Naped elektr


Napęd elektryczny
E05036 NAPD ELEKTRYCZNY
Semestr W Ć S L P
ED V 1 - - 2 -
Liczba godzin wg planu studiów: 45 3pkt
Powiązanie z innymi przedmiotami: Maszyny elektryczne 2 (E04034)
Program wykładów (15 godz.):
1. Podstawowe cechy napędu elektrycznego oraz struktura układów napędowych.
2. Typowe charakterystyki mechaniczne maszyn roboczych.
3. Zasada sprowadzania momentów oporowych oraz bezwładności do wału silnika. [1, 2]
4. Podstawowe równanie ruchu oraz kryterium stabilności statycznej układów napędowych.
[2]
5. Elementarne przykłady całkowania równania ruchu. [1, 2]
6. Blokowy schemat strukturalny obcowzbudnego silnika prądu stałego przy sterowaniu
napięciowym w I strefie regulacji prędkości.
7. Stany przejściowe w układach napędowych z obcowzbudnym silnikiem prądu stałego.
8. Sposoby rozruchu oraz regulacja prędkości układów napędowych z silnikami
obcowzbudnymi oraz szeregowymi prądu stałego.
9. Sposoby rozruchu oraz regulacja prędkości układów napędowych z silnikami
asynchronicznymi klatkowymi i pierścieniowymi.
10. Proste układy sterowania stycznikowego w układach napędowych.
11. Realizacja hamowania dynamicznego, przeciwwłączeniem oraz odzyskowego w układach
napędowych z silnikami prądu stałego i przemiennego.
12. Sposoby rozruchu silników asynchronicznych klatkowych jednofazowych.
13. Przekształtnikowy oraz elektromaszynowy układ Leonarda.
14. Podstawy sterowania częstotliwościowego silników prądu przemiennego.
15. Obciążalność oraz dobór mocy silników do pracy okresowo zmiennej. [2]
Uwaga! Zagadnienia przekreślone nie będą przedstawiane szczegółowo na wykładzie,
natomiast ich znajomość będzie obowiązywać Studentów na zaliczeniu.
Literatura podstawowa:
1.Drozdowski P.: Wprowadzenie do napędów elektrycznych. Kraków PK 1998.
2.Bisztyga K.: Sterowanie i regulacja silników elektrycznych. Warszawa WNT 1989.
3.Gogolewski Z., Kuczewski Z.: Napęd elektryczny. Warszawa WNT 1984.
4.Grunwald Z.: Napęd elektryczny. Warszawa, WNT 1987.
5.Tunia H., Kazmierkowski M.: Automatyka napędu przekształtnikowego. Warszawa PWN
1987.
Zasady zaliczenia wykładu:
Jeden sprawdzian w trakcie semestru i jeden poprawkowy w sesji podstawowej
Zasady zaliczenia laboratorium:
Obecność na wszystkich zajęciach, ocena pozytywna z każdego ćwiczenia, oddane
sprawozdania
Wykładowca: Kierownik KE i NE
Dr inż. Jarosław WERDONI WE  132 Prof. dr hab. inż. Tadeusz CITKO
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 1
Napęd elektryczny
Cechy silników elektrycznych z punktu widzenia zastosowania ich
w układach napędowych:
zalety:
- szeroki zakres mocy produkowanych silników (od pojedynczych watów
w przypadku silników do napędu modeli do stu megawatów w przypadku
silników elektrowni szczytowo-pompowych),
- powszechna dostępność energii elektrycznej i łatwość dostarczenia jej
w dowolny punkt,
- ochrona środowiska,
- możliwość pracy w różnych warunkach otoczenia (np. w warunkach
zagrożenia wybuchem, pożarowego - niska temp. jego elementów),
- łatwa możliwość kontroli i programowania pracy,
- łatwa regulacja prędkości (w szerokim zakresie i z dużą dokładnością),
- mogą pracować we wszystkich czterech kwadrantach układu współrzędnych
(praca silnikowa, hamulcowa oraz prądnicowa),
- wysoka sprawność, niska cena i prosta obsługa w czasie eksploatacji.
Do wad możemy zaliczyć:
- konieczność przyłączenia do nieruchomego zazwyczaj zródła energii
elektrycznej (akumulatory są ciężkie i mają małą pojemność - wózki o małym
zasięgu, przewody ślizgowe - trakcja kolejowa, tramwajowa i trolejbusy,
baterie słoneczne),
- ciężar jednostkowy i szybkość działania mniejsza niż w przypadku
siłowników pneumatycznych i hydraulicznych.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 2
Napęd elektryczny
Ogólna struktura układu napędowego.
ZE - zródło energii (elektrycznej)
PK - przekształtnik energii
S - silnik elektryczny
PM - przekładnia mechaniczna
MR - maszyna robocza
US - układ sterujący
UZE- napięcie zródła energii
US - napięcie na zaciskach silnika
SS, S1, S2 - sygnały sterujące
Sz - sygnały sprzężeń zwrotnych
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 3
Napęd elektryczny
Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych
Z punktu widzenia napędu elektrycznego silniki klasyfikuje się pod względem
sztywności charakterystyki mechanicznej.
=f(M) lub M=f() ewentualnie M=f(n)
Charakterystyka idealnie sztywna
- silniki synchroniczne
- silniki asynchroniczne
synchronizowane
Charakterystyka sztywna
"
*100% d" 10%

o
- silniki bocznikowe i obcowzbudne
prądu stałego
- silniki asynchroniczne (część
charakterystyki)
Charakterystyka miękka
- silniki szeregowe prądu stałego i
przemiennego
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 4
Napęd elektryczny
Przekładnia mechaniczna PM
Możliwe są następujące połączenia mechaniczne silnika z maszyną roboczą:
połączenie mechaniczne bez przekładni
na sztywno
poprzez sprzęgło rozłączne
połączenie z przekładnią
zębate
pasowe
łańcuchowe
Przekładnie mogą być bezstopniowe lub stopniowe.
Połączenie silnika z mechanizmem może być:
sztywne
poprzez element sprężysty
z luzem
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 5
Napęd elektryczny
Typowe charakterystyki mechaniczne maszyn roboczych MR
Moment w napędzie elektrycznym zwykle jest oznaczany dużą literą M. W celu
odróżnienia momentu oporowego maszyny roboczej od momentu napędowego
silnika, do dużej litery M dodajemy indeks:
Mb, Mm, Mop, Mr
Charakterystyka mechaniczna
stała, tzw. moment  dzwigowy .
Nie zależy od prędkości.
Charakterystyka mechaniczna
liniowo zależna od prędkości, tzw.
moment  prądnicowy .
Tego typu moment reprezentuje
prądnica prądu stałego pracująca,
przy kŚ=const., na stałą
rezystancję obciążenia Ro.
E = kŚ "
M = kŚ " It
E E
It = =
ŁR Rtc + Ro
kŚ "
M = kŚ
Rtc + Ro
M = C "
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 6
Napęd elektryczny
Charakterystyka mechaniczna
zależna od prędkości w
kwadracie, tzw. moment
 wentylatorowy .
Urządzenia do ciągłego
transportu cieczy lub gazów.
Charakterystyka mechaniczna dla
której moment zależy
hiperbolicznie od prędkości.
Różnego typu urządzenia do
przewijania.
Z punktu widzenia analizy układów napędowych istotny jest podział oporowych
momentów mechanicznych na:
bierne
czynne.
Do grupy momentów biernych zaliczamy te, które pojawiają się zawsze przy
prędkościach różnych od zera i są zawsze momentami oporowymi nie mogącymi
nadać układowi przyspieszenia od zerowej prędkości.
Momenty czynne występują w mechanizmach z magazynami energii potencjalnej,
takich jak ciężar na pochyłości lub ciężar zawieszony na linie. Momenty te mogą
nadać układowi przyspieszenie jeśli Mb>Me.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 7
Napęd elektryczny
r  promień bębna linowego lub tarczy hamulca;
F  siła docisku szczęk hamulca;
- współczynnik tarcia;
G  ciężar zawieszony na linie;
Moment bierny: Mb = (F r) sign() [Nm]
Moment czynny: Mb = G r [Nm]
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 8
Napęd elektryczny
Obliczanie momentu bezwładności brył obrotowych
Moment bezwładności J ciała wirującego wokół osi możemy obliczyć według zależności
znanej z fizyki:
k
2
J =
"
miri [ ]
kg"m2
i=l
Obliczanie J jako sumy iloczynów elementarnych cząsteczek ciała i kwadratów odległości tych
cząstek od osi obrotu jest uciążliwe.
Z tego powodu J bryły obrotowej (a z takimi zwykle mamy do czynienia w układach
napędowych) obliczamy z zależności:
2
J =
[ ]
m"Rb kg"m2
gdzie:
m  całkowita masa bryły [kg]
Rb  promień bezwładności masy [m]
W katalogach maszyn często podawany jest moment zamachowy oznaczany GD2 , którego
jednostką jest kGm2.
GD2
J =
4
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 9
Napęd elektryczny
PROMIENIE BEZWAADNOŚCI WYBRANYCH BRYA
R2
2
Rb =
2
R2 + r2
2
Rb =
2
Słuszność powyższych zależności, dla regularnych brył geometrycznych, możemy łatwo
wykazać. Sprawdzmy zależność dla wydrążonego walca.
k
2
J =
"
miri
i=l
Stosując rachunek całkowy, tę samą zależność zapiszmy jako:
m
2
J = dm
+" r
dm = łdV
0
gdzie:
ł łł
kg
ł - masa właściwa (gęstość)
ł śł
łm3ł
V [ ] - objętość
m3
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 10
Napęd elektryczny
Objętość wydrążonego walca (rury) o grubości dr, średnicy r i długości l wynosi:
dV = 2Ą " r "l " dr
dm = ł " 2Ą " r "l " dr
stąd
R
ł
4
J = "ł " 2Ą " r "l " dr = Ą "l "( - )
+" r2 R4 r1
2
r
1
Masa wydrążonego walca wynosi:
2
m = ł "l "Ą "( - )
R2 r1
i po wstawieniu do zależności na J otrzymamy:
2
R2 + r1
ł
2 2 2
J = "Ą "l "( - )"( + )= m = m "
R2 r1 R2 r1 Rb
2 2
W przypadku bardziej złożonych brył moment bezwładności obliczamy sumując momenty
bezwładności ich składników prostych, sumując je bezpośrednio lub za pomocą zasady
Steinera.
Zasada Steinera pozwala obliczyć moment bezwładności układu będącego w ruchu obrotowym
wokół osi przesuniętej względem osi bezwładności ciała.
= +
J J m"r2
o
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 11
Napęd elektryczny
Równanie ruchu układu napędowego
Rozważmy prosty układ napędowy:
Faktycznie M oraz Mb mają znaki przeciwne. Z tego powodu, dla wygody,
umówiono się rysować M oraz Mb w jednej ćwiartce pamiętając, iż Mb posiada
znak  -  , który piszemy sporadycznie.
Dowolna różnica momentów Me - Mb = Md - stanowi moment dynamiczny.
Stan ustalony jest szczególnym przypadkiem stanu przejściowego.
Stan ustalony jest wtedy, gdy jest zerowy moment dynamiczny.
Ogólna postać równania ruchu układu napędowego posiada następującą postać:
d  dJ
Md = Me - Mb = J + ,
dt 2 dt
gdzie: J [kgm2] zastępczy moment bezwładności układu.
dą
Czasami J zależy od położenia i wtedy  = a równanie ruchu przyjmie
dt
postać:
d
2 dJ = Me - Mb .
Md = J +
dt 2 dą
W naszych rozważaniach będziemy się ograniczać do przypadków, gdy J=const.
W tym przypadku równanie ruchu przyjmie postać:
d
Md = Me - Mb = J
dt
Me  Mb>0 wzrost prędkości
Me  Mb<0 zmniejszanie się prędkości.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 12
Napęd elektryczny
Stabilność statyczna układów napędowych
równowaga trwała
!
1 ! M ę! Mb ! Md > 0  ę!
2 ę! M ! Mb ę! Md < 0  !
równowaga nietrwała
!
utyk silnika rozbieganie się silnika
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 13
Napęd elektryczny
Kryterium stabilności statycznej:
1.
= 0 - ustalony punkt pracy
Md =ust
2.
dMd
< 0
=ust
d
Występują tutaj trzy punkty pracy napędu dla których Md = 0:
1) stabilny niewłaściwy
2) niestabilny niewłaściwy
3) stabilny właściwy
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 14
Napęd elektryczny
Sprowadzanie momentów mechanicznych do wału silnika
p - sprawność przekładni P
ip (kp) - przełożenie przekładni P

przy czym =
ip
r
Wychodząc z bilansu mocy możemy wykazać, iż moment Mr maszyny roboczej
sprowadzony do wału silnika jest równy:
1. przepływ energii od silnika SE do maszyny roboczej MR
Mr
=
Mb
p "ip
2. przepływ energii od maszyny roboczej MR do silnika SE
Mr
= p
Mb
ip
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 15
Napęd elektryczny
Sprowadzanie momentu bezwładności do wału silnika
Wyprowadzenie zależności pozwalającej sprowadzać momenty bezwładności
dokonujemy przy założeniu zachowania energii kinetycznej układu napędowego.
=
" "
A A
Kukl Z
Wtedy:
2
ł ł
1 1
v
1
= + + + ... + + ...
ł ł
J J J J m
Z 1 2 3 1
2 2 ł ł
ł 1łł
ł ł ł ł
 
1 1
ł ł ł ł
ł ł ł ł
ł 2 łł ł 3łł
przy czym:
 
1 1
= ; = - przełożenie przekładni 1, 2 itd.
i i
2 3
 
2 3
- prędkość liniowa masy m.
v
1
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 16
Napęd elektryczny
Elementarne przykłady całkowania równania ruchu
Podstawowe równanie ruchu:
d
J = - =
Me Mm Md
dt
Czas trwania stanów przejściowych (Md `" 0) możemy wyznaczyć z powyższego
równania w następujący sposób:
d
t = J+"
(Me - )
Mm
Niestety w praktyce inżynierskiej zwykle utrudnione jest korzystanie z tego
równania z następujących powodów:
- nieznajomość charakterystyki Me = f(),
- nieznajomość charakterystyki Mm = f(),
- trudności z analitycznym rozwiązaniem najczęściej nieliniowych równań.
Dlatego też w praktyce inżynierskiej koniecznym staje się zastosowanie
uproszczeń, czynionych z pełną świadomością.
Dla silnika klatkowego czas rozruchu możemy określić dysponując tzw.
średnim momentem elektromagnetycznym.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 17
Napęd elektryczny
"
E" = -
tr J Mdś r Meś r Mbśr
Mdśr
+
Mr Mk
= " 09
.
( )
Meśr
2
gdzie
Mr, Mk - dane katalogowe
" = k - p
Oczywiście otrzymany wynik jest przybliżony i nie uwzględnia
elektromagnetycznych procesów przejściowych w silniku. Pozwala na
szacowanie czasów rozruchu czy hamowania.
W przypadku, gdy moment dynamiczny Md , niezależnie od rodzaju silnika, jest
liniową funkcją prędkości czas trwania stanów przejściowych możemy obliczyć z
następującej zależności:
-
k p
Mdk
= "ln
tp J
-
Mdk Mdp Mdp
Uwaga!
Przy dojściu do stanu ustalonego Mdk = 0, ale ln(0) jest nieokreślony (tr ").
W takiej sytuacji Mdk należy obliczyć dla prędkości równej np. 0,95 ust.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 18
Napęd elektryczny
2. WAASNOŚCI DYNAMICZNE UKAADÓW NAPDOWYCH
Z SILNIKAMI OBCOWZBUDNYMI PRDU STAAEGO
Obwód elektryczny:
przy t = 0; Iw = const.; Ś = const.
dIt(t)
Ut(t) = kŚ "(t) + R " It(t) + Lt (2.1)
dt
przyjmujemy, iż R = ŁRt = Rtc = const., zaś Lt = Ltc = const.
Mechanika:
Md(t) = M(t) - Mb(t) (2.2)
d(t)
J = kŚ "It(t) - Mb(t) (2.3)
dt
przyjmujemy, iż J = const. oraz Mo = 0 (moment strat) lub jest zawarty w Mb(t).
Ostatecznie otrzymamy układ równań opisujący silnik:
dIt(t)
Ut(t) = kŚ " (t) + R " It(t) + Lt (2.4)
dt
d(t)
J = kŚ " It(t) - Mb(t) (2.5)
dt
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 19
Napęd elektryczny
Zastosujmy do układu równań (2.4), (2.5) przekształcenie Laplace a:
U(s) = kŚ"(s) + R"It(s) + Lt"s"It(s) - Lt"It(0) (2.6)
J"s"(s) - J"(0) = kŚ"It(s) - Mb(s) (2.7)
przy założeniu, że It(0) = 0; (0) = 0 otrzymamy:
Lt
U(s) = kŚ "(s) + Rł1+ sł "It(s) (2.8)
ł ł
ł łł
R
J "s"(s) = kŚ "It(s) - Mb(s) (2.9)
Lt
Oznaczmy: = Tt - elektromagnetyczna stała czasowa obwodu twornika.
R
Wynosi ona kilkadziesiąt milisekund np. 0,04 s.
Z równania (2.8) wyznaczamy It(s) natomiast z równania (2.9) (s):
1
It(s) = U(s) - kŚ " (s) (2.10)
[ ]
R(1 + Tt " s)
1
(s) = kŚ " It(s) - Mb(s) (2.11)
[ ]
J " s
W oparciu o powyższe równania narysujmy schemat blokowy obcowzbudnego
silnika prądu stałego przy sterowaniu napięciowym od strony obwodu twornika:
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 20
Napęd elektryczny
Na podstawie schematu blokowego możemy wyznaczyć następujące
transmitancje:
(s) (s)
;
G1(s) = ; G2(s) =
U(s) Mb(s)
It(s) It(s)
.
G3(s) = ; G4(s) =
U(s) Mb(s)
Znajdzmy te transmitancje:
kŚ
(s) kŚ
R(Tt " s + 1) " s " J
= =
G1(s) = =
Us)
(
(kŚ)2 R(Tt " s + 1) " s" J + (kŚ)2
1 +
R(Tt " s + 1) " s " J
(2.12)
1
kŚ
kŚ
= =
+
(kŚ)2 J " R "Tt"s2 + J " R "s + 1
J"RTt"s2 + J"Rs
" "
(kŚ)2 (kŚ)2
Oznaczając:
J " R
Tm = - elektromechaniczna stała czasowa układu napędowego,
(kŚ)2
przy czym J = Jsilnika + JMRsprowadzony ostatecznie otrzymamy:
1
(s)
kŚ
(2.13)
G1(s) = =
Us)
(
+ 1
Tm"Tt"s2 + Tm"s
Otrzymaliśmy układ drugiego rzędu, o dwóch stałych czasowych i wzmocnieniu
1/kŚ
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 21
Napęd elektryczny
Podobnie możemy wyznaczyć pozostałe transmitancje silnika:
R
(Tt " s + 1)
(s)
(kŚ)2
=- (2.14)
G2(s) =
Mb(s)
+ 1
Tm"Tt"s2 + Tm"s
1
" Tm" s
It(s)
(2.15)
G3(s) = = R
U(s)
+ 1
Tm"Tt"s2 + Tm"s
1
It(s)
kŚ
= (2.16)
G4(s) =
Mb(s)
+ 1
Tm"Tt"s2 + Tm"s
Zauważmy, że mianowniki transmitancji są jednakowe. Jest to równanie
kwadratowe zwane równaniem charakterystycznym silnika i pierwiastki tego
równania określają własności dynamiczne silnika.
Tm"Tt"s2 + Tm"s + 1 = 0
4 " Tt
ł ł
= =
" Tm2 - 4"TmTt Tm2ł1 - ł
" ł
łł
Tm
4 " Tt
-1ą 1 -
Tm
S12 =
,
2 " Tt
Jeśli pierwiastki są liczbami rzeczywistymi to:
4 " Tt
"e" 0 ! 1 - e" 0 ! Tm e" 4 " Tt (2.17)
Tm
Jest to warunek aperiodycznego charakteru odpowiedzi silnika na skok napięcia
zasilającego twornik.
Js " Rtc - stała elektromechaniczna samego silnika
Tms =
(kŚ)2
Tms E" kilkadziesiąt ms ; Tms H" Tt
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 22
Napęd elektryczny
Dla silnika prądu stałego elektromechaniczna stała czasowa może być określana
z następujących zależności:
Rtc " Ib = Rtc " Ib " 1 = "b
Tms = (2.18)
Js Js Js
kŚ "
kŚ Ib Mb
(kŚ)2 Ib
uwzględniając:
U
Rtc " Ib = -
b = - o "b
kŚ kŚ
z (2.18) otrzymamy:
"b "n o
Tms = (2.19)
Js = Js = Js .
Mb Mn Mz
Jeśli mamy, iż Tm >> Tt to możemy przyjąć, że Tt H" 0 i wtedy transmitancje
opisujące silnik upraszczają się i otrzymujemy układ pierwszego rzędu.
R
1
(s) (s)
(kŚ)2 ;
=-
G1(s) = = kŚ ; G2(s) =
Us) Tm " s + 1 Mb(s) Tm " s + 1
(
1 1
" s " Tm
It(s) It(s)
;
G3(s) = = R G4(s) = = kŚ . (2.20)
U(s) Tm " s + 1 U(s) Tm " s + 1
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 23
Napęd elektryczny
Rozważmy sytuację, w której silnik obcowzbudny prądu stałego pracuje z
prędkością początkową  = p. Jaka będzie odpowiedz prędkości obrotowej i
prądu twornika w funkcji czasu na skok napięcia zasilającego twornik?
Na razie przyjmijmy, że Lt E" 0 ! Tt E" 0 ! L/R E" 0.
Na podstawie równań (2.6) i (2.7) możemy zapisać:
U(s) = kŚ"(s) + R"It(s) + Lt"s"It(s) (2.21)
J"s"(s) - J"(0) = kŚ"It(s) - Mb(s) (2.22)
Ponadto załóżmy:
Un
U(s) = Un(s) = ; kŚ = kŚn = const.; (0) = p
s
Silnik obciążony jest stałym momentem biernym:
Mb
Mb(s) = .
s
Z równania (2.22) wyznaczamy prąd twornika:
1 1 1
It(s) = " s " J " (s) - " s " J " + " Mb(s) (2.23)
p
kŚ kŚ kŚ
i wstawmy do równania (2.21):
R " J R " J R
U(s) = kŚ " (s) + " s " (s) - " + " Mb(s)
p
kŚ kŚ kŚ
stąd:
p
U(s) R Mb(s)
(s) = + Tm " - " . (2.24)
kŚ " (Tm " s + 1) Tm " s + 1
(kŚ)2 Tm " s + 1
Un Mb
Uwzględniając przyjęte założenia U(s) = oraz Mb(s) = otrzymamy:
s s
p
Un R Mb
(s) = + Tm - "
s " kŚ " (Tm " s + 1) Tm " s + 1
(kŚ)2 s " (Tm " s + 1)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 24
Napęd elektryczny
Uwzględniając ponadto zależności:
Un R
= " Mb = ! - =
on; "b on "b b
kŚ
(kŚ)2
ostatecznie w dziedzinie operatorowej otrzymamy:
p
b
(s) = + (2.25)
1
1
łs ł
s +
s " Tm " +
ł ł
ł łł Tm
Tm
Przechodząc do dziedziny czasowej należy skorzystać z twierdzenia o splocie
funkcji otrzymując następującą zależność:
t t
- -
(t) = 1- Tm + "e Tm (2.26)
 e 
b p
( )
Wykres powyższej funkcji jest następujący:
Równanie (2.26) możemy też przedstawić w postaci następującej:
t
-
Tm
(t) = + - )
" . (2.27)
(
   e
b p b
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 25
Napęd elektryczny
Podobnie znajdziemy równanie prądu korzystając z (2.23):
sJ J 1
It(s) = "(s) - "p + " Mb(s)
kŚ kŚ kŚ
przy czym:
Mb
Mb(s) =
s
Dokonując następujących przekształceń uwzględniając (2.25):
"Tm
ł p łł
sJ J 1 Mb
b
It(s) = "łs"(sTm +1) + sTm + 1śł - kŚ "p + kŚ " s
kŚ
ł ł
J " J(sTm - sTm -1) 1 Mb
b
It(s) = + " + "
p
kŚ(sTm +1) kŚ(sTm +1) kŚ s
p
J " R kŚ JR kŚ Ib
b
It(s) = + +
R sTm +1 R sTm +1 s
(kŚ)2 (kŚ)2
U R
= ; " Mb = ! - = ;
o "b o "b b
kŚ
(kŚ)2
Mb
Ib=
kŚ
ł łł
kŚ U R
" Mbśł
łkŚ -
R
(kŚ)2
ł ł-
It(s) = Tm"
sTm +1
ł łł
kŚ U R
" Mpśł
łkŚ -
R
(kŚ)2
ł ł+ Ib
- Tm"
sTm +1 s
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 26
Napęd elektryczny
U U
Tmł - Ibł Tmł - Ipł
ł ł ł ł
ł łł ł łł Ib
R R
It(s) = - +
sTm +1 sTm +1 s
TmIp - Ib) Ib TmIp TmIb Ib
(
It(s) = + = - +
sTm +1 s sTm + 1 sTm +1 s
i w dziedzinie operatorowej ostatecznie otrzymamy:
Ip Ib
It(s) = + (2.28)
1
1
ł
s +
sTmłs +
ł ł
ł łł
Tm
Tm
a w dziedzinie czasowej:
It(t) =Ib 1 e-t/Tm + Ipe-t/Tm (2.29)
- "
( )
lub
It(t) = + (Ip-Ib)"e-t/Tm (2.30)
Ib
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 27
Napęd elektryczny
Mb=0; Ut=Un; Rtc=0.319&!
 [rad/s]; 0.04"It [A]
It

Itmax=3"Itn
t [s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 28
Napęd elektryczny
Hamowanie dynamiczne
 [rad/s]
Rh=0.319&!, J=Jns, Mb=Mn - bierny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 29
Napęd elektryczny
Hamowanie dynamiczne
 [rad/s]
Rh=0.319&!, J=Jns, Mb=Mn - czynny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 30
Napęd elektryczny
Hamowanie przeciwwłączeniem
 [rad/s]
Rh=0.657&!, J=Jns, Mb=Mn - bierny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 31
Napęd elektryczny
Hamowanie przeciwwłączeniem
 [rad/s]
Rh=0.657&!, J=Jns, Mb=Mn - czynny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 32
Napęd elektryczny
Stany przejściowe w silniku obcowzbudnym z uwzględnieniem
elektromagnetycznej stałej czasowej
Wezmy pod uwagę układ równań (2.21) i (2.22):
J "s"(s) - J "(0) = kŚ "It(s) - Mb(s)
ńł
(2.31)
ł
ółU(s) = kŚ "(s) + R(1+ sTt)It(s) - R"Tt "It(0)
Układ równań (2.31) przekształcamy do postaci umożliwiającej rozwiązanie
metodą wyznaczników:
J "s"(s) - kŚ "It(s) = -Mb(s) + J "(0)
ńł
(2.32)
ł
ółkŚ "(s) + R(1+ sTt)It(s) = U(s) + R "Tt "It(0)
J "s -kŚ
Mian = = J "s" R(1+ sTt) + (kŚ)2
kŚ R(1+ sTt)
(2.33)
Mian = (kŚ)2 (TmTt"s2 + Tm"s +1) = (kŚ)2 " Ms)
" (
gdzie M(s) - równanie charakterystyczne silnika
-Mb(s) + J "(0) -kŚ
L() =
U(s) + R "Tt "It(0) R(1+ sTt)
L() = -R(1+ sTt) " Mb(s) + J " R(1+ sTt) "(0) + kŚ " Us) +
(
+ kŚ " R "Tt "It(0)
(2.34)
J "s -Mb(s) + J "(0)
L(It) =
kŚ Us) + R"Tt "It(0)
(
L(It) = J "s" U(s) + J " R "Tt "s"It(0) + kŚ " Mb(s) -
- kŚ "J "(0)
(2.35)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 33
Napęd elektryczny
W oparciu o wyznaczniki (2.33), (2.34) i (2.35) znajdziemy równania
operatorowe prędkości i prądu twornika silnika:
L() U(s)/ kŚ Tm(1+ sTt)(0)
(s) = = + -
Mian Ms) Ms)
( (
R / (kŚ)2(1+ sTt)Mb(s) R / kŚ "Tt "It(0)
- +
Ms) Ms)
( (
Tm(1+ sTt) "
p "b
(s) (s)(1+ sTt)
o
(s) = + - +
Ms) Ms) Ms)
( ( (
"p
+ Tt
Ms)
(
(2.36)
L(It) Us) "J "s/ (kŚ)2 s"Tt "It(0) "J " R / (kŚ)2
(
It(s) = = + +
Mian Ms) Ms)
( (
Mb(s)/ kŚ J / kŚ
+ - (0)
Ms) Ms)
( (
Tm"s"Itz(s) Tm"Tt "s"It(0) Ib(s) J / kŚ
It(s) = + + - (0)
Ms) Ms) Ms) Ms)
( ( ( (
(2.37)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 34
Napęd elektryczny
Rozruch jałowy silnika:
Mb=0; (0)=0; It(0)=0; U(s)=U/s ">0
Równanie prędkości ma postać:
U
o o
(s) = = =
kŚ "s" Ms) s" Ms) s"Tm"Tt "(s - s1)(s - s2)
( (
o + o
(t) =
es1"t +
Tm"Tt "s1"s2 Tm"Tt "s1"(s1- s2)
(2.38)
o
+
es2"t
Tm"Tt "s2"(s2 - s1)
1
Aatwo możemy wykazać, iż: s1"s2 =
Tm"Tt
s2 s1
(t) = + (2.39)
o o es1"t - o es2"t
s1- s2 s1- s2
lub
1
ł1+
(t) =
o ł s2"es1"t - s1"es2"t śł
( )łł
s1- s2
ł ł
Badając przebieg zmienności funkcji określimy punkt przegięcia:
1 s2
tp = ln (2.40)
s1- s2 s1
Podobnie dla równania prądu:
Tm"s"Itz(s) Tm"Itz
It(s) = =
Ms) Tm"Tt(s - s1)(s - s2)
(
przy czym:
U Itz
Itz = = const., więc Itz(s) =
R s
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 35
Napęd elektryczny
Itz
It(s) = (2.41)
Tt "(s - s1)(s - s2)
Itz 1 1
ł ł
It(t) = (2.42)
ł ł
es1"t + es2"tłł
ł
Tt s1- s2 s2 - s1
lub
Itz
It(t) =
es1"t - es2"t
( )
Tt(s1- s2)
Szukając ekstrema tej funkcji otrzymamy maksimum dla :
1 s2
tm = ln (2.43)
s1- s2 s1
zauważmy, iż tp=tm
s1 s2 s2 s2
Itz
ł ł
It(tm) = It max = ł
es1-s2 ln s1 - es1-s2 ln s1ł (2.44)
ł łł
Tt(s1- s2)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 36
Napęd elektryczny
Można wykazać, iż It(tm)W przypadku, gdy pierwiastki równania charakterystycznego transmitancji
silnika są liczbami zespolonymi to przebiegi prędkości i prądu twornika będą
miały charakter oscylacyjny.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 37
Napęd elektryczny
Rozruch przy obciążeniu momentem biernym:
Mb=const. (bierny) Tm>4Tt
Rozruch możemy podzielić na dwa etapy:
a) Md"Mb
b) M>Mb
a) Etap pierwszy
Silnik jest nieruchomy
U(s) = R(1+ s"Tt)It(s)
Us) U 1
(
It(s) = = (2.45)
R(1+ s"Tt) Rs(1+ s"Tt)
U
It(t) =
1-e-t/Tt = Itz 1-e-t/Tt
( ) ( )
R
Z tego równania wyznaczmy czas martwy, po którym prąd osiągnie wartość Itb:
It(t0) = Itb = Itz
1-e-to/Tt
( )
(2.46)
Itz
t0 = Tt "ln
Itz - Itb
b) Etap drugi
>0; M>Mb; (0)=0; It(0)=Itb
Tm"s"Itz(s) Itb(s) Tm"Tt "s"It(0)
It(s) = + + (2.47)
Ms) Ms) Ms)
( ( (
Uwzględniając
Itz Itb
Itz(s) = ; Itb(s) =
s s
i dokonując przekształceń otrzymamy:
Itz Itb Itb
It(s) = + - (2.48)
Tt(s - s1)(s - s2) s Tt(s - s1)(s - s2)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 38
Napęd elektryczny
Itz - Itb
It(t) = Itb + (2.49)
es1"t - es2"t
( )
Tt(s1- s2)
Znajdując ekstremum tej zależności otrzymamy znaną już postać (porównaj z
(2.43)):
1 s2
tm = ln (2.50)
s1- s2 s1
s1 s2 s2 s2
Itz - Itb
ł ł
It(tm) = It max = Itb + ł
es1-s2 ln s1 - es1-s2 ln s1ł
ł łł
Tt(s1- s2)
Podobnie znajdziemy równanie prędkości silnika:
U Mb
U(s) = ; Mb(s) = ; It(0) = Itb; (0) = 0
s s
U R(1+ sTt)Mb R "Tt "Itb
(s) = - + (2.51)
kŚ "s" Ms) kŚ " Ms)
( (
kŚ "s" Ms)
(
( )2
Podstawiając:
U R R R
Mb; Mb = Itb
b = -
kŚ kŚ
kŚ kŚ
( )2 ( )2
otrzymamy:
b = b
(s) = (2.52)
s" Ms) s"Tm"Tt "(s - s1)(s - s2)
(
Postać tego równania jest analogiczna jak przy rozruchu jałowym, więc:
1
ł1+
(t) = (2.53)
b ł s2"es1"t - s1"es2"t śł
( )łł
s1- s2
ł ł
oraz
1 s2
tp = ln = tm (2.54)
s1- s2 s1
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 39
Napęd elektryczny
Rozruch silnika przy momencie aktywnym:
Zanim moment elektromagnetyczny rozwijany przez silnik nie stanie się większy
od aktywnego momentu oporowego Mb silnik może obracać się w kierunku
przeciwnym do zamierzonego.
Równania czasowe na prąd i prędkość silnika posiadają następującą postać:
1 Itz Itz łł
ł
ł ł
It(t) = Itb +
ł ł
łł + s2"Itbł es1"t - ł Tt + s1"Itbł es2"tśł
łł ł łł
s1- s2 Tt
łł ł
(2.55)
1
ł1+
(t) =
b ł s2"es1"t - s1"es2"t śł -
( )łł
s1- s2
ł ł
(2.56)
s1"s2"Tt "
"b
-
es1"t - es2"t
( )
s1- s2
Poniżej przedstawione są przebiegi uzyskane w drodze symulacji cyfrowej dla
rozważanych przypadków.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 40
Napęd elektryczny
Rozruch silnika przy momencie aktywnym
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 41
Napęd elektryczny
 [rad/s]; 0.01"It [A]
Mb=0
It
u(t)=Un

t [s]
 [rad/s]; 0.01"It [A]
Mb=Mn
It
u(t)=Un

t [s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 42
Napęd elektryczny
Mb=0
 [rad/s]; 0.01"It [A]
u(t)=Un
t [s]
Mb=Mn
 [rad/s]; 0.01"It [A]
It
u(t)=Un

t [s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 43
Napęd elektryczny
 [rad/s]; 0.01"It [A] Mb=10"Mn -czynny
Mb(t)=Mn
It

t [s]
 [rad/s]; 0.01"It [A] Mb=10"Mn -czynny
It

t [s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 44
Napęd elektryczny
Mb=0; Ut=Un; Rtc=0.319&!
 [rad/s]; 0.04"It [A]
It

Itmax=3"Itn
t [s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Przykład rozruchu przy pominięciu elektromagnetycznej stałej czasowej
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 45
Napęd elektryczny
Hamowanie silnika obcowzbudnego prądu stałego
1. Hamowanie dynamiczne
- "
U R I
t tc t
=

s
kŚ
- -
U E U  kŚ
t t s
= =
I
t
R R
tc tc
- E
= , gdyż U=0
I
th
+
R R
tc h
2
"
(kŚ)
= " = -
M kŚ I
h th
+
R R
tc h
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 46
Napęd elektryczny
gdzie: R1>R2>R3
- E -  " kŚ
= - = -
R R R
h tc tc
I I
th max th max
przy czym: = (2 3)
I I
th max tn
Uwaga! Prąd Ith jest ujemny!
Możemy stopniować rezystancję hamowania zmieniając Rh.
Tak pracujący napęd może też być wykorzystywany do opuszczania ciężarów.
Silnik wtedy pracuje jako prądnica obcowzbudna obciążona rezystancją.
Przy hamowaniu dynamicznym i biernym momencie oporowym silnik zatrzyma
się samoistnie, bez stosowania żadnych dodatkowych zabiegów.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 47
Napęd elektryczny
Możliwe też jest hamowanie dynamiczne awaryjne. Stosuje się je do hamowania
układu przy zaniku napięcia zasilającego.
Stany przejściowe podczas hamowania dynamicznego
Ponieważ w czasie hamowania włączana jest w obwód twornika rezystancja
dodatkowa Rh, więc elektromagnetyczną stałą czasową Tt możemy pominąć:
Mb=const.
= (1 - )+
(t)
 e-t /Tm  e-t / Tm
b p
(t) = (1 - )+
I I e-t / Tm I e-t / Tm
t b p
b=0 Ib=0
p=sb Ip=Ithmax
- " - E
U R I
t tc tsb
= > 0 = < 0
 I
sb th max
kŚ +
R R
tc h
Ostatecznie równania przyjmą postać:
E
(t) = " (t) = - "
 e-t / Tm I e-t / Tm
sb t
+
R R
tc h
(Rtc + )
J R
h
=
T
m
2
(kŚ)
(patrz foliogramy z symulacjami)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 48
Napęd elektryczny
Hamowanie dynamiczne
 [rad/s]
Rh=0.319&!, J=Jns, Mb=Mn - bierny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 49
Napęd elektryczny
Hamowanie dynamiczne
 [rad/s]
Rh=0.319&!, J=Jns, Mb=Mn - czynny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 50
Napęd elektryczny
2. Hamowanie przeciwwłączeniem (przeciwprądem)
- "
U R I
t tc t
=

s
kŚ
- -
U E U  kŚ
t t s
= =
I
t
R R
tc tc
- -
- - E U kŚ 
t s
U
t
= =
I
th
+ +
R R R R
tc h tc h
= (2 3)
I I
th max tn
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 51
Napęd elektryczny
R1>R2>R3
Przy hamowaniu przeciwwłaczeniem silnik sam się nie zatrzyma po osiągnięciu
zerowej prędkości, chyba że bierny moment oporowy będzie większy od
momentu rozwijanego przez silnik.
W przypadku aktywnego momentu oporowego istnieje niebezpieczeństwo
ustalenia się prędkości dużo większej od prędkości biegu jałowego. Z tego
powodu po zahamowaniu silnika należy wyłączyć silnik.
Oznaczenia zacisków silnika:
oznaczenia nowe oznaczenia starsze
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 52
Napęd elektryczny
Rozpatrując stany przejściowe przy hamowaniu przeciwwłączeniem w
obliczeniach inżynierskich z powodzeniem możemy pominąć stałą czasową Tt:
= (1 - )+
(t)
 e-t /Tm  e-t / Tm
b p
(t) = (1 - )+
I I e-t / Tm I e-t / Tm
t b p
Mb=const. (czynny)
-
=bs1 Ut - Rtc " Itsb > 0 ; =Ith max -Ut kŚ bs1 < 0
= =
 I
p p
kŚ +
R R
tc h
- (Rtc + )"
R I
h tsb
= < 0 = > 0
=bs2 -U t =Itb M b
 I
b b
kŚ kŚ
= (1 - )+
(t)
 e-t / Tm  e-t / Tm
bs2 bs1
(t) = (1 - )+
I I e-t / Tm I e-t / Tm
t tb th max
(Rtc + )
J R
h
=
T
m
2
(kŚ)
Przy Mb=0
-
2U
t
= =Ith max -Ut kŚ o - < 0
= =
I
  p
p o
+ +
R R R R
tc h tc h
= < 0 = 0
=-o -Ut
 I
b b
kŚ
wtedy:
= (1 - )+ (2e
(t)
- e-t / Tm  e-t / Tm = -t / Tm - 1)
o o o
2U
t
(t) = -
I e-t / Tm
t
+
R R
tc h
(Rtc + )
J R
h
=
T
m
2
(kŚ)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 53
Napęd elektryczny
Hamowanie przeciwwłączeniem
 [rad/s]
Rh=0.657&!, J=Jns, Mb=Mn - bierny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 54
Napęd elektryczny
Hamowanie przeciwwłączeniem
 [rad/s]
Rh=0.657&!, J=Jns, Mb=Mn - czynny
3Itn It [A]
 [rad/s]; 0.1*It [A]
0.50

It
[s]
SILNIK OBCOWZBUDNY PRDU STAAEGO TYPU D818 Pn=185 kW; nn=435/870 obr/min;
Un=440V; Itn=460A; Rtc=0.0293&!; Ltc=2.7mH; J=46kgm2; kŚ=9.363Vs/rad; Mn=4300Nm
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 55
Napęd elektryczny
Układ hamowania przeciwprądem może służyć do opuszczania ciężarów z małą
prędkością.
Hamowanie takie powoduje, iż silnik pobiera moc elektryczną z sieci zasilającej
oraz moc mechaniczną od maszyny roboczej. Część pobranej mocy wydzielana
jest w rezystorze Rd, pozostała część w tworniku silnika. Z tego powodu przy
długotrwałym, czy częstym hamowaniu (opuszczaniu) wymagane jest chłodzenie
obce silnika.
Statyczne cechy obcowzbudnego silnika prądu stałego
Charakterystyka mechaniczna:
- -
U R I
U R I M tn tc tn
t tc t
 = przy czym = =
I 
t n
kŚ
kŚ
kŚ
n
Wyznaczanie rezystancji twornika:
= 0,5 "Utn ( -n
) przy założeniu, iż "PCun=50%"Pn
R 1
tc
I
tn
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 56
Napęd elektryczny
Silnik szeregowy prądu stałego
It=Iw
Wyznaczanie rezystancji twornika:
U
tn
= 0,75" ( -n
)
R 1
tc
I
tn
przy założeniu, iż "PCun=75%"Pn
Silnik szeregowy jest opisany następującym układem równań:
dI(t)
ńłU (t) = E(t) + I(t) " Rtc + L
ł
dt
ł
d(t)
ł
J = M (t) - Mb(t)
ół dt
gdzie:
L  całkowita indukcyjność obwodu twornika
E(t)=kŚ(I)"(t)
dI(t) d(t)
W stanie ustalonym = 0 oraz = 0, więc
dt dt
U I " Rtc U M
 = - = - " Rtc
2
kŚ(I) kŚ(I) kŚ(I)
[kŚ(I )]
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 57
Napęd elektryczny
Zwykle jednoznacznie nie możemy wyznaczyć tych charakterystyk, gdyż nie
znamy krzywej magnesowania.
Ze względu na przebieg charakterystyk silniki szeregowe prądu stałego znalazły
zastosowanie w trakcji elektrycznej (tramwaje, trolejbusy, pociągi elektryczne,
elektrowozy, urządzenia wyciągowe dużej mocy, wózki akumulatorowe,
samochody elektryczne).
Zakres stosowanych mocy od setek watów do kilku-, kilkunastu megawatów.
Charakterystyki sztuczne uzyskujemy poprzez regulację Ut lub wtrącanie w
obwód twornika rezystancji dodatkowych. Możliwe jest także osłabianie
strumienia poprzez bocznikowanie rezystancją szeregowego uzwojenia
wzbudzenia maszyny.
Ponieważ dla tego silnika nie możemy jednoznacznie wyznaczyć zależności
analitycznych określających charakterystyki mechaniczne, w katalogach są
zamieszczane charakterystyki =f(I) oraz M=f(I) i w oparciu o nie przeprowadza
się obliczenia.
Te charakterystyki uwzględniają reakcję twornika stanowiąc lepszą bazę do
obliczeń.
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 58
Napęd elektryczny
Charakterystyki sztuczne silnika szeregowego
W celu obliczenia Rd z charakterystyki katalogowej (na charakterystyce
naturalnej) dla żądanej wartości momentu Mx znajdujemy odpowiadający mu
prąd Ix oraz prędkość nx. Rezystancję dodatkową obliczamy zaś z zależności:
Utn ł ł
ł 
x
Rd = - Rtcłł1- ł.
ł ł
Ix
ł łł 
ł nx łł
Dowód słuszności zależności jest następujący:
Mx = kŚ(Ix)"Ix
Dla charakterystyki naturalnej, z katalogu mamy:
Utn Ix " Rtc
= -

nx
kŚ(Ix) kŚ(Ix)
dla charakterystyki sztucznej zaś:
Utn Ix " (Rtc + Rd)
= -

x
kŚ(Ix) kŚ(Ix)
dzieląc te równania stronami otrzymamy:
Utn - Ix " (Rtc + Rd)

x
= i po wyznaczeniu Rd otrzymamy:
Utn - Ix " Rtc

nx
Utn ł ł
ł 
x
Rd = - Rtcłł1- ł
ł ł
Ix
ł łł 
ł nx łł
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 59
Napęd elektryczny
Przy regulacji napięciem mamy:
Utx I " Rtc
= -

x
kŚ(I ) kŚ(I)
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 60
Napęd elektryczny
Hamowanie silnika szeregowego
Dynamiczne  analogicznie jak dla silnika obcowzbudnego prądu stałego, z tym
że obwód wzbudzenia zasilamy z obcego zródła.
Hamowanie przeciwwłączeniem:
Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych 61


Wyszukiwarka