1. OGÓLNE WIADOMOŚCI O NAPĘDZIE ELEKTRYCZNYM
W ogólnym przypadku napęd elektryczny przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. W przypadkach szczególnych, np. w czasie pewnego rodzaju hamowania, kierunek przepływu energii może być przeciwny. W układzie napędowym, przetwarzającym energię będą zawsze występowały straty tej energii. Układy napędowe powinny się odznaczać z jednej strony dużą sprawnością energetyczną, z drugiej zaś prostotą budowy i łatwością obsługi. W zależności od stawianych wymagań układ napędowy może być sterowany ręcznie lub automatycznie.
1.1. Części składowe układu napędowego
Części składowe układu napędowego można pogrupować w zależności od funkcji jakie spełniają. Ogólnie ich wzajemne powiązania pokazano na schemacie blokowym na rys. 1.1.
Rys. 1.1. Uogólniony schemat funkcjonalny układu napędowego
E- źródło energii elektrycznej
PE- przekształtnik energii elektrycznej
MR- maszyna robocza
UP- układ pomiarowy
US- układ sterujący
Z- zadajnik
Układ napędowy jest zasilany ze źródła energii elektrycznej E, którym może być element ogólnokrajowego systemu energetycznego, np. sieć energetyczną zakładu przemysłowego lub sieć energetyczna miejska.
Ze źródła E energia jest doprowadzana do przekształtnika energii elektrycznej PE, który dopasowuje parametry źródła E do parametrów silnika S oraz wymagań układu napędowego.
Przekształtnik PE może nie tylko dopasowywać poziom napięcia zasilającego (np. transformator), ale też być elementem sterowanym (np. przetwornica elektromaszynowa, prostownik sterowany, falownik), dającym na wyjściu regulowane napięcie prądu stałego lub regulowane co do amplitudy, częstotliwości i fazy napięcie prądu przemiennego jednofazowego bądź wielofazowego.
Silnik S typu obrotowego przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną, rozwijając moment obrotowy przy określonej prędkości wirowania .
Silnik napędza maszynę roboczą MR poprzez układ sprzęgający SP. W układzie tym może być dodatkowo zastosowane przełożenie mechaniczne zmieniające prędkość i moment silnika na wartości odpowiednie dla maszyny roboczej.
Przedstawiony zespół elementów układu napędowego stanowi tor przekazywania energii elektrycznej i jej przemiany w energię mechaniczną (tor elektromechanicznego przetwarzania energii)
W układzie może zachodzić również przemiana odwrotna, gdy energia kinetyczna mas wirujących maszyny roboczej i silnika jest przekazywana do źródła energii E za pośrednictwem przekształtnika PE, np. podczas hamowania silnikiem elektrycznym.
Dla osiągnięcia tego celu powinny być spełnione dwa podstawowe warunki:
1. silnik musi przejść do pracy prądnicowej (maszyna elektryczna, jaką jest silnik zmienia charakter pracy z silnikowej na prądnicową),
2. przekształtnik PE, zasilany energią elektryczną uzyskiwaną z silnika, musi mieć możliwość pracy zwrotnej, tzn. możliwość przemiany i przekazania energii elektrycznej do źródła E.
Praca przekształtnika PE i w konsekwencji sterowanie napędem elektrycznym są uwarunkowane ingerencją sygnałów podawanych z układu sterowania US.
Z kolei układ sterowania otrzymuje sygnały sterujące z zadajnika Z oraz z układu pomiarowego UP. Zadajnik może być urządzeniem obsługiwanym bezpośrednio przez operatora albo przez urządzenie sterujące, nadrzędne.
Zadaniem układu pomiarowego jest wyznaczenie określonych przebiegów rzeczywistych występujących w systemie. Mogą być to napięcia i prądy, prędkości oraz momenty obrotowe silnika i maszyny roboczej, temperatura, położenia kątowe, itp.
Sygnały pomiarowe ulegają przekształceniom w układzie sterującym, określając stan pracy napędu, w wyniku czego US może podjąć decyzję dotyczącą odpowiedniej ingerencji w pracę przetwornika PE lub silnika S – np. zmiana kąta zapłonu tyrystorów prostownika sterowanego, zmiana rezystancji regulatora prądu wzbudzenia w silniku prądu stałego lub zabezpieczenie przeciążeniowe układu.
W prostszych układach napędowych rolę układu sterującego może pełnić człowiek kierujący się wskazaniami przyrządów pomiarowych. Jak łatwo zauważyć wysterowany przekształtnik PE wpływa na wartość mierzonych sygnałów, które z kolei poprzez US oddziałują na pracę przekształtnika, tworząc sprzężenia zwrotne.
Przedstawiona struktura wskazuje na ścisłą współzależność funkcjonalną wszystkich elementów układu napędowego.
Wszystkie rodzaje napędu można podzielić na dwie główne grupy:
Napędy zautomatyzowane.
W napędach zelektryfikowanych wszystkie zmiany w działaniu napędu wykonują urządzenia elektryczne które są wynikiem działania osób nadzorujących pracę napędu.
We właściwej chwili, gdy zachodzi potrzeba zmiany warunków pracy napędu, np. zwiększenia lub zmniejszenia prędkości obrotowej, obsługa napędu powinna wykonać pewne czynności, takie jak obrócenie pokrętła, zmiana położenia dźwigni, które wywołają w urządzeniu elektrycznym pożądaną zmianę.
Do napędów zautomatyzowanych należą napędy o automatycznym sterowaniu i automatycznej regulacji.
W napędach tych wszystkie zmiany w działaniu silnika elektrycznego dokonują się automatycznie, bez udziału obsługi. Niezbędna do tego celu „automatyka”, rozumiana jako zespół elementów, regulatorów czujników pomiarowych oraz wzmacniaczy, które wchodzą w skład elektrycznego układu napędowego.
1.2. Automatyczne sterowanie i automatyczna regulacja
Zautomatyzowany układ napędowy może być układem automatycznie sterowanym, automatycznie regulowanym, bądź też automatyczne regulacja i sterowanie mogą być zastosowane jednocześnie.
Układem automatycznie sterowanym jest układ napędowy, w którym wielkość sterująca jest zadawana z jakiegoś elementu –nadajnika.
Przykład stanowią tu układy sterowane według zadanego programu. Takie programowe sterowanie jest stosowane w obrabiarkach do metali.
Ponadto takie sterowanie programowe napędów elektrycznych można stosować również w napędzie walcarek hutniczych, w napędach chemicznych itp.
Praca układu, mającego tylko sterowanie automatyczne nie jest samoczynnie kontrolowana, czyli parametry takiego układu nie są w trakcie pracy korygowane samoczynnie.
Np. jeśli w czasie pracy ulegnie na przykład zmianie obciążenie, które pociągnie za sobą również zmianę prędkości obrotowej, to układ automatycznego sterowania nie zareaguje na tę zmianę i nie skoryguje prędkości.
Czynność tę może wykonać operator obsługujący urządzenie.
Układem regulowanym automatycznie jest układ, w którym w czasie pracy odbywa się samoczynna kontrola oraz regulacja bez udziału obsługi.
Układ regulacji automatycznej ma sprzężenia zwrotne, tzn. obwody za pomocą których na wejście do układu doprowadzany jest sygnał proporcjonalny do wielkości wyjściowych lub pośrednich.
W ten sposób układ podtrzymuje samoczynnie zadany program pracy.
Sprzężenia zwrotne w układach napędowych stosuje się w celu polepszenia charakterystyk statycznych i dynamicznych układu.
Sprzężenia te mogą być liniowe lub nieliniowe, dodatnie lub ujemne.
Na rysunku 1-2 podano przykładowo schemat elektromechanicznego układu regulacji automatycznej ze sprzężeniami zwrotnymi. Stanowi on przykład tzw. zamkniętego układu automatycznej regulacji, w którym parametry maszyny napędzanej oddziałują na początkowe człony wejściowe układu.
Rys. 1.2. Schemat ogólny układu automatycznej regulacji;
Pm – przekładnie mechaniczne,
M – silniki elektryczne,
W – wzmacniacze sumujące sygnał wejściowy i sygnał sprzężenia zwrotnego,
Au – urządzenie centralne automatycznej regulacji,
Sp – sprzężenie zwrotne
Praca układu napędowego będzie poprawna gdy spełniony zostanie szereg warunków. Warunki te są związane z pewnymi pojęciami podstawowymi.
Stanem ustalonym w pracy układu elektrycznego nazywamy taki stan, w którym prędkość obrotowa n i prędkość kątowa w zespołu, mierzone w dowolnym punkcie układu, mają wartości stałe, a zatem gdy ich pierwsze pochodne względem czasu t są równe zeru.
W przypadku, gdy powyższe równania nie są spełnione, mamy do czynienia ze stanami przejściowymi ( nieustalonymi ).
Stany przejściowe mamy przy rozruchu, hamowaniu i przechodzeniu z jednej prędkości obrotowej na drugą.
Moment obrotowy rozwijany przez silnik napędowy oznaczmy przez M, a moment obrotowy wymagany przez maszynę napędzaną przez Mm; moment ten będziemy nazywać momentem oporowym.
Moment oporowy będzie się składał z momentu obciążenia Mobc, tj. właściwego momentu użytkowego i z momentu Mf służącego do pokonania strat w przekładniach, łożyskach i strat na tarcie powietrza,
Jeżeli przyjmiemy, że do momentu Mm wlicza się moment na pokonanie strat w przekładni i strat mechanicznych w maszynie napędzanej, to gdy M=Mm napęd zachowuje równowagę dynamiczną, a więc pracuje w stanie ustalonym, tj. przy
dn/dt=0
Krzywą przebiegu momentu w zależności od prędkości obrotowej nazywać będziemy charakterystyką mechaniczną Chodzi tu zarówno o moment silnika M, jak i moment maszyny napędzanej Mm
M=f(n) i Mm=f(n)
Punkt p przecięcia się charakterystyk mechanicznych silnika elektrycznego i maszyny napędzanej jest punktem odpowiadającym pracy napędu w stanie ustalonym, tj. przy M=Mm (rys.1.3).
Rys. 1.3. Charakterystyki mechaniczne: a) napęd stateczny,
b) napęd niestateczny
Naruszenia równowagi, to wyprowadzenia napędu ze stanu ustalonego przez jakikolwiek czynnik zewnętrzny.
Przyjmijmy, że zakłócenie to nie ma wpływu na charakterystyki mechaniczne M=f(n) i Mm=f(n), czyli że przebieg ich pozostaje bez zmiany.
W takim przypadku wystąpią dwie możliwości dalszego zachowania się napędu:
1. Napęd wyprowadzony ze stanu ustalonego będzie dążyć samoczynnie do przywrócenia zachwianej równowagi. Napęd taki nazywamy statecznym (stabilnym).
· Jeżeli z jakichkolwiek powodów prędkość obrotowa napędu bez zmiany charakterystyk mechanicznych zwiększy się ponad wartość np, to okaże się, że moment maszyny napędzanej Mm się zwiększył, natomiast moment obrotowy silnika elektrycznego zmalał.
Wskutek tego powstanie pewna nadwyżka momentu oporowego i w rezultacie prędkość obrotowa zespołu zacznie maleć, aż osiągnie z powrotem wartość prędkości n odpowiadającą punktowi p, tj. punktowi pracy napędu w stanie ustalonym.
· Przeciwnie, gdyby prędkość obrotowa zespołu zmalała poniżej wartości np, to samoczynnie zwiększony moment silnika M>Mm spowoduje przyspieszenie zespołu, który osiągnie z powrotem prędkość obrotową np. W ten sposób napęd w punkcie p okazuje się stateczny.
2. Napęd raz wyprowadzony ze stanu ustalonego więcej do niego powrócić nie może. Napęd taki jest niestateczny (niestabilny).
W tym przypadku zakłócenie stanu ustalonego napędu pociąga za sobą oddalenie się punktu pracy zespołu od punktu p pracy w stanie ustalonym.
Warunek stateczności napędu możemy ująć matematycznie w następujące nierówności:
· napęd przy prędkości obrotowej n=np. jest stateczny gdy:
· napęd przy prędkości obrotowej n= np jest niestateczny gdy:
Zmiana prędkości kątowej silnika może nastąpić w wyniku zmiany momentów obciążenia lub napędowego. Zmiana prędkości kątowej wymuszona zmianą momentu wytwarzanego przez silnik nazywa się regulacją prędkości kątowej (obrotowej).
Regulację prędkości kątowej charakteryzują następujące pojęcia:
1. zakres i kierunek regulacji,
2. płynność regulacji,
3. ekonomiczność układu regulacyjnego ze względu na zużycie energii, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne,
4. stateczność pracy przy różnych prędkościach,
5. dopuszczalne obciążenie przy różnych prędkościach.
· Zakres regulacji związany jest ze stosunkiem prędkości maksymalnej do prędkości minimalnej, jakie można osiągnąć przy znamionowym prądzie i napięciu, zwykle określanych liczbowo
Np. w tokarkach do metalu zakres regulacji może się zawierać w granicach (20/120): 1, w wiertarkach pionowych (2/12):1, we frezarkach (20/30):1 itp. W przypadku gdy ze względów technologicznych wymagana jest prędkość napędu w obu kierunkach mówimy o napędzie nawrotnym.
· Kierunek regulacji zwiększenie lub zmniejszenie prędkości kątowej w stosunku do jej wartości znamionowej (odpowiednio regulacja w górę lub w dół)
· Płynność regulacji stosunek dwóch najbardziej zbliżonych do siebie, możliwych do uzyskania prędkości kątowych, jest ona tym większa im więcej jest stopni regulacji w danym zakresie
Płynność regulacji związana jest z rodzajem regulatora. Regulatory mogą podawać do układu sygnały zmieniające się skokowo lub płynnie.
W stanach nieustalonych jakość i czas przebiegu zmian parametrów związana jest z bezwładnością poszczególnych elementów w których występuje zmiana ilości zmagazynowanej energii.
Wielkością charakteryzującą bezwładność elementu, którą posługujemy się w analizie stanów nieustalonych jest stała czasowa obwodu.
damiano_80