24.07.2014 Views

ω - ssdservice.pl

ω - ssdservice.pl

ω - ssdservice.pl

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!