Ï - ssdservice.pl
Ï - ssdservice.pl
Ï - ssdservice.pl
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Napęd elektryczny<br />
NAPĘD ELEKTRYCZNY<br />
(studia zaoczne)<br />
semestr W Ć S L P<br />
VI EZ PiUEE 21 E 2 - - -<br />
VI EZ EE 21 E - - - -<br />
Treść wykładów (21 godz.):<br />
1. Podstawowe cechy napędu elektrycznego oraz struktura układów napędowych.<br />
Definicje i klasyfikacje układów napędowych. Charakterystyki mechaniczne maszyn<br />
roboczych i silników.<br />
2h<br />
2. Podstawy dynamiki układów napędowych (podstawowe równanie ruchu, kryterium<br />
stabilności statycznej układów napędowych, moment bezwładności mas wirujących,<br />
zastępczy moment bezwładności oraz zastępczy moment obrotowy układu<br />
napędowego).<br />
3h<br />
3. Sposoby rozruchu oraz regulacja prędkości układów napędowych z silnikami<br />
obcowzbudnymi prądu stałego. Hamowanie dynamiczne, przeciwwłączeniem oraz<br />
odzyskowe układów napędowych z silnikami prądu stałego.<br />
4h<br />
4. Stany przejściowe w układach napędowych z obcowzbudnym silnikiem prądu stałego<br />
przy uwzględnieniu jak i pominięciu elektromagnetycznej stałej czasowej obwodu<br />
twornika silnika. Przekształtnikowy oraz elektromaszynowy układ Leonarda. 4h<br />
5. Sposoby rozruchu oraz regulacja prędkości układów napędowych z silnikami<br />
asynchronicznymi klatkowymi oraz asynchronicznymi pierścieniowymi. Hamowanie<br />
dynamiczne, przeciwwłączeniem oraz odzyskowe układów napędowych z silnikami<br />
prądu przemiennego.<br />
5h<br />
6. Obciążalność oraz metody doboru mocy silników do pracy przy obciążeniu ciągłym<br />
oraz zmiennym. Przykłady wybranych przemysłowych układów napędowych. 3h<br />
Literatura wspomagająca:<br />
1. Drozdowski P.: Wprowadzenie do napędów elektrycznych. Kraków PK 1998.<br />
2. Bisztyga K.: Sterowanie i regulacja silników elektrycznych. Warszawa WNT 1989.<br />
3. Gogolewski Z., Kuczewski Z.: Napęd elektryczny. Warszawa WNT 1972.<br />
4. Grunwald Z.: Napęd elektryczny. Warszawa, WNT 1987.<br />
5. Kuczewski Z.: Zbiór zadań z napędu elektrycznego. Warszawa WNT 1986.<br />
6. Sosnowski M., Romaniuk S.: Zbiór zadań z napędu elektrycznego. Białystok PB 1980.<br />
Wykładowca:<br />
Kierownik KE i NE<br />
Dr inż. Jarosław WERDONI WE – 132 Prof. dr hab. inż. Tadeusz CITKO<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 1
Napęd elektryczny<br />
Cechy silników elektrycznych z punktu widzenia zastosowania ich<br />
w układach napędowych:<br />
zalety:<br />
- szeroki zakres mocy produkowanych silników (od pojedynczych watów<br />
w przypadku silników do napędu modeli do stu megawatów w przypadku<br />
silników elektrowni szczytowo-pompowych),<br />
- powszechna dostępność energii elektrycznej i łatwość dostarczenia jej<br />
w dowolny punkt,<br />
- ochrona środowiska,<br />
- możliwość pracy w różnych warunkach otoczenia (np. w warunkach<br />
zagrożenia wybuchem, pożarowego - niska temp. jego elementów),<br />
- łatwa możliwość kontroli i programowania pracy,<br />
- łatwa regulacja prędkości (w szerokim zakresie i z dużą dokładnością),<br />
- mogą pracować we wszystkich czterech kwadrantach układu współrzędnych<br />
(praca silnikowa, hamulcowa oraz prądnicowa),<br />
- wysoka sprawność, niska cena i prosta obsługa w czasie eks<strong>pl</strong>oatacji.<br />
Do wad możemy zaliczyć:<br />
- konieczność przyłączenia do nieruchomego zazwyczaj źródła energii<br />
elektrycznej (akumulatory są ciężkie i mają małą pojemność - wózki o małym<br />
zasięgu, przewody ślizgowe - trakcja kolejowa, tramwajowa i trolejbusy,<br />
baterie słoneczne),<br />
- ciężar jednostkowy i szybkość działania mniejsza niż w przypadku<br />
siłowników pneumatycznych i hydraulicznych.<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 2
Napęd elektryczny<br />
Ogólna struktura układu napędowego.<br />
ZE - źródło energii (elektrycznej)<br />
PK - przekształtnik energii<br />
S - silnik elektryczny<br />
PM - przekładnia mechaniczna<br />
MR - maszyna robocza<br />
US - układ sterujący<br />
UZE- napięcie źródła energii<br />
US - napięcie na zaciskach silnika<br />
SS, S1, S2 - sygnały sterujące<br />
Sz - sygnały sprzężeń zwrotnych<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 3
Napęd elektryczny<br />
Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych<br />
Z punktu widzenia napędu elektrycznego silniki klasyfikuje się pod względem<br />
sztywności charakterystyki mechanicznej.<br />
w=f(M) lub M=f(w) ewentualnie M=f(n)<br />
Charakterystyka idealnie sztywna<br />
- silniki synchroniczne<br />
- silniki asynchroniczne<br />
synchronizowane<br />
Charakterystyka sztywna<br />
Dω<br />
ω o<br />
* 100% £ 10%<br />
- silniki bocznikowe i obcowzbudne<br />
prądu stałego<br />
- silniki asynchroniczne (część<br />
charakterystyki)<br />
Charakterystyka miękka<br />
- silniki szeregowe prądu stałego i<br />
przemiennego<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 4
Napęd elektryczny<br />
Przekładnia mechaniczna PM<br />
Możliwe są następujące połączenia mechaniczne silnika z maszyną roboczą:<br />
q<br />
połączenie mechaniczne bez przekładni<br />
‣ na sztywno<br />
‣ poprzez sprzęgło rozłączne<br />
q<br />
połączenie z przekładnią<br />
‣ zębate<br />
‣ pasowe<br />
‣ łańcuchowe<br />
Przekładnie mogą być bezstopniowe lub stopniowe.<br />
Połączenie silnika z mechanizmem może być:<br />
‣ sztywne<br />
‣ poprzez element sprężysty<br />
‣ z luzem<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 5
Napęd elektryczny<br />
Typowe charakterystyki mechaniczne maszyn roboczych MR<br />
Moment w napędzie elektrycznym zwykle jest oznaczany dużą literą M. W celu<br />
odróżnienia momentu oporowego maszyny roboczej od momentu napędowego<br />
silnika, do dużej litery M dodajemy indeks:<br />
Mb, Mm, Mop,<br />
Mr<br />
Charakterystyka mechaniczna<br />
stała, tzw. moment „dźwigowy”.<br />
Nie zależy od prędkości.<br />
Charakterystyka mechaniczna<br />
liniowo zależna od prędkości, tzw.<br />
moment „prądnicowy”.<br />
Tego typu moment reprezentuje<br />
prądnica prądu stałego pracująca,<br />
przy kF=const., na stałą<br />
rezystancję obciążenia Ro.<br />
E = kF × ω<br />
M = kF × It<br />
E E<br />
It = =<br />
SR<br />
Rtc + Ro<br />
kF × ω<br />
M = kF<br />
Rtc + Ro<br />
M = C × ω<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 6
Napęd elektryczny<br />
Charakterystyka mechaniczna<br />
zależna od prędkości w<br />
kwadracie, tzw. moment<br />
„wentylatorowy”.<br />
Urządzenia do ciągłego<br />
transportu cieczy lub gazów.<br />
Charakterystyka mechaniczna dla<br />
której moment zależy<br />
hiperbolicznie od prędkości.<br />
Różnego typu urządzenia do<br />
przewijania.<br />
Z punktu widzenia analizy układów napędowych istotny jest podział oporowych<br />
momentów mechanicznych na:<br />
‣ bierne<br />
‣ czynne.<br />
Do grupy momentów biernych zaliczamy te, które pojawiają się zawsze przy<br />
prędkościach różnych od zera i są zawsze momentami oporowymi nie mogącymi<br />
nadać układowi przyspieszenia od zerowej prędkości.<br />
Momenty czynne występują w mechanizmach z magazynami energii potencjalnej,<br />
takich jak ciężar na pochyłości lub ciężar zawieszony na linie. Momenty te mogą<br />
nadać układowi przyspieszenie jeśli Mb>Me.<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 7
Napęd elektryczny<br />
r – promień bębna linowego lub tarczy hamulca;<br />
F – siła docisku szczęk hamulca;<br />
m - współczynnik tarcia;<br />
G – ciężar zawieszony na linie;<br />
Moment bierny:<br />
Moment czynny:<br />
Mb = (F m r) sign(w) [Nm]<br />
Mb = G r [Nm]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 8
Napęd elektryczny<br />
Obliczanie momentu bezwładności brył obrotowych<br />
Moment bezwładności J ciała wirującego wokół osi możemy obliczyć według<br />
zależności znanej z fizyki:<br />
J<br />
=<br />
k<br />
[ å<br />
2<br />
mir<br />
2]<br />
i<br />
kg×<br />
m<br />
= l<br />
i<br />
Obliczanie J jako sumy iloczynów elementarnych cząsteczek ciała i kwadratów<br />
odległości tych cząstek od osi obrotu jest uciążliwe.<br />
Z tego powodu J bryły obrotowej (a z takimi zwykle mamy do czynienia w<br />
układach napędowych) obliczamy z zależności:<br />
gdzie:<br />
J<br />
2<br />
b<br />
= [<br />
2]<br />
mR ×<br />
kg×<br />
m<br />
m – całkowita masa bryły [kg]<br />
R b – promień bezwładności masy [m]<br />
W katalogach maszyn często podawany jest moment zamachowy oznaczany<br />
GD 2 , którego jednostką jest kGm 2 .<br />
J<br />
GD<br />
=<br />
4<br />
2<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 9
Napęd elektryczny<br />
PROMIENIE BEZWŁADNOŚCI WYBRANYCH BRYŁ<br />
R<br />
2<br />
b =<br />
R<br />
2<br />
2<br />
R<br />
2<br />
b<br />
=<br />
R<br />
2<br />
+<br />
2<br />
r<br />
2<br />
Słuszność powyższych zależności, dla regularnych brył geometrycznych,<br />
możemy łatwo wykazać. Sprawdźmy zależność dla wydrążonego walca.<br />
k<br />
J = å<br />
2<br />
mir<br />
i<br />
i=<br />
l<br />
Stosując rachunek całkowy, tę samą zależność zapiszmy jako:<br />
J<br />
m<br />
2<br />
= ò r dm dm = γdV<br />
0<br />
gdzie:<br />
é kg ù<br />
γ ê ú - masa właściwa (gęstość)<br />
3<br />
ëm<br />
û<br />
V [ m 3 ] - objętość<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 10
Napęd elektryczny<br />
Objętość wydrążonego walca (rury) o grubości dr, średnicy r i długości l wynosi:<br />
stąd<br />
dV = 2π<br />
× r × l × dr<br />
dm = γ × 2π<br />
× r × l × dr<br />
R<br />
( 4<br />
R - r )<br />
J 2<br />
γ<br />
= r × × 2 × r × l × dr = × l×<br />
4<br />
ò γ π<br />
π<br />
2<br />
1<br />
r1<br />
Masa wydrążonego walca wynosi:<br />
( - )<br />
m γ × l × π × 2<br />
R r 1<br />
= 2<br />
i po wstawieniu do zależności na J otrzymamy:<br />
γ<br />
J = × π × l ×<br />
2<br />
R +<br />
( 2 r<br />
R - 2<br />
r )( × 2 2<br />
R + r ) = m<br />
1<br />
= m×<br />
R<br />
1<br />
W przypadku bardziej złożonych brył moment bezwładności obliczamy sumując<br />
momenty bezwładności ich składników prostych, sumując je bezpośrednio lub za<br />
pomocą zasady Steinera.<br />
Zasada Steinera pozwala obliczyć moment bezwładności układu będącego<br />
w ruchu obrotowym wokół osi przesuniętej względem osi bezwładności ciała.<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
b<br />
J<br />
=<br />
J<br />
+<br />
m r<br />
o ×<br />
2<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 11
Napęd elektryczny<br />
Równanie ruchu układu napędowego<br />
Rozważmy prosty układ napędowy:<br />
Faktycznie M oraz Mb mają znaki przeciwne. Z tego powodu, dla wygody,<br />
umówiono się rysować M oraz Mb w jednej ćwiartce pamiętając, iż Mb posiada<br />
znak „ - ”, który piszemy sporadycznie.<br />
Dowolna różnica momentów Me - Mb = Md - stanowi moment dynamiczny.<br />
Stan ustalony jest szczególnym przypadkiem stanu przejściowego.<br />
Stan ustalony jest wtedy, gdy jest zerowy moment dynamiczny.<br />
Ogólna postać równania ruchu układu napędowego posiada następującą postać:<br />
dω ω dJ<br />
Md = Me - Mb = J + ,<br />
dt 2 dt<br />
gdzie: J [kgm 2 ]– zastępczy moment bezwładności układu.<br />
dα<br />
Czasami J zależy od położenia i wtedy ω = a równanie ruchu przyjmie<br />
dt<br />
postać:<br />
ω<br />
2<br />
dω<br />
dJ<br />
Md = J + = Me - Mb .<br />
dt 2 dα<br />
W naszych rozważaniach będziemy się ograniczać do przypadków, gdy J=const.<br />
W tym przypadku równanie ruchu przyjmie postać:<br />
dω<br />
Md = Me - Mb = J<br />
dt<br />
Me – Mb>0 – wzrost prędkości<br />
Me – Mb
Napęd elektryczny<br />
równowaga trwała<br />
Stabilność statyczna układów napędowych<br />
® ¬<br />
w 1 ¯ M M b ¯ M d > 0 w <br />
w 2 M ¯ M b M d < 0 w ¯<br />
równowaga nietrwała<br />
¬ ®<br />
utyk silnika<br />
rozbieganie się silnika<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 13
Napęd elektryczny<br />
Kryterium stabilności statycznej:<br />
1.<br />
M<br />
d<br />
w w ust<br />
= = 0 - ustalony punkt pracy<br />
2.<br />
dM<br />
dw<br />
d<br />
w w ust<br />
= < 0<br />
Występują tutaj trzy punkty pracy napędu dla których M d = 0:<br />
1) stabilny niewłaściwy<br />
2) niestabilny niewłaściwy<br />
3) stabilny właściwy<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 14
Napęd elektryczny<br />
Sprowadzanie momentów mechanicznych do wału silnika<br />
h p - sprawność przekładni P<br />
i p (k p ) - przełożenie przekładni P<br />
przy czym<br />
i p = w w r<br />
Wychodząc z bilansu mocy możemy wykazać, iż moment M r maszyny roboczej<br />
sprowadzony do wału silnika jest równy:<br />
1. przepływ energii od silnika SE do maszyny roboczej MR<br />
M<br />
b<br />
=<br />
Mr<br />
h × i<br />
p<br />
p<br />
2. przepływ energii od maszyny roboczej MR do silnika SE<br />
M<br />
b<br />
= M r<br />
h<br />
i<br />
p<br />
p<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 15
Napęd elektryczny<br />
Sprowadzanie momentu bezwładności do wału silnika<br />
Wyprowadzenie zależności pozwalającej sprowadzać momenty bezwładności<br />
dokonujemy przy założeniu zachowania energii kinetycznej układu napędowego.<br />
Wtedy:<br />
å AKukl<br />
= å A<br />
J Z<br />
przy czym:<br />
ω<br />
ω<br />
Z<br />
æ v ö<br />
= J<br />
÷<br />
ø<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
+ J 2<br />
+<br />
3<br />
...<br />
1<br />
...<br />
2 J + + +<br />
2 m ç<br />
æ ω1<br />
ö æ ω1<br />
ö èω1<br />
ω<br />
ω<br />
ç<br />
èω<br />
2<br />
÷<br />
ø<br />
1 = i2<br />
; 1 = i3<br />
2<br />
3<br />
ç<br />
èω<br />
v 1<br />
- prędkość liniowa masy m.<br />
3<br />
÷<br />
ø<br />
- przełożenie przekładni 1, 2 itd.<br />
2<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 16
Napęd elektryczny<br />
Elementarne przykłady całkowania równania ruchu<br />
Podstawowe równanie ruchu:<br />
J d w = Me - Mm = Md<br />
dt<br />
Czas trwania stanów przejściowych (M d ¹ 0) możemy wyznaczyć z powyższego<br />
równania w następujący sposób:<br />
t<br />
=<br />
dw<br />
Jò<br />
( M - M )<br />
e<br />
m<br />
Niestety w praktyce inżynierskiej zwykle utrudnione jest korzystanie z tego<br />
równania z następujących powodów:<br />
- nieznajomość charakterystyki M e = f(w),<br />
- nieznajomość charakterystyki M m = f(w),<br />
- trudności z analitycznym rozwiązaniem najczęściej nieliniowych równań.<br />
Dlatego też w praktyce inżynierskiej koniecznym staje się zastosowanie<br />
uproszczeń, czynionych z pełną świadomością.<br />
Dla silnika klatkowego czas rozruchu możemy określić dysponując tzw.<br />
średnim momentem elektromagnetycznym.<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 17
Napęd elektryczny<br />
t<br />
r<br />
@<br />
J<br />
Dw<br />
M<br />
dśr<br />
Mdś r = Meś r-<br />
Mbśr<br />
gdzie<br />
M =<br />
eśr<br />
M<br />
r<br />
+ M<br />
2<br />
k<br />
×<br />
( 09 . )<br />
M r, M k - dane katalogowe<br />
Dw = w k - w p<br />
Oczywiście otrzymany wynik jest przybliżony i nie uwzględnia<br />
elektromagnetycznych procesów przejściowych w silniku. Pozwala na<br />
szacowanie czasów rozruchu czy hamowania.<br />
W przypadku, gdy moment dynamiczny M d , niezależnie od rodzaju silnika, jest<br />
liniową funkcją prędkości czas trwania stanów przejściowych możemy obliczyć z<br />
następującej zależności:<br />
Uwaga!<br />
w<br />
- w<br />
k p Mdk<br />
tp<br />
= J × ln<br />
M dk - M dp Mdp<br />
Przy dojściu do stanu ustalonego M dk = 0, ale ln(0) jest nieokreślony (tr ®¥).<br />
W takiej sytuacji M dk należy obliczyć dla prędkości równej np. 0,95 w ust .<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 18
Napęd elektryczny<br />
2. WŁASNOŚCI DYNAMICZNE UKŁADÓW NAPĘDOWYCH<br />
Z SILNIKAMI OBCOWZBUDNYMI PRĄDU STAŁEGO<br />
Obwód elektryczny:<br />
przy t = 0; Iw = const.; F = const.<br />
Ut t k t R It t Lt dIt ()<br />
() = × () + × () +<br />
t<br />
dt<br />
Fw (2.1)<br />
przyjmujemy, iż R = SRt = Rtc = const., zaś Lt = Ltc = const.<br />
Mechanika:<br />
Md(t) = M(t) - Mb(t) (2.2)<br />
J d w( t )<br />
dt<br />
= k × It() t -Mb()<br />
t<br />
F (2.3)<br />
przyjmujemy, iż J = const. oraz Mo = 0 (moment strat) lub jest zawarty w Mb(t).<br />
Ostatecznie otrzymamy układ równań opisujący silnik:<br />
Ut t k t R It t Lt dIt ()<br />
() = F× w () + × () +<br />
t<br />
(2.4)<br />
dt<br />
J d w( t )<br />
dt<br />
= kF × It() t -Mb()<br />
t<br />
(2.5)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 19
Napęd elektryczny<br />
Zastosujmy do układu równań (2.4), (2.5) przekształcenie La<strong>pl</strong>ace’a:<br />
U(s) = kF×w(s) + R×It(s) + Lt×s×It(s) - Lt×It(0) (2.6)<br />
J×s×w(s) - J×w(0) = kF×It(s) - Mb(s) (2.7)<br />
przy założeniu, że It(0) = 0; w(0) = 0 otrzymamy:<br />
Lt<br />
Us () = k × () s + æ<br />
R + R s ö<br />
Fw ç1 ÷× It ()<br />
è ø<br />
s<br />
(2.8)<br />
J × s× w( s) = k × It( s) - Mb( s)<br />
F (2.9)<br />
Oznaczmy: Lt =<br />
R<br />
Tt - elektromagnetyczna stała czasowa obwodu twornika.<br />
Wynosi ona kilkadziesiąt milisekund np. 0,04 s.<br />
Z równania (2.8) wyznaczamy It(s) natomiast z równania (2.9) w(s):<br />
It()<br />
s =<br />
1<br />
R( 1+ Tt×<br />
s)<br />
[ Us ()- k × () s]<br />
F w (2.10)<br />
w( s) = 1<br />
[ kF × It() s - Mb()<br />
s]<br />
(2.11)<br />
J × s<br />
W oparciu o powyższe równania narysujmy schemat blokowy obcowzbudnego<br />
silnika prądu stałego przy sterowaniu napięciowym od strony obwodu twornika:<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 20
Napęd elektryczny<br />
Na podstawie schematu blokowego możemy wyznaczyć następujące<br />
transmitancje:<br />
() s<br />
G1()<br />
s = w () s<br />
; G2()<br />
s = w ;<br />
Us ()<br />
Mb()<br />
s<br />
G3<br />
It()<br />
s<br />
It()<br />
s<br />
() s = ; G4()<br />
s = .<br />
Us ()<br />
Mb()<br />
s<br />
Znajdźmy te transmitancje:<br />
kF<br />
w()<br />
s RTt ( × s+ 1)<br />
× s×<br />
J<br />
kF<br />
G1()<br />
s = =<br />
=<br />
Us ()<br />
2<br />
1<br />
2<br />
( kF)<br />
RTt ( × s+ ) × s× J + ( kF)<br />
1 +<br />
RTt ( × s+ 1)<br />
× s×<br />
J<br />
kF<br />
=<br />
=<br />
2 2<br />
JRTt × × × s + JRs × × + ( kF)<br />
Oznaczając:<br />
1<br />
kF<br />
J×<br />
R 2 J×<br />
R<br />
1<br />
2<br />
× Tt× s +<br />
2<br />
× s +<br />
( kF) ( kF)<br />
=<br />
(2.12)<br />
Tm<br />
J ×<br />
=<br />
R - elektromechaniczna stała czasowa układu napędowego,<br />
2<br />
( kF)<br />
przy czym J = J silnika + J MRsprowadzony ostatecznie otrzymamy:<br />
1<br />
w()<br />
s<br />
G1()<br />
s = = kF (2.13)<br />
Us ()<br />
2<br />
Tm× Tt× s + Tm× s + 1<br />
Otrzymaliśmy układ drugiego rzędu, o dwóch stałych czasowych i wzmocnieniu<br />
1/kF<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 21
Napęd elektryczny<br />
Podobnie możemy wyznaczyć pozostałe transmitancje silnika:<br />
R<br />
( Tt× s+<br />
1)<br />
w()<br />
s<br />
2<br />
( kF)<br />
G2()<br />
s = =-<br />
Mb()<br />
s<br />
2<br />
Tm× Tt× s + Tm× s + 1<br />
G<br />
It()<br />
s<br />
() s = =<br />
Us ()<br />
3 2<br />
1<br />
×<br />
R Tms ×<br />
Tm× Tt× s + Tm× s + 1<br />
(2.14)<br />
(2.15)<br />
1<br />
It()<br />
s<br />
G4()<br />
s = = kF (2.16)<br />
Mb()<br />
s<br />
2<br />
Tm× Tt× s + Tm× s + 1<br />
Zauważmy, że mianowniki transmitancji są jednakowe. Jest to równanie<br />
kwadratowe zwane równaniem charakterystycznym silnika i pierwiastki tego<br />
równania określają własności dynamiczne silnika.<br />
Tm×Tt×s 2 + Tm×s + 1 = 0<br />
D = 2 - × × = 2 æ ç - × ö<br />
4 1 4 Tt<br />
Tm TmTt Tm ÷<br />
è Tm ø<br />
S12<br />
, =<br />
1 1 4 Tt<br />
- ± - ×<br />
Tm<br />
2 × Tt<br />
Jeśli pierwiastki są liczbami rzeczywistymi to:<br />
D³ 0 Þ1 - 4 × Tt<br />
³ 0 Þ Tm ³ 4 × Tt (2.17)<br />
Tm<br />
Jest to warunek aperiodycznego charakteru odpowiedzi silnika na skok napięcia<br />
zasilającego twornik.<br />
J R<br />
Tms s×<br />
= tc - stała elektromechaniczna samego silnika<br />
2<br />
( kF)<br />
Tms @ kilkadziesiąt ms ; Tms » Tt<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 22
Napęd elektryczny<br />
Dla silnika prądu stałego elektromechaniczna stała czasowa może być określana<br />
z następujących zależności:<br />
R<br />
Tms tc Ib<br />
J<br />
J R tc × I b 1<br />
= s × = s ×<br />
2<br />
( kF)<br />
Ib<br />
kF kF<br />
× Ib<br />
Dw<br />
= b<br />
Js<br />
Mb<br />
(2.18)<br />
uwzględniając:<br />
U<br />
wb<br />
= -<br />
kF<br />
R tc × Ib<br />
kF<br />
= wo<br />
- Dw b<br />
z (2.18) otrzymamy:<br />
Dw<br />
Tms b Dwn<br />
w<br />
= Js<br />
= Js<br />
= o<br />
Js<br />
. (2.19)<br />
Mb<br />
Mn<br />
M z<br />
Jeśli mamy, iż Tm >> Tt to możemy przyjąć, że Tt » 0 i wtedy transmitancje<br />
opisujące silnik upraszczają się i otrzymujemy układ pierwszego rzędu.<br />
1<br />
R<br />
() s<br />
G1()<br />
s = w = k F w()<br />
s<br />
2<br />
( kF)<br />
; G<br />
Us () Tm× s+<br />
1<br />
2 () s = =- ;<br />
Mb()<br />
s Tm× s+<br />
1<br />
It()<br />
s<br />
G3()<br />
s = =<br />
Us ()<br />
1<br />
×<br />
R s × Tm<br />
Tm× s+ 1<br />
; It()<br />
s<br />
G4()<br />
s = =<br />
Us ()<br />
1<br />
kF . (2.20)<br />
Tm× s+<br />
1<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 23
Napęd elektryczny<br />
Rozważmy sytuację, w której silnik obcowzbudny prądu stałego pracuje z<br />
prędkością początkową w = w p . Jaka będzie odpowiedź prędkości obrotowej i<br />
prądu twornika w funkcji czasu na skok napięcia zasilającego twornik?<br />
Na razie przyjmijmy, że Lt @ 0 Þ Tt @ 0 Þ L/R @ 0.<br />
Na podstawie równań (2.6) i (2.7) możemy zapisać:<br />
U(s) = kF×w(s) + R×It(s) + Lt×s×It(s) (2.21)<br />
J×s×w(s) - J×w(0) = kF×It(s) - Mb(s) (2.22)<br />
Ponadto załóżmy:<br />
Un<br />
Us () = Un()<br />
s = ;<br />
s<br />
kF = kFn = const.; w(0) = w p<br />
Silnik obciążony jest stałym momentem biernym:<br />
Mb<br />
Mb()= s .<br />
s<br />
Z równania (2.22) wyznaczamy prąd twornika:<br />
1 1 1<br />
It() s = × s× J× w() s - × s× J× w p+ × Mb()<br />
s<br />
(2.23)<br />
kF kF kF<br />
i wstawmy do równania (2.21):<br />
R×<br />
J R×<br />
J R<br />
Us () = kF<br />
× w() s + × s × w() s - × w p+ × Mb()<br />
s<br />
kF kF kF<br />
stąd:<br />
w()<br />
s =<br />
Us ()<br />
w p R Mb()<br />
s<br />
+ Tm ×<br />
k × ( Tm× s+<br />
) Tm × s + - × . (2.24)<br />
F 1 1 2<br />
( kF)<br />
Tm× s+<br />
1<br />
Un<br />
Mb<br />
Uwzględniając przyjęte założenia Us ()= oraz Mb()= s otrzymamy:<br />
s<br />
s<br />
Un<br />
w p R Mb<br />
w()<br />
s = + Tm<br />
s × kF<br />
× ( Tm × s + 1) Tm × s + 1 - 2<br />
× ( kF) s× ( Tm× s+<br />
1)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 24
Napęd elektryczny<br />
Uwzględniając ponadto zależności:<br />
Un<br />
kF<br />
R<br />
= won;<br />
× Mb = Dwb Þ won - Dwb = wb<br />
( kF) 2<br />
ostatecznie w dziedzinie operatorowej otrzymamy:<br />
w<br />
() s<br />
=<br />
w b<br />
æ<br />
s× Tm × çs<br />
+<br />
è<br />
w p<br />
+<br />
1 ö 1<br />
÷ s +<br />
Tmø<br />
Tm<br />
(2.25)<br />
Przechodząc do dziedziny czasowej należy skorzystać z twierdzenia o s<strong>pl</strong>ocie<br />
funkcji otrzymując następującą zależność:<br />
( )<br />
t<br />
t<br />
- -<br />
Tm<br />
w()<br />
t = wb<br />
- e Tm + wp<br />
× e<br />
1 (2.26)<br />
Wykres powyższej funkcji jest następujący:<br />
Równanie (2.26) możemy też przedstawić w postaci następującej:<br />
( )<br />
w()<br />
t = wb+ wp- wb<br />
× e<br />
t<br />
-<br />
Tm<br />
. (2.27)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 25
Napęd elektryczny<br />
Podobnie znajdziemy równanie prądu korzystając z (2.23):<br />
przy czym:<br />
sJ J 1<br />
It() s = × w() s - × wp+ × Mb()<br />
s<br />
kF kF kF<br />
Mb()=<br />
s<br />
Mb<br />
s<br />
Dokonując następujących przekształceń uwzględniając (2.25):<br />
It()<br />
s<br />
sJ é wb<br />
wp<br />
× Tmù<br />
J<br />
= ×<br />
+<br />
p<br />
kF ê<br />
ës× ( sTm + ) sTm +<br />
ú - û kF × + 1<br />
w<br />
1 1<br />
kF<br />
×<br />
Mb<br />
s<br />
It()<br />
s<br />
It()<br />
s<br />
=<br />
=<br />
J×<br />
wb<br />
JsTm ( - sTm -1)<br />
1<br />
+<br />
× wp<br />
+ ×<br />
kF( sTm + 1)<br />
kF( sTm + 1)<br />
kF<br />
J×<br />
R kF<br />
wb<br />
JR k p<br />
( k ) R sTm + + F w<br />
2 1 2<br />
( k ) R sTm + 1<br />
+<br />
F<br />
F<br />
Ib<br />
s<br />
Mb<br />
s<br />
U<br />
kF<br />
R<br />
= wo; × Mb = Dwb Þ wo - Dwb = wb;<br />
2<br />
( kF)<br />
Ib= Mb<br />
kF<br />
It()<br />
s<br />
kF<br />
éU<br />
R ù<br />
ê - × Mbú<br />
R k ( k )<br />
= Tm×<br />
ë F 2<br />
F û<br />
-<br />
sTm + 1<br />
kF<br />
éU<br />
R ù<br />
ê - × Mpú<br />
R k ( k )<br />
- Tm×<br />
ë F 2<br />
F û<br />
sTm + 1<br />
+<br />
Ib<br />
s<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 26
Napęd elektryczny<br />
It()=<br />
s<br />
æ<br />
Tm U R<br />
Ib ö æ<br />
ç - Tm U è<br />
R<br />
Ip ö<br />
÷ ç - ÷<br />
ø è ø<br />
-<br />
sTm + 1 sTm + 1<br />
+<br />
Ib<br />
s<br />
It()<br />
s<br />
=<br />
Tm( Ip - Ib)<br />
Ib TmIp TmIb<br />
+ =<br />
sTm + 1 s sTm + 1 - sTm + 1<br />
+<br />
Ib<br />
s<br />
i w dziedzinie operatorowej ostatecznie otrzymamy:<br />
It()=<br />
s<br />
Ip Ib<br />
+<br />
1<br />
s +<br />
æ 1ö<br />
sTmçs+<br />
÷<br />
Tm è Tmø<br />
(2.28)<br />
a w dziedzinie czasowej:<br />
lub<br />
tTm<br />
( )<br />
() -/ -tTm<br />
/<br />
1 (2.29)<br />
It t = Ib - e + Ipe ×<br />
-<br />
It() t Ib ( Ip Ib)<br />
e tTm /<br />
= + - × (2.30)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 27
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]; 0.04*It [A]<br />
Mb=0; Ut=Un; Rtc=0.319W<br />
It<br />
w<br />
It max =3*Itn<br />
t [s]<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 28
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie dynamiczne<br />
Rh=0.319W, J=Jns, Mb=Mn - bierny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 29
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie dynamiczne<br />
Rh=0.319W, J=Jns, Mb=Mn - czynny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 30
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie przeciwwłączeniem<br />
Rh=0.657W, J=Jns, Mb=Mn - bierny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 31
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie przeciwwłączeniem<br />
Rh=0.657W, J=Jns, Mb=Mn - czynny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 32
Napęd elektryczny<br />
Stany przejściowe w silniku obcowzbudnym z uwzględnieniem<br />
elektromagnetycznej stałej czasowej<br />
Weźmy pod uwagę układ równań (2.21) i (2.22):<br />
ìJ× s× w() s - J× w( 0) = kF<br />
× It() s-<br />
Mb()<br />
s<br />
í<br />
îUs () = kF× w() s+ R( 1+ sTt) It() s- RTt × × It( 0)<br />
(2.31)<br />
Układ równań (2.31) przekształcamy do postaci umożliwiającej rozwiązanie<br />
metodą wyznaczników:<br />
ì J× s× w() s - kF<br />
× It() s = - Mb() s+ J×<br />
w( 0)<br />
í<br />
îkF<br />
× w() s+ R( 1+ sTt) It() s = Us () + RTt × × It( 0)<br />
J s k<br />
Mian = × - F<br />
kF<br />
R( 1+<br />
sTt)<br />
= J× sR × ( 1+ sTt)<br />
+ ( kF)<br />
2 2 2<br />
Mian = ( kF) ( TmTt × × s + Tm× s+ 1) = ( kF)<br />
× Ms ()<br />
2<br />
(2.32)<br />
(2.33)<br />
gdzie M(s) - równanie charakterystyczne silnika<br />
L( w)<br />
Mb() s J w( ) k<br />
= - + × 0 - F<br />
Us () + RTt × × It( 0) R( 1+<br />
sTt)<br />
L( w) =- R( 1+ sTt) × Mb() s + J× R( 1+ sTt) × w( 0) + kF<br />
× Us () +<br />
+ kF<br />
× RTt × × It()<br />
0<br />
(2.34)<br />
LIt ( )<br />
J s Mb() s J ( )<br />
= × - + × w 0<br />
kF<br />
Us () + RTt × × It( 0)<br />
LIt ( ) = J× sUs × () + J× RTt × × sIt × ( 0) + kF<br />
× Mb()<br />
s-<br />
- kF<br />
× J×<br />
w( 0)<br />
(2.35)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 33
Napęd elektryczny<br />
W oparciu o wyznaczniki (2.33), (2.34) i (2.35) znajdziemy równania<br />
operatorowe prędkości i prądu twornika silnika:<br />
w()<br />
s<br />
L( w) Us ()/ kF<br />
Tm( 1+<br />
sTt) w( 0)<br />
= = +<br />
-<br />
Mian Ms () Ms ()<br />
2<br />
R/ ( kF)<br />
( 1+<br />
sTt) Mb()<br />
s R/ kF× Tt×<br />
It( 0)<br />
-<br />
+<br />
Ms ()<br />
Ms ()<br />
w()<br />
s<br />
wo()<br />
s Tm( 1+ sTt)<br />
× wp Dwb()( s 1+<br />
sTt)<br />
= +<br />
-<br />
Ms () Ms ()<br />
Ms ()<br />
Dwp<br />
+<br />
Ms ()<br />
Tt<br />
+<br />
(2.36)<br />
It()<br />
s<br />
It()<br />
s<br />
LIt ( ) Us () × J×<br />
s/<br />
( kF) sTt It( ) J R/<br />
( k )<br />
= =<br />
+ × × 0 × × F<br />
+<br />
Mian Ms ()<br />
Ms ()<br />
Mb()/<br />
s kF<br />
J/<br />
kF<br />
+ - w( 0)<br />
Ms () Ms ()<br />
2 2<br />
Tm× sItz × () s Tm× Tt× sIt × ( 0)<br />
Ib()<br />
s J/<br />
kF<br />
=<br />
+<br />
+ - w( 0)<br />
Ms () Ms () Ms () Ms ()<br />
(2.37)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 34
Napęd elektryczny<br />
Rozruch jałowy silnika:<br />
Mb=0; w(0)=0; It(0)=0; U(s)=U/s D>0<br />
Równanie prędkości ma postać:<br />
w()<br />
s<br />
=<br />
U wo<br />
wo<br />
= =<br />
k F × sMs × () sMs × () sTm × × Tt × ( s - s 1 )( s - s 2 )<br />
w()<br />
t<br />
w<br />
w<br />
=<br />
+<br />
e<br />
Tm× Tt× s1×<br />
s2 Tm× Tt× s1× ( s1-s2)<br />
o o s1×<br />
t<br />
w<br />
+<br />
e<br />
Tm× Tt× s2× ( s2-s1)<br />
o s2×<br />
t<br />
+<br />
(2.38)<br />
Łatwo możemy wykazać, iż: s1× s2<br />
=<br />
1<br />
Tm×<br />
Tt<br />
lub<br />
s2<br />
w()<br />
t w w w<br />
s s e s t s1<br />
= o + o - o<br />
1-<br />
2 s1 - s2<br />
e<br />
w<br />
() t<br />
1 × s2 × t (2.39)<br />
s1× t s t<br />
( s × e -<br />
2×<br />
s × e )<br />
é 1<br />
= wo<br />
+<br />
ë<br />
ê<br />
1<br />
s1-s2 2 1<br />
ù<br />
û<br />
ú<br />
Badając przebieg zmienności funkcji określimy punkt przegięcia:<br />
tp<br />
=<br />
1<br />
s1 - s2<br />
s2<br />
s1<br />
ln (2.40)<br />
Podobnie dla równania prądu:<br />
It()<br />
s<br />
przy czym:<br />
=<br />
Tm× sItz × () s Tm×<br />
Itz<br />
=<br />
Ms () Tm× Tt( s- s1)( s-<br />
s2)<br />
Itz<br />
U<br />
R const Itz s Itz<br />
= = ., więc () =<br />
s<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 35
Napęd elektryczny<br />
It()<br />
s<br />
=<br />
Itz<br />
Tt × ( s - s1)( s-<br />
s2)<br />
(2.41)<br />
lub<br />
It()=<br />
t<br />
It()<br />
t =<br />
Itz æ 1<br />
Tt s s e 1<br />
ç +<br />
è1-<br />
2 s2-s1<br />
e<br />
Itz<br />
Tt( s1-s2)<br />
s1× t s2×<br />
t<br />
( e<br />
s 1× t -e<br />
s 2×<br />
t )<br />
ö<br />
÷<br />
ø<br />
(2.42)<br />
Szukając ekstrema tej funkcji otrzymamy maksimum dla :<br />
1 s2<br />
tm = s 1-<br />
s 2 s1<br />
zauważmy, iż tp=tm<br />
ln (2.43)<br />
It( tm) = It max =<br />
Itz æ<br />
ç<br />
Tt( s1 - s2)<br />
è<br />
e<br />
s1<br />
s2<br />
s2<br />
s2<br />
ln<br />
ln<br />
s1- s2<br />
s1<br />
s1-<br />
s2<br />
s<br />
-<br />
e<br />
ö<br />
÷<br />
ø<br />
1 (2.44)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 36
Napęd elektryczny<br />
Można wykazać, iż It(tm)
Napęd elektryczny<br />
Rozruch przy obciążeniu momentem biernym:<br />
Mb=const. (bierny)<br />
Tm>4Tt<br />
Rozruch możemy podzielić na dwa etapy:<br />
a) M£Mb<br />
b) M>Mb<br />
a) Etap pierwszy<br />
Silnik jest nieruchomy<br />
U( s) = R( 1+ s×<br />
Tt) It( s)<br />
It()<br />
s =<br />
It t<br />
Us () U 1<br />
=<br />
R( 1+ sTt × ) Rs( 1+ sTt × )<br />
( e tTt ) Itz<br />
tTt<br />
1 - ( 1 e<br />
- )<br />
U<br />
= - = -<br />
R<br />
()<br />
/ /<br />
(2.45)<br />
Z tego równania wyznaczmy czas martwy, po którym prąd osiągnie wartość Itb:<br />
It( t ) = Itb = Itz -e<br />
t<br />
0<br />
0<br />
Itz<br />
= Tt × ln<br />
Itz - Itb<br />
-to/<br />
Tt<br />
( 1 )<br />
b) Etap drugi<br />
w>0; M>Mb; w(0)=0; It(0)=Itb<br />
(2.46)<br />
Tm× sItz × () s Itb()<br />
s Tm× Tt× sIt × ( 0)<br />
It()<br />
s =<br />
+ +<br />
Ms () Ms () Ms ()<br />
Uwzględniając<br />
Itz<br />
Itb<br />
Itz() s = ; Itb()<br />
s =<br />
s<br />
s<br />
i dokonując przekształceń otrzymamy:<br />
(2.47)<br />
It()<br />
s<br />
=<br />
Itz Itb Itb<br />
+ -<br />
Tt( s- s1)( s-<br />
s2) s Tt( s- s1)( s-<br />
s2)<br />
(2.48)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 38
It()<br />
t<br />
Itz - Itb<br />
= Itb +<br />
Tt( s1 - s2)<br />
Napęd elektryczny<br />
( e<br />
s 1× t - e<br />
s 2×<br />
t )<br />
(2.49)<br />
Znajdując ekstremum tej zależności otrzymamy znaną już postać (porównaj z<br />
(2.43)):<br />
1 s2<br />
tm = s 1-<br />
s 2 s1<br />
ln (2.50)<br />
It( tm) = It max = Itb +<br />
Itz - Itb æ<br />
ç<br />
Tt( s1 - s2)<br />
è<br />
e<br />
s1<br />
s2<br />
s2<br />
s2<br />
ln<br />
ln<br />
s1-s2<br />
s1<br />
s1-<br />
s2<br />
s1<br />
-<br />
e<br />
ö<br />
÷<br />
ø<br />
Podobnie znajdziemy równanie prędkości silnika:<br />
U<br />
Mb<br />
Us () = ; Mb() s = ; It( 0) = Itb; w ( 0)<br />
= 0<br />
s<br />
s<br />
w( s)<br />
=<br />
Podstawiając:<br />
otrzymamy:<br />
U R( 1+<br />
sTt)<br />
Mb R× Tt×<br />
Itb<br />
-<br />
+<br />
kF × sMs × () 2<br />
F × sMs × () kF×<br />
Ms ()<br />
( k )<br />
U R R R<br />
w b = - Mb;<br />
Mb =<br />
kF 2 2 k<br />
Itb<br />
F F F<br />
( k ) ( k )<br />
(2.51)<br />
w()<br />
s<br />
w<br />
w<br />
=<br />
b<br />
=<br />
b<br />
(2.52)<br />
sMs × () sTm × × Tt × ( s - s 1 )( s - s 2 )<br />
Postać tego równania jest analogiczna jak przy rozruchu jałowym, więc:<br />
oraz<br />
w<br />
() t<br />
é<br />
= wb<br />
+<br />
ë<br />
ê<br />
1<br />
s1× t s t<br />
( s × e -<br />
2×<br />
s × e )<br />
1<br />
s1-s2 2 1<br />
ù<br />
û<br />
ú<br />
(2.53)<br />
tp<br />
=<br />
1 s2<br />
ln = tm<br />
(2.54)<br />
s1 - s2<br />
s1<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 39
Napęd elektryczny<br />
Rozruch silnika przy momencie aktywnym:<br />
Zanim moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik nie stanie się większy<br />
od aktywnego momentu oporowego Mb silnik może obracać się w kierunku<br />
przeciwnym do zamierzonego.<br />
Równania czasowe na prąd i prędkość silnika posiadają następującą postać:<br />
1 éæItz<br />
ö Itz<br />
It()= t Itb + ç + s × Itb e s Itb e<br />
s - s èTt<br />
ø<br />
÷ - æ<br />
ç<br />
èTt<br />
+ × ö<br />
ê 2 1 ÷<br />
1 2ë<br />
ø<br />
s 1× t s 2×<br />
t<br />
(2.55)<br />
ù<br />
ú<br />
û<br />
w<br />
() t<br />
s1× t s t<br />
( s × e -<br />
2×<br />
s × e )<br />
é 1<br />
= wb<br />
+<br />
ë<br />
ê<br />
1<br />
s1 -s2 2 1<br />
s1 s Tt<br />
- × 2 × × Dw<br />
s1 - s2<br />
1× ( e - 2×<br />
e )<br />
b s t s t<br />
ù<br />
û<br />
ú -<br />
(2.56)<br />
Poniżej przedstawione są przebiegi uzyskane w drodze symulacji cyfrowej dla<br />
rozważanych przypadków.<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 40
Napęd elektryczny<br />
Rozruch silnika przy momencie aktywnym<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 41
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]; 0.01*It [A]<br />
Mb=0<br />
It<br />
u(t)=Un<br />
w<br />
t [s]<br />
w [rad/s]; 0.01*It [A]<br />
Mb=Mn<br />
It<br />
u(t)=Un<br />
w<br />
t [s]<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 42
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]; 0.01*It [A]<br />
Mb=0<br />
u(t)=Un<br />
t [s]<br />
w [rad/s]; 0.01*It [A]<br />
Mb=Mn<br />
It<br />
u(t)=Un<br />
w<br />
t [s]<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 43
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]; 0.01*It [A]<br />
Mb=10*Mn -czynny<br />
It<br />
Mb(t)=Mn<br />
w<br />
t [s]<br />
w [rad/s]; 0.01*It [A]<br />
Mb=10*Mn -czynny<br />
It<br />
w<br />
t [s]<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 44
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]; 0.04*It [A]<br />
Mb=0; Ut=Un; Rtc=0.319W<br />
It<br />
w<br />
It max =3*Itn<br />
t [s]<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
Przykład rozruchu przy pominięciu elektromagnetycznej stałej czasowej<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 45
Napęd elektryczny<br />
Hamowanie silnika obcowzbudnego prądu stałego<br />
1. Hamowanie dynamiczne<br />
ω s<br />
=<br />
U<br />
t<br />
-<br />
R<br />
tc<br />
kF<br />
×<br />
I<br />
t<br />
I<br />
t<br />
=<br />
U<br />
t<br />
-<br />
R<br />
tc<br />
E<br />
=<br />
U<br />
t<br />
-<br />
ω s kF<br />
R<br />
tc<br />
I<br />
th<br />
- E<br />
= , gdyż U=0<br />
+<br />
R<br />
tc<br />
R<br />
h<br />
M<br />
h<br />
=<br />
kF<br />
×<br />
I<br />
th<br />
= -<br />
( kF)<br />
R<br />
tc<br />
+<br />
2<br />
× ω<br />
R<br />
h<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 46
Napęd elektryczny<br />
gdzie: R1>R2>R3<br />
- E - ω × kF<br />
Rh = - Rtc<br />
= - R<br />
I<br />
I<br />
th max<br />
th max = 2 ¸ 3<br />
przy czym: I ( ) I<br />
tn<br />
th max<br />
Uwaga! Prąd Ith jest ujemny!<br />
Możemy stopniować rezystancję hamowania zmieniając Rh.<br />
Tak pracujący napęd może też być wykorzystywany do opuszczania ciężarów.<br />
Silnik wtedy pracuje jako prądnica obcowzbudna obciążona rezystancją.<br />
Przy hamowaniu dynamicznym i biernym momencie oporowym silnik zatrzyma<br />
się samoistnie, bez stosowania żadnych dodatkowych zabiegów.<br />
tc<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 47
Napęd elektryczny<br />
Możliwe też jest hamowanie dynamiczne awaryjne. Stosuje się je do hamowania<br />
układu przy zaniku napięcia zasilającego.<br />
Stany przejściowe podczas hamowania dynamicznego<br />
Ponieważ w czasie hamowania włączana jest w obwód twornika rezystancja<br />
dodatkowa Rh, więc elektromagnetyczną stałą czasową Tt możemy pominąć:<br />
Mb=const.<br />
ω<br />
I<br />
-t<br />
/ Tm<br />
( t) = ω ( 1 - e ) + ω e<br />
b<br />
-t<br />
/ Tm<br />
( ) = ( 1 - e ) + e<br />
t t<br />
I<br />
b<br />
w b =0 I b =0<br />
w p =w sb I p =I thmax<br />
U<br />
I<br />
p<br />
p<br />
-t<br />
/ Tm<br />
-t<br />
/ Tm<br />
t - ×<br />
=<br />
Rtc<br />
I tsb<br />
- E<br />
ω sb<br />
> 0 I th max = < 0<br />
kF<br />
Rtc<br />
+ Rh<br />
Ostatecznie równania przyjmą postać:<br />
-t<br />
/ Tm<br />
ω ( t) = ω × e<br />
() t = - × e<br />
sb<br />
T<br />
J<br />
( + )<br />
R<br />
tc<br />
m =<br />
2<br />
( kF)<br />
(patrz foliogramy z symulacjami)<br />
R<br />
h<br />
I<br />
t<br />
R<br />
tc<br />
E<br />
+<br />
R<br />
h<br />
-t<br />
/ Tm<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 48
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie dynamiczne<br />
Rh=0.319W, J=Jns, Mb=Mn - bierny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 49
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie dynamiczne<br />
Rh=0.319W, J=Jns, Mb=Mn - czynny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 50
Napęd elektryczny<br />
2. Hamowanie przeciwwłączeniem (przeciwprądem)<br />
ω s<br />
=<br />
U<br />
t<br />
-<br />
R<br />
tc<br />
kF<br />
×<br />
I<br />
t<br />
I<br />
t<br />
=<br />
U<br />
t<br />
-<br />
R<br />
tc<br />
E<br />
=<br />
U<br />
t<br />
-<br />
ω s kF<br />
R<br />
tc<br />
I<br />
th<br />
=<br />
-<br />
U<br />
Rtc<br />
t<br />
+<br />
- E<br />
R<br />
h<br />
=<br />
-<br />
U<br />
t<br />
R<br />
-<br />
tc<br />
kF ω s<br />
+<br />
R<br />
h<br />
I<br />
( 2 ¸ ) I<br />
th max = 3<br />
tn<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 51
Napęd elektryczny<br />
R1>R2>R3<br />
Przy hamowaniu przeciwwłaczeniem silnik sam się nie zatrzyma po osiągnięciu<br />
zerowej prędkości, chyba że bierny moment oporowy będzie większy od<br />
momentu rozwijanego przez silnik.<br />
W przypadku aktywnego momentu oporowego istnieje niebezpieczeństwo<br />
ustalenia się prędkości dużo większej od prędkości biegu jałowego. Z tego<br />
powodu po zahamowaniu silnika należy wyłączyć silnik.<br />
Oznaczenia zacisków silnika:<br />
oznaczenia nowe<br />
oznaczenia starsze<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 52
Napęd elektryczny<br />
Rozpatrując stany przejściowe przy hamowaniu przeciwwłączeniem<br />
w obliczeniach inżynierskich z powodzeniem możemy pominąć stałą czasową Tt:<br />
ω<br />
I<br />
-t<br />
/ Tm<br />
( t) = ω b<br />
( 1 - e ) + ω p e<br />
-t<br />
/ Tm -t<br />
( ) = b ( 1 - e ) + p e<br />
t t<br />
I<br />
Mb=const. (czynny)<br />
I<br />
-t<br />
/ Tm<br />
/ Tm<br />
ω<br />
- ×<br />
=<br />
U t Rtc<br />
I tsb<br />
p ω =<br />
> 0<br />
bs 1<br />
kF<br />
; -U<br />
t - kF<br />
ωbs1<br />
I p=<br />
I =<br />
< 0<br />
th max<br />
Rtc<br />
+ Rh<br />
- ( + ) ×<br />
= - U t Rtc<br />
Rh<br />
I tsb<br />
M b<br />
ω b=<br />
ω bs<br />
< 0<br />
> 0<br />
2 I b = I =<br />
tb<br />
kF<br />
kF<br />
ω<br />
I<br />
T<br />
-t<br />
/ Tm<br />
( t) = ω bs<br />
( - e ) + ω bs1e<br />
-t<br />
/ Tm<br />
( ) = ( 1 - e ) + e<br />
t t<br />
J<br />
I<br />
tb<br />
t / Tm<br />
2 1 -<br />
( + )<br />
R<br />
tc<br />
m =<br />
2<br />
Przy Mb=0<br />
( kF)<br />
R<br />
h<br />
I<br />
th max<br />
-t<br />
/ Tm<br />
ω p = -U<br />
t kF<br />
ω o 2<br />
ω o<br />
=<br />
U t<br />
I p I =<br />
= - < 0<br />
th max<br />
Rtc<br />
+ Rh<br />
Rtc<br />
+ Rh<br />
= - U<br />
=-<br />
t<br />
ω b ω o<br />
< 0 I b = 0<br />
kF<br />
wtedy:<br />
ω<br />
I<br />
T<br />
-t<br />
/ Tm -t<br />
/ Tm -t<br />
/ Tm<br />
( t) = ω ( - ) + ω = ( - 1) ω<br />
-<br />
o<br />
t<br />
() = - e<br />
t t<br />
J<br />
R<br />
1 e e 2e<br />
U<br />
+ R<br />
2 -t<br />
/ Tm<br />
tc<br />
h<br />
( + )<br />
R<br />
tc<br />
m =<br />
2<br />
( kF)<br />
R<br />
h<br />
o<br />
-<br />
o<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 53
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie przeciwwłączeniem<br />
Rh=0.657W, J=Jns, Mb=Mn - bierny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 54
Napęd elektryczny<br />
w [rad/s]<br />
Hamowanie przeciwwłączeniem<br />
Rh=0.657W, J=Jns, Mb=Mn - czynny<br />
3Itn<br />
It [A]<br />
w [rad/s]; 0.1*It [A]<br />
0.50<br />
w<br />
It<br />
SILNIK OBCOWZBUDNY PRĄDU STAŁEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;<br />
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293W; Ltc=2.7mH; J=46kgm 2 ; kF=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm<br />
[s]<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 55
Napęd elektryczny<br />
Układ hamowania przeciwprądem może służyć do opuszczania ciężarów z małą<br />
prędkością.<br />
Hamowanie takie powoduje, iż silnik pobiera moc elektryczną z sieci zasilającej<br />
oraz moc mechaniczną od maszyny roboczej. Część pobranej mocy wydzielana<br />
jest w rezystorze Rd, pozostała część w tworniku silnika. Z tego powodu przy<br />
długotrwałym, czy częstym hamowaniu (opuszczaniu) wymagane jest chłodzenie<br />
obce silnika.<br />
Statyczne cechy obcowzbudnego silnika prądu stałego<br />
Charakterystyka mechaniczna:<br />
U<br />
t - Rtc<br />
I t<br />
ω =<br />
przy czym<br />
kF<br />
I t<br />
M<br />
= k F<br />
ω n<br />
U<br />
=<br />
tn<br />
- R<br />
kF<br />
n<br />
tc<br />
I<br />
tn<br />
Wyznaczanie rezystancji twornika:<br />
U<br />
I<br />
( )<br />
Rtc<br />
= ,5 ×<br />
tn<br />
1 -η n<br />
tn<br />
0 przy założeniu, iż DP Cun =50%DP n<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 56
Napęd elektryczny<br />
Silnik szeregowy prądu stałego<br />
It=Iw<br />
Wyznaczanie rezystancji twornika:<br />
U<br />
I<br />
( )<br />
Rtc<br />
= 0 ,75×<br />
tn<br />
1 -η n<br />
tn<br />
przy założeniu, iż DP Cun =75%DP n<br />
Silnik szeregowy jest opisany następującym układem równań:<br />
ì<br />
dI(<br />
t)<br />
ï<br />
U ( t)<br />
= E(<br />
t)<br />
+ I(<br />
t)<br />
× Rtc + L<br />
dt<br />
dω(<br />
t)<br />
J = M ( t)<br />
- Mb(<br />
t)<br />
dt<br />
í<br />
ï<br />
î<br />
gdzie:<br />
L – całkowita indukcyjność obwodu twornika<br />
E(t)=kF(I)×w(t)<br />
dI(<br />
t)<br />
dt<br />
W stanie ustalonym = 0<br />
dω(<br />
t)<br />
dt<br />
oraz = 0 , więc<br />
ω =<br />
U<br />
kF(<br />
I)<br />
-<br />
I × Rtc<br />
kF(<br />
I)<br />
=<br />
U<br />
kF(<br />
I)<br />
-<br />
M<br />
[ kF(<br />
I)<br />
]<br />
2<br />
× Rtc<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 57
Napęd elektryczny<br />
Zwykle jednoznacznie nie możemy wyznaczyć tych charakterystyk, gdyż nie<br />
znamy krzywej magnesowania.<br />
Ze względu na przebieg charakterystyk silniki szeregowe prądu stałego znalazły<br />
zastosowanie w trakcji elektrycznej (tramwaje, trolejbusy, pociągi elektryczne,<br />
elektrowozy, urządzenia wyciągowe dużej mocy, wózki akumulatorowe,<br />
samochody elektryczne).<br />
Zakres stosowanych mocy od setek watów do kilku-, kilkunastu megawatów.<br />
Charakterystyki sztuczne uzyskujemy poprzez regulację Ut lub wtrącanie<br />
w obwód twornika rezystancji dodatkowych. Możliwe jest także osłabianie<br />
strumienia poprzez bocznikowanie rezystancją szeregowego uzwojenia<br />
wzbudzenia maszyny.<br />
Ponieważ dla tego silnika nie możemy jednoznacznie wyznaczyć zależności<br />
analitycznych określających charakterystyki mechaniczne, w katalogach są<br />
zamieszczane charakterystyki w=f(I) oraz M=f(I) i w oparciu o nie przeprowadza<br />
się obliczenia.<br />
Te charakterystyki uwzględniają reakcję twornika stanowiąc lepszą bazę do<br />
obliczeń.<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 58
Napęd elektryczny<br />
Charakterystyki sztuczne silnika szeregowego<br />
W celu obliczenia Rd z charakterystyki katalogowej (na charakterystyce<br />
naturalnej) dla żądanej wartości momentu Mx znajdujemy odpowiadający mu<br />
prąd Ix oraz prędkość w nx . Rezystancję dodatkową obliczamy zaś z zależności:<br />
æUtn<br />
ö ö<br />
÷ ç<br />
æ ω -<br />
x<br />
Rd = ç - Rtc 1 ÷ .<br />
è Ix øè<br />
ω nx ø<br />
Dowód słuszności zależności jest następujący:<br />
Mx = kF(Ix)×Ix<br />
Dla charakterystyki naturalnej, z katalogu mamy:<br />
ω<br />
nx<br />
Utn Ix × Rtc<br />
= -<br />
kF( Ix)<br />
kF(<br />
Ix)<br />
dla charakterystyki sztucznej zaś:<br />
ω<br />
x<br />
Utn Ix × ( Rtc + Rd)<br />
= -<br />
kF( Ix)<br />
kF(<br />
Ix)<br />
dzieląc te równania stronami otrzymamy:<br />
ω x Utn - Ix × ( Rtc + Rd)<br />
=<br />
ω nx Utn - Ix × Rtc<br />
æUtn<br />
ö ö<br />
÷ ç<br />
æ ω -<br />
x<br />
Rd = ç - Rtc 1 ÷<br />
è Ix øè<br />
ω nx ø<br />
i po wyznaczeniu Rd otrzymamy:<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 59
Napęd elektryczny<br />
Przy regulacji napięciem mamy:<br />
ω x =<br />
Utx I × Rtc<br />
-<br />
kF( I)<br />
kF(<br />
I)<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 60
Napęd elektryczny<br />
Hamowanie silnika szeregowego<br />
Dynamiczne – analogicznie jak dla silnika obcowzbudnego prądu stałego, z tym<br />
że obwód wzbudzenia zasilamy z obcego źródła.<br />
Hamowanie przeciwwłączeniem:<br />
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 61