnych.
Zagadnienia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Z jakich podstawowych elementów zbudowany jest
silnik DC?
Który element najczęściej spełnia rolę twornika, a
który magneśnicy?
Czy jarzmo mogłoby być wykonane z aluminium?
Co to jest prąd wzbudzenia, prąd twornika i prąd
obciąŜenia?
Jak moŜe być wzbudzona maszyna DC?
Podaj zasady literowego oznaczania końcówek
uzwojeń w maszynie.
Od jakich maszyn pochodzą przedstawione tabliczki
zaciskowe?
Piotr Sauer
44
Zagadnienia
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Czy silnik DC moŜe nie mieć uzwojenia
wzbudzającego?
Jakie skutki wywołuje oddziaływanie twornika?
Kiedy nie występuje oddziaływanie twornika?
Jakie znasz silniki prądu stałego?
Jakie charakterystyki opisują pracę silnika DC?
Który ze schematów przedstawia układ połączeń
silnika bocznikowego?
Która zaleŜność jest prawdziwa dla silnika
szeregowego?
a) I=Ia+If
b) I=Ia-If
c) I=Ia=If
Piotr Sauer
45
Zagadnienia
15.
Która zaleŜność jest prawdziwa dla silnika
bocznikowego?
a) I=Ia+If
b) I=Ia-If
c) I=Ia=If
16.
Który z silników DC rozwija największy moment w
chwili rozruchu?
a) szeregowy,
b) szeregowo-bocznikowy,
c) bocznikowy.
17.
Który z wymienionych silników DC ma najmniejszą
zmienność prędkości?
a) szeregowy, b) bocznikowy, c) obcowzbudny
Piotr Sauer
46
Zagadnienia
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
Który ze sposobów regulacji prędkości pozwala
regulować prędkość „w górę”?
Który ze sposobów regulacji prędkości pozwala
regulować prędkość „w dół”?
Która regulacja jest regulacją najbardziej ekonomiczną?
Jaki zakres regulacji prędkości obrotowej jest moŜliwy
do uzyskania w silnikach prądu stałego?
Który ze sposobów regulacji moŜe doprowadzić do
rozbiegania się silnika?
Dlaczego obwodu wzbudzenia silnika bocznikowego i
obcowzbudnego nie wolno rozwierać?
Ile biegunów i wycinków komutatora ma
przedstawiony silnik z magnesami trwałymi?
Piotr Sauer
47

Silnik prądu stałego Silnik prądu stałego

Transkrypt

Podobne dokumenty