pobieranie: ciąga napedy elektryczne
Pobierz dokument docPrzeglądaj wersję html pliku:
Wymaganie ogólne stawiane napędom obrabiarek
Źródłem energii napędowej w obrabiarkach są wyłącznie silniki
elektryczne,. a wśród nich najbardziej rozpowszechnione silniki
indukcyjne asynchroniczne. Zależnie od sposobu przetwarzania energii
elektrycznej doprowadzonej z sieci na pracę mechaniczną rozróżnia
się napęd elektryczny (ściślej elektromechaniczny), hydrauliczny,
pneumatyczny i hydropneumatyczny.
Szczególnymi wymaganiami stawianymi napędom obrabiarek są:
— duża sztywność charakterystyki mechanicznej, czyli mały spadek
prędkości obrotowej wału silnika przy wzroście momentu
obciążającego;
— szybki rozruch i możliwość szybkiej zmiany kierunku ruchu, co
-jest szczególnie ważne dla silników przeznaczonych do napędu
obrabiarek zautomatyzowanych;
— spokojna i bezdrganiowa praca silnika;
— małe wymiary gabarytowe.
Silniki elektryczne
Do doboru silnika elektryczne powinniśmy wiedzieć;
znać koszt, jaki jest rodzaj zasilania, wymagania stawiane co do
układu sterowania, gabaryty masę, sposób mocowania, stopień ochrony.
Ze względu na tryb pracy; ciągła (przez długi okres czasu), okresowe
(dużą pracę), dorywczą (w jak dużym stopniu można go obciążyć).
Koszt silnika w zdecydowanym stopniu zależy od jego złożoności, co z
tym się wiąże łatwość amortyzowania takiego silnika.
Rodzaj zasilania; prąd stały, prąd przemienny.
Rodzaje obudowy silnika:
otwarta (cały silnik jest łączony w jedną całość), półotwarta ,
kryta (dla otworów chroniące np. deszcz, woda), chroniona, okapturzona
(wykonane są otwory do wymiany ciepła), zamknięta (powietrze
dostarczane przez specjalny otwór), przeciwwybuchowa (zastosowana w
kopalniach).
W obrabiarkach stosuje się najczęściej obudowy krytą lub
okapturzoną.
Sposoby chłodzenia silnika; naturalne (silnik wywołuje opór
powietrza), własne (na wale zamocowany jest wentylator), przewietrzanie
obce, chłodzenie zewnętrzne np. woda.
W obrabiarkach najczęściej stosuje się chłodzenie własne.
Podział ze względu na sposób zamocowania;
na łapach (oś silnika jest równoległa do płaszczyzny mocowania),
kołnierzowa ( oś silnika jest prostopadła do płaszczyzny
mocowania).
Parametry silnika; moc silnika, liczba obrotów na minutę, moment
obrotowy, sprawność, przeciążalność.
Charakterystyka mechaniczna
M = f(n)
n = f(n)
dla tego silnika mamy niewielką zmianę prędkości.
(M – zmiana momentu,
Mn – moment nominalny, nn – prędkość nominalna, (M = Mn dla
posuwów s = 10
Stabilność pracy silnika
Msil > Mobc to następuje wzrost momentu silnika jak również
wzrost prędkości obrotowej.
Występuje w silnikach możliwość ich czasowego przeciążenia bez
żadnej szkody.
Moc silnika elektrycznego.
W trakcie jego pracy występują takie zjawiska jak;
- straty powstałe w żelazie nie wpływające na moc, ciepło na
wskutek tarcia.
Sprawność silnika
Sprawność mieści się w granicach 80%.
Współczynnik mocy cos(
( - wartość strumienia
Silnik asynchroniczny.
Silniki indukcyjne asynchroniczne trójfazowe
Najważniejszymi zaletami silników asynchronicznych są: sztywna
charakterystyka mechaniczna, stateczność pracy, czyli samoczynne
dostosowanie się silnika (poboru prądu z sieci) do zmian obciążenia,
prosty układ sterowania (załączanie do sieci i wyłączanie), prosta
konstrukcja, duża niezawodność i mały koszt.
W obrabiarkach najczęściej są stosowane silniki asynchroniczne
trójfazowe z wirnikiem zwartym, w obudowie zamkniętej na łapach i
kołnierzowe. Obudowa obejmuje stojan i wirnik tak, że wnętrze silnika
jest zamknięte dla przepływu powietrza. Silnik jest chłodzony
powietrzem opływającym obudowę od zewnątrz, tłoczonym przez
wentylator łopatkowy osadzony na wale.
Wielkościami charakterystycznymi silników asynchronicznych są:
W silnikach tego typu 2% tracimy na prędkości obrotowej.
- moc znamionowa Nn i moment obrotowy znamionowy Mn,, którymi silnik
może być obciążony przez czas nieograniczenie długi bez obawy
wzrostu temperatury uzwojeń ponad wartość dopuszczalną ((DOP=
=100°C);
—moment rozruchowy Mr, którego wartość zależnie od konstrukcji i
mocy silnika zawiera się w granicach (1,6—2)Mn;
—sprawność (s, wyrażająca się stosunkiem mocy efektywnej
oddawanej na wale silnika Ns, (nazywanej mocą silnika) do mocy
elektrycznej Nel pobieranej z sieci
U – napięcie międzyprzewodowe [V], I - prąd przewodowy [A], cos(
- współczynnik mocy [%].
— moment bezwładności wirnika (s, podawany w katalogach w postaci
iloczynu mD2,
gdzie: m — masa wirnika, D — umowna średnica, zwana średnicą
bezwładności;
moment bezwładności oblicza się ze wzoru
Charakterystyka mechaniczna tego silnika.
Mn – moment znamionowy jest on określony na tabliczce znamionowej
określony dla długotrwałej jego pracy. Powyżej Mn silnik zacznie
się grzać powodując zniszczenie izolacji, szybsze zestarzenie się,
należy wypromieniować ciepło z obracanych prętów. moment Mk —
momentem krytycznym. Jeżeli moment obciążenia na wale silnika
przekroczy wartość momentu Mk, silnik zatrzyma się.
Przy załączaniu silnika do sieci trójfazowej, przy połączeniu
uzwojeń stojana w trójkąt, prąd rozruchowy Ir=(5—7)In, gdzie In,
oznacza prąd znamionowy. Przez zastosowanie przełącznika rozruchowego
gwiazda—trójkąt prąd rozruchowy można zmniejszyć trzykrotnie, co
jednak pociąga za sobą również trzykrotny spadek momentu
rozruchowego
Silniki asynchroniczne są nawrotne. Zmianę kierunku obrotów wirnika
uzyskuje się za pomocą stycznika elektromagnetycznego, powodującego
przełączenie dwóch faz uzwojenia stojana.
- prąd odprowadzająca ciepło.
Prąd czynny wirnika;
Zjawisko poślizgu s
Dla określenia max momentu.
- nie zależy od oporności wirnika, związana z regulacją prędkości
obrotowych..
Oprócz silników asynchronicznych występują również silniki
synchroniczne, które potrzebują dodatkowego rozruchu. Silniki
komutatorowe zasilane prądem zmiennym trójfazowym. Silniki te
umożliwiają bezstopniową zmianę prędkości obrotowej w zakresie
100—4000 obr/min. Zmianę prędkości obrotowej uzyskuje się przez
rozsuwanie szczotek na komutatorze. Ze względu na iskrzenie szczotek
silniki komutatorowe budowane są najczęściej o mocy do 5 kW,
wyjątkowo do 10 kW.
Można tak skonstruować silnik, że w żłobku głęboko wewnątrz
umieści się przewodnik miedziany w jednej fazie. Prąd płynie górną
częścią to w skutek oddziaływania pola ten prąd wysyłany na
zewnątrz poprzez pole magnetyczne nie płynie całym przekrojem.
Silnik o głęboko żłobionych – prąd płynie na całym przekroju,
dzięki temu uzyskujemy podwyższony moment rozruchowy a spada prąd
rozruchu.
Duże silniki
Do ich rozruchu stosuje kolosalną wartość prądu (5..7)In- prądu
nominalnego. Są one łączone w trójkę lub gwiazdę. Dzięki ich
własnościom są one wykorzystane w następujący sposób; w momencie
jego rozruchu jest on połączony w gwiazdę a w czasie pracy jest on
połączony w trójkąt. Dla prądu zmiennego można zmieniać
częstotliwość lub zmieniać liczbę par biegunów. W silniku
występują trzy pary biegunów.
Hamowanie układów.
Odbywa się w następujący sposób: silnik odłączamy od sieci i
następuje załączenie do prądu stałego, wirnik z klatką wiruje w
dwóch uzwojeniach oddziałuje razem z polem i tak powstaje siła
hamowania.
Hamowanie silników asynchronicznych zwartych. Hamowanie takie może
się odbywać:
a) przeciwprądem, przez przełączenie dwóch, faz uzwojenia stojana;
żeby nie nastąpiła zmiana kierunku obrotów wirnika, silniki
przewidziane do hamowania tym sposobem powinny być wyposażone w
osadzony na wale przekaźnik prędkościowy, który odcina automatycznie
dopływ prądu, zanim wirnik się zatrzyma;
b) prądem stałym (tzw. hamowanie dynamiczne), polegające na
odłączeniu silnika od sieci trójfazowej i włączeniu uzwojenia
stojana lub tylko jednej jego fazy w obwód prądu stałego; hamowanie
prądem stałym jest znacznie łagodniejsze niż hamowanie
przeciwprądem, stąd czas hamowania (zależny od wartości prądu
hamowania) jest dłuższy, ale nagrzewanie silnika mniejsze (straty
cieplne równe w przybliżeniu stratom przy rozruchu);
c) mechanicznie za pomocą wbudowanego w silnik hamulca stożkowego lub
wielopłytkowego, włączanego samoczynnie po odłączeniu silnika od
sieci; są to tzw. silniki hamulcowe.
Hamowanie dynamiczne.
Można również zmieniać częstotliwość do 0 n=60f/p
Silniki prądu stałego.
W silnikach tego typu występują komutatory – nowe przewody do
zasilania.
Istotną zaletą silników prądu stałego jest możność
bezstopniowej prędkości obrotowej. W napędach obrabiarek stosuje się
wyłącznie silniki prądu stałego obcowzbudne (niezależne zasilanie
napięciem obwodu wzbudzenia).
gdzie Rt, oznacza rezystancję (oporność)
twornika łącznie z rezystancją regulacyjną. Korzystając ze znanych
zależności
gdzie: ( — strumień magnetyczny wytwarzany przez uzwojenie
wzbudzenia, M —moment rozwijany na wale silnika, kE, kM —
współczynniki proporcjonalności zależne od konstrukcji silnika,
otrzymujemy wzór na prędkość obrotową silnika
albo po wprowadzeniu oznaczeń
Wynika, że n =no, gdy M = O, a więc w silniku bocznikowym prądu
stałego prędkość obrotowa no (praktycznie przy jałowym ruchu
silnika) jest odpowiednikiem synchronicznej prędkości obrotowej
silnika indukcyjnego asynchronicznego. Współczynnik b jest
współczynnikiem kierunkowym prostej n=f(M). Im wartość b będzie
mniejsza, tym charakterystyka mechaniczna silnika będzie sztywniejsza.
prędkość obrotową silnika bocznikowego można zmienić dwoma
sposobami:
a) przez zmianę napięcia zasilania U przy ustalonym strumieniu
magnetycznym wzbudzenia (= const,
b) przez zmianę za pomocą rezystora (opornika) Rw, strumienia
wzbudzenia ( przy stałym napięciu U= Un= const, przy czym Un= Umax
W pierwszym przypadku trzeba rozporządzać źródłem prądu stałego o
regulowanym napięciu U, które można jedynie zmniejszać w stosunku do
napięcia znamionowego Un. Rezystancji twornika nie zmienia się, a
zatem, b = const. Zmniejszając napięcie U obniża się prędkość
obrotową, co na wykresie uwidacznia szereg prostych przesuniętych
równolegle. Jeżeli przyjąć, że w całym zakresie zmian prędkości
obrotowej od nn, do nmin, można dopuścić takie samo obciążenie
prądowe twornika It, że w całym tym zakresie moment obrotowy M =
const. Dlatego regulację prędkości obrotowej silnika napięciem
twornika nazywa się regulacją przy stałym momencie.
W przypadku drugim zmniejszenie strumienia ( powoduje wzrost prędkości
obrotowej, przy równoczesnym zmiękczeniu charakterystyki (wzrasta
współczynnik kierunkowy b). Przy tym w zakresie prędkości obrotowych
od nn„ do nmax
Stąd widać, że regulacja prędkości obrotowej zmianą pola
magnetycznego jest regulacją przy stałej mocy.
Charakterystyka mechaniczna.
gdy wzrasta moment obciążenia to spada n i no.
Można również regulować (.
Ograniczenia w zastosowaniu silnika prądu stałego.
Górne ograniczenie dla silnika wyżej nastapi jego rozpad ze względów
wytrzymałościowych.
Ograniczenie prądowe to prąd stały z układu prostownikowe i potrzeba
regulacji napięcia (z terystorem).
Rozmagnesowanie istnieje obawa iż pole od twornika może być tak
silne że odmagnesuje magnesy trwałe
- stopy żelaza z dodatkiem Al., Ni, Co nie są one zbyt dobre
występują w starych głośnikach. Wadą 120-150% nie jest już
magnesem następuje jego rozmagnesowanie.
Hamowanie silników prądu stałego można uzyskać:
przeciwprądem, czyli przez zmianę kierunku przepływu prądu przez
twornik, przez zamknięcie obwodu twornika przy pełnym wzbudzeniu
(hamowanie dynamiczne).
Charakterystyka dynamiczna silnika.
W silniku wytwarza się SEM.
Spadek bilansu napięcia.
Mierzymy Jt, (
Każdy przewód posiada indukcyjność, dlatego odpowiedź skokowa ni
jest idealna. I z tego powodu wystepują dwie stałe czasowe TE i TM.
Np. dla toczenia gdy nóż zetknie się z PO
Silniki prądu stałego z magnesami trwałymi. W odróżnieniu od
omówionych poprzednio silników prądu stałego ze wzbudzeniem
elektromagnetycznym, silniki z magnesami trwałymi mają stojan wykonany
z segmentów magnetycznych, wytwarzających stały strumień magnetyczny
(( = const). Są to więc silniki o charakterystyce stałego momentu. Z
tego powodu są one przydatne szczególnie do napędu posuwów z
bezstopniową zmianą prędkości. silnik przeznaczony do napędu
posuwów obrabiarek sterowanych numerycznie, zawierający dodatkowo
prądnicę tachometryczną, która wytwarza sygnał napięciowy
proporcjonalny do prędkości obrotowej wirnika, oraz transformator
położenia kątowego, zwany resolwerem, połączony za pośrednictwem
bezluzowej przekładni zębatej z wałem wirnika. Resolwer spełnia
rolę czujnika pomiarowego, wysyłającego sygnały informujące o
chwilowym położeniu stołu w granicach przemieszczeń odpowiadających
jednemu obrotowi śruby pociągowej. Silniki prądu stałego z magnesami
trwałymi mogą rozwijać w czasie rozruchu i hamowania krótkotrwałe
momenty 10—15 razy większe od momentu znamionowego. Przy dostatecznie
wytrzymałej izolacji uzwojeń dopuszczanie jest obciążenie silnika
momentem 3-krotnie większym od znamionowego przez okres do 30 minut
(Mdop = 3 M’n).
Maksymalna prędkość obrotowa silnika dochodzi do 3000 obr/min. W
układach ze sprzężeniem zwrotnym położeniowym wirnik silnika może
się zatrzymać (n = 0). Znamionową prędkość obrotową silnika nn,
przyjmuje się umownie dla obciążenia momentem znamionowym przy
napięciu zasilania Un=0,75Umax.
Serwomechanizm.
Serwomechanizmy jest to układ nadążny, w której możemy regulować
na charakterystykę przesunięcia mechanicznego.
Zawór reguluje dopływ energii do tego silnika.
Serwomechanizm działa tylko gdy w układzie występuje błąd.
Typy serwomechanizmów.
- ciągłe – sygnały analogowe np. w obrabiarce sterowanej analogowo.
- przekażnikowe – występuje co najmniej jeden sygnał (() podlega
skokowym zmianie skokowym co do wartości. Np. anteny satelitarne –
satelita w ciagu doby wykonuje niewielkie ruchy. Dobre anteny powinny
być wprost naprowadzane.
- kwantowe impulsowe – dodać skokową wielkość może przyjmować z
góry zadane wielkości.
Zadania serwomechanizmów.
- przestawienia i śledzenia.
Przestawienia polega na osiągnięciu żądanej wartości w jak
najkrótszym czasie.
Powinna być określona granica błędu ponieważ nie dojdziemy do celu.
Jest to model wyidealizowany bo w praktyce wystepuje tarcie i może się
zdarzyć wahania wartości oczekiwanej.
Śledzenia w każdej chwili układ powinien dążyć do uzyskania
wartości zadanej.
Po obróbce pow. stożkowej.
Gdy kVx= kVy to wejdzie na prostą.
Sterowanie.
Występują następujące typy sterowania: punktowe, odcinkowe,
kształtowe.
Sterowanie odcinkowe – wzdłuż lub wokół osi przy wyłączonych
innych.
Aby błąd był mały to kV należy zwiększyć lub małą prędkość.
KV – współczynnik serwomechanizmu może on sięgać do 800 to błąd
( jest 40 razy lepszy.
Na własności serwomech ma moment tarcia.
Przy ruchu po okręgu istnieje błąd spowodowany kV.
Po przekroczeniu dopuszczalnej wartości błędu fragmenty łuku nie
przypominają okręgu.
Zmiana prędkości w czasie.
Początkowe stadium na wykresie przedstawia kryterium całkowe.
Dla dużych okresów czasu wystąpi niewielki błąd, natomiast dla
czasów bliskich zera błąd będzie kolosalny, ponieważ w niektórych
układach nie można dać skoku jednostkowego. Wystąpi określona
wartość przyśpieszenia.
Silniki prądu stałego z układem zasilania tyrystorowego.
Tyrystor to sterowana dioda. W układach tyrystorowych występuje długi
czas martwy.
Poprzez napięcie można regulować prędkość obrotową.
Dla silnika wolno obrotowego czas martwy 7,6 milisekundy dla prądu
3-fazowego.
Układy tyrystorowe nie stosujemy w układach serwomechanizmowych.
Schemat układu sterowania z silnikiem prądu stałego.
Nn – błąd prędkości,
RB – opór bocznika,
Pt – prądniczka tachometryczna.
Układ tyrystorowy.
Układy tyrystorowe zapewniają uzyskanie prędkości obrotowych
zmienianych bezstopniowo w szerokim zakresie (100 i więcej) ,przy czym
zakres regulacji prędkości przy stałej mocy RN < 4. Elementy
zasilające i sterujące układem umieszcza się w szafie ustawionej
obok obrabiarki. W układzie tym występują dwie sekcje uzwojenia
wtórnego. Gwałtowny skok objawia się zmianą światła co jest
niedobre dla sieci.
W układzie tym występują dwa zestawy tyrystorów do regulacji
obrotów:
- w lewo,
- w prawo,
Na początku tego układu.
- występują dwa sygnały do wzmacniacza operacyjnego (mogą mieć
wzmocnienie kilku set tysiecy razy pod warunkiem gdy nie wystąpi ujemne
sprzężenie zwrotne.
Przy wystąpieniu małych częstotliwości układ zachowuje się jak
gdyby nie było w nim kondensatora. Dla dużych częstotliwości
kondensator ma niewielka oporność.
Filtr dolno przepustowy.
Wzmacniacz pełni rolę węzła sumacyjnego.
Układ który pada impulsy do tyrystora.
Gdy suma napięć będzie równa zero to stan wyjścia następuje
skokowa zmiana napięcia sterująca tranzystorem.
Sprzężenie zwrotne decyduje o wzmocnieniu wzmacniacza.
Gdy na wejściu damy minus to napięcie na wzmacniaczu będzie małe.
Gdy dany plus to na wzmacniaczu jest wysokie i nastąpi jego skok.
Wytworzony ujemny impuls powodujący przepływ na tyrystor to już on
zaczyna działać.
Układ ten jest układem analogowym.
Silniki skokowe (krokowe).
Stosowane są w układach otwartych nie zmienia się sposobu sterowania
i gdy występują małe zakłócenia można je stosować,
Ograniczenia w zast. Daja małe momenty obrotowe. Silnik krokowy.
Ilość impulsów to kroki nie musi wystąpić sprzężenie zwrotne. np.
promień laserowe – odtwarzacz CD między ścieżkami 1 mikrometr.,
drukarka.
Silniki krokowe. Silniki krokowe są to silniki prądu stałego
specjalnej konstrukcji, Sterowane elektrycznymi impulsami napięcia.
Każdy doprowadzony impuls napięcia powoduje obrócenie się wirnika o
określony stały kąt, a całkowite przemieszczenie kątowe jest
proporcjonalne do liczby doprowadzonych impulsów. Zastosowanie —
głównie w obrabiarkach ze sterowaniem numerycznym do napędu stołów,
suportów i innych zespołów przy niewielkich oporach ruchu.
Interpolator cyfrowy jest podstawowym zespołem układu sterowania
ciągłego. Steruje on układ napędowy obrabiarki w ten sposób, aby
narzędzie przemieszczało się względem obrabianego przedmiotu
wzdłuż określonej programem krzywej algebraicznej, która może być
linią prostą, łuk koła, a w niektórych wypadkach parabola. Praca
interpolatora polega na numerycznym generowaniu ciągu impulsów,
których częstotliwość zmienia się odpowiednio do kształtu krzywej.
Generowany przez interpolator ciąg impulsów doprowadzony jest do
zespołu bezpośredniego sterowania napędu. Jeden impuls z
interpolatora powoduje przesunięcie sań obrabiarki o wielkość
odpowiadającą przyjętej działce elementarnej np. 1(m. Sanie wraz z
narzędziem poruszają się w sposób skokowy w dwóch albo trzech
prostopadłych kierunkach, zakreślając względem przedmiotu krzywą
schodkową, odpowiadającą zarysowi przedmiotu obrabianego.
Interpolator nazwać można generatorem funkcji schodkowej,
aproksymującej funkcję, opisującą żądany tor narzędzia.
Interpolator cyfrowy są to urządzenia wykonujące przybliżone
całkowanie.
W obrabiarkach stosuje się interpolatory typu liniowego,
kołowo-liniowe kołowo-paraboliczno-liniowe.
Selsyny. Selsyny są to małe silniki asynchroniczne jednofazowe
służące do przekazywania na odległość przemieszczeń kątowych.
Podobnie jak wał elektryczny, układ składa się z dwóch selsynów
— nadajnika i odbiornika, których pierścieniowe wirniki są
połączone przewodami w gwiazdę, a uzwojenia stojanów przyłączone
do sieci jednofazowej. Jeżeli wirnik nadajnika obróci się o pewien
kąt, to o taki sam kąt obróci się również wirnik odbiornika. Ze
względu na niewielką moc (do 400 W) selsyny są stosowane wyłącznie
w układach pomiarowych i sterujących, np. do obracania tarcz
odczytowych wskazujących przemieszczenia zespołów obrabiarki
położonych zdala od miejsca obsługi.
ciąga napedy elektryczne
Wymaganie ogólne stawiane napędom obrabiarek
Źródłem energii napędowej w obrabiarkach są wyłącznie silniki
elektryczne,. a wśród nich najbardziej rozpowszechnione silniki
indukcyjne asynchroniczne. Zależnie od sposobu przetwarzania energii
elektrycznej doprowadzonej z sieci na pracę mechaniczną rozróżnia
się napęd elektryczny (ściślej elektromechaniczny), hydrauliczny,
pneumatyczny i hydropneumatyczny.
Szczególnymi wymaganiami stawianymi napędom obrabiarek są:
— duża sztywność charakterystyki mechanicznej, czyli mały spadek
prędkości obrotowej wału silnika przy wzroście momentu
obciążającego;
— szybki rozruch i możliwość szybkiej zmiany kierunku ruchu, co
-jest szczególnie ważne dla silników przeznaczonych do napędu
obrabiarek zautomatyzowanych;
— spokojna i bezdrganiowa praca silnika;
— małe wymiary gabarytowe.
Silniki elektryczne
Do doboru silnika elektryczne powinniśmy wiedzieć;
znać koszt, jaki jest rodzaj zasilania, wymagania stawiane co do
układu sterowania, gabaryty masę, sposób mocowania, stopień ochrony.
Ze względu na tryb pracy; ciągła (przez długi okres czasu), okresowe
(dużą pracę), dorywczą (w jak dużym stopniu można go obciążyć).
Koszt silnika w zdecydowanym stopniu zależy od jego złożoności, co z
tym się wiąże łatwość amortyzowania takiego silnika.
Rodzaj zasilania; prąd stały, prąd przemienny.
Rodzaje obudowy silnika:
otwarta (cały silnik jest łączony w jedną całość), półotwarta ,
kryta (dla otworów chroniące np. deszcz, woda), chroniona, okapturzona
(wykonane są otwory do wymiany ciepła), zamknięta (powietrze
dostarczane przez specjalny otwór), przeciwwybuchowa (zastosowana w
kopalniach).
W obrabiarkach stosuje się najczęściej obudowy krytą lub
okapturzoną.
Sposoby chłodzenia silnika; naturalne (silnik wywołuje opór
powietrza), własne (na wale zamocowany jest wentylator), przewietrzanie
obce, chłodzenie zewnętrzne np. woda.
W obrabiarkach najczęściej stosuje się chłodzenie własne.
Podział ze względu na sposób zamocowania;
na łapach (oś silnika jest równoległa do płaszczyzny mocowania),
kołnierzowa ( oś silnika jest prostopadła do płaszczyzny
mocowania).
Parametry silnika; moc silnika, liczba obrotów na minutę, moment
obrotowy, sprawność, przeciążalność.
Charakterystyka mechaniczna
M = f(n)
n = f(n)
dla tego silnika mamy niewielką zmianę prędkości.
(M – zmiana momentu,
Mn – moment nominalny, nn – prędkość nominalna, (M = Mn dla
posuwów s = 10
Stabilność pracy silnika
Msil > Mobc to następuje wzrost momentu silnika jak również
wzrost prędkości obrotowej.
Występuje w silnikach możliwość ich czasowego przeciążenia bez
żadnej szkody.
Moc silnika elektrycznego.
W trakcie jego pracy występują takie zjawiska jak;
- straty powstałe w żelazie nie wpływające na moc, ciepło na
wskutek tarcia.
Sprawność silnika
Sprawność mieści się w granicach 80%.
Współczynnik mocy cos(
( - wartość strumienia
Silnik asynchroniczny.
Silniki indukcyjne asynchroniczne trójfazowe
Najważniejszymi zaletami silników asynchronicznych są: sztywna
charakterystyka mechaniczna, stateczność pracy, czyli samoczynne
dostosowanie się silnika (poboru prądu z sieci) do zmian obciążenia,
prosty układ sterowania (załączanie do sieci i wyłączanie), prosta
konstrukcja, duża niezawodność i mały koszt.
W obrabiarkach najczęściej są stosowane silniki asynchroniczne
trójfazowe z wirnikiem zwartym, w obudowie zamkniętej na łapach i
kołnierzowe. Obudowa obejmuje stojan i wirnik tak, że wnętrze silnika
jest zamknięte dla przepływu powietrza. Silnik jest chłodzony
powietrzem opływającym obudowę od zewnątrz, tłoczonym przez
wentylator łopatkowy osadzony na wale.
Wielkościami charakterystycznymi silników asynchronicznych są:
W silnikach tego typu 2% tracimy na prędkości obrotowej.
- moc znamionowa Nn i moment obrotowy znamionowy Mn,, którymi silnik
może być obciążony przez czas nieograniczenie długi bez obawy
wzrostu temperatury uzwojeń ponad wartość dopuszczalną ((DOP=
=100°C);
—moment rozruchowy Mr, którego wartość zależnie od konstrukcji i
mocy silnika zawiera się w granicach (1,6—2)Mn;
—sprawność (s, wyrażająca się stosunkiem mocy efektywnej
oddawanej na wale silnika Ns, (nazywanej mocą silnika) do mocy
elektrycznej Nel pobieranej z sieci
U – napięcie międzyprzewodowe [V], I - prąd przewodowy [A], cos(
- współczynnik mocy [%].
— moment bezwładności wirnika (s, podawany w katalogach w postaci
iloczynu mD2,
gdzie: m — masa wirnika, D — umowna średnica, zwana średnicą
bezwładności;
moment bezwładności oblicza się ze wzoru
Charakterystyka mechaniczna tego silnika.
Mn – moment znamionowy jest on określony na tabliczce znamionowej
określony dla długotrwałej jego pracy. Powyżej Mn silnik zacznie
się grzać powodując zniszczenie izolacji, szybsze zestarzenie się,
należy wypromieniować ciepło z obracanych prętów. moment Mk —
momentem krytycznym. Jeżeli moment obciążenia na wale silnika
przekroczy wartość momentu Mk, silnik zatrzyma się.
Przy załączaniu silnika do sieci trójfazowej, przy połączeniu
uzwojeń stojana w trójkąt, prąd rozruchowy Ir=(5—7)In, gdzie In,
oznacza prąd znamionowy. Przez zastosowanie przełącznika rozruchowego
gwiazda—trójkąt prąd rozruchowy można zmniejszyć trzykrotnie, co
jednak pociąga za sobą również trzykrotny spadek momentu
rozruchowego
Silniki asynchroniczne są nawrotne. Zmianę kierunku obrotów wirnika
uzyskuje się za pomocą stycznika elektromagnetycznego, powodującego
przełączenie dwóch faz uzwojenia stojana.
- prąd odprowadzająca ciepło.
Prąd czynny wirnika;
Zjawisko poślizgu s
Dla określenia max momentu.
- nie zależy od oporności wirnika, związana z regulacją prędkości
obrotowych..
Oprócz silników asynchronicznych występują również silniki
synchroniczne, które potrzebują dodatkowego rozruchu. Silniki
komutatorowe zasilane prądem zmiennym trójfazowym. Silniki te
umożliwiają bezstopniową zmianę prędkości obrotowej w zakresie
100—4000 obr/min. Zmianę prędkości obrotowej uzyskuje się przez
rozsuwanie szczotek na komutatorze. Ze względu na iskrzenie szczotek
silniki komutatorowe budowane są najczęściej o mocy do 5 kW,
wyjątkowo do 10 kW.
Można tak skonstruować silnik, że w żłobku głęboko wewnątrz
umieści się przewodnik miedziany w jednej fazie. Prąd płynie górną
częścią to w skutek oddziaływania pola ten prąd wysyłany na
zewnątrz poprzez pole magnetyczne nie płynie całym przekrojem.
Silnik o głęboko żłobionych – prąd płynie na całym przekroju,
dzięki temu uzyskujemy podwyższony moment rozruchowy a spada prąd
rozruchu.
Duże silniki
Do ich rozruchu stosuje kolosalną wartość prądu (5..7)In- prądu
nominalnego. Są one łączone w trójkę lub gwiazdę. Dzięki ich
własnościom są one wykorzystane w następujący sposób; w momencie
jego rozruchu jest on połączony w gwiazdę a w czasie pracy jest on
połączony w trójkąt. Dla prądu zmiennego można zmieniać
częstotliwość lub zmieniać liczbę par biegunów. W silniku
występują trzy pary biegunów.
Hamowanie układów.
Odbywa się w następujący sposób: silnik odłączamy od sieci i
następuje załączenie do prądu stałego, wirnik z klatką wiruje w
dwóch uzwojeniach oddziałuje razem z polem i tak powstaje siła
hamowania.
Hamowanie silników asynchronicznych zwartych. Hamowanie takie może
się odbywać:
a) przeciwprądem, przez przełączenie dwóch, faz uzwojenia stojana;
żeby nie nastąpiła zmiana kierunku obrotów wirnika, silniki
przewidziane do hamowania tym sposobem powinny być wyposażone w
osadzony na wale przekaźnik prędkościowy, który odcina automatycznie
dopływ prądu, zanim wirnik się zatrzyma;
b) prądem stałym (tzw. hamowanie dynamiczne), polegające na
odłączeniu silnika od sieci trójfazowej i włączeniu uzwojenia
stojana lub tylko jednej jego fazy w obwód prądu stałego; hamowanie
prądem stałym jest znacznie łagodniejsze niż hamowanie
przeciwprądem, stąd czas hamowania (zależny od wartości prądu
hamowania) jest dłuższy, ale nagrzewanie silnika mniejsze (straty
cieplne równe w przybliżeniu stratom przy rozruchu);
c) mechanicznie za pomocą wbudowanego w silnik hamulca stożkowego lub
wielopłytkowego, włączanego samoczynnie po odłączeniu silnika od
sieci; są to tzw. silniki hamulcowe.
Hamowanie dynamiczne.
Można również zmieniać częstotliwość do 0 n=60f/p
Silniki prądu stałego.
W silnikach tego typu występują komutatory – nowe przewody do
zasilania.
Istotną zaletą silników prądu stałego jest możność
bezstopniowej prędkości obrotowej. W napędach obrabiarek stosuje się
wyłącznie silniki prądu stałego obcowzbudne (niezależne zasilanie
napięciem obwodu wzbudzenia).
gdzie Rt, oznacza rezystancję (oporność)
twornika łącznie z rezystancją regulacyjną. Korzystając ze znanych
zależności
gdzie: ( — strumień magnetyczny wytwarzany przez uzwojenie
wzbudzenia, M —moment rozwijany na wale silnika, kE, kM —
współczynniki proporcjonalności zależne od konstrukcji silnika,
otrzymujemy wzór na prędkość obrotową silnika
albo po wprowadzeniu oznaczeń
Wynika, że n =no, gdy M = O, a więc w silniku bocznikowym prądu
stałego prędkość obrotowa no (praktycznie przy jałowym ruchu
silnika) jest odpowiednikiem synchronicznej prędkości obrotowej
silnika indukcyjnego asynchronicznego. Współczynnik b jest
współczynnikiem kierunkowym prostej n=f(M). Im wartość b będzie
mniejsza, tym charakterystyka mechaniczna silnika będzie sztywniejsza.
prędkość obrotową silnika bocznikowego można zmienić dwoma
sposobami:
a) przez zmianę napięcia zasilania U przy ustalonym strumieniu
magnetycznym wzbudzenia (= const,
b) przez zmianę za pomocą rezystora (opornika) Rw, strumienia
wzbudzenia ( przy stałym napięciu U= Un= const, przy czym Un= Umax
W pierwszym przypadku trzeba rozporządzać źródłem prądu stałego o
regulowanym napięciu U, które można jedynie zmniejszać w stosunku do
napięcia znamionowego Un. Rezystancji twornika nie zmienia się, a
zatem, b = const. Zmniejszając napięcie U obniża się prędkość
obrotową, co na wykresie uwidacznia szereg prostych przesuniętych
równolegle. Jeżeli przyjąć, że w całym zakresie zmian prędkości
obrotowej od nn, do nmin, można dopuścić takie samo obciążenie
prądowe twornika It, że w całym tym zakresie moment obrotowy M =
const. Dlatego regulację prędkości obrotowej silnika napięciem
twornika nazywa się regulacją przy stałym momencie.
W przypadku drugim zmniejszenie strumienia ( powoduje wzrost prędkości
obrotowej, przy równoczesnym zmiękczeniu charakterystyki (wzrasta
współczynnik kierunkowy b). Przy tym w zakresie prędkości obrotowych
od nn„ do nmax
Stąd widać, że regulacja prędkości obrotowej zmianą pola
magnetycznego jest regulacją przy stałej mocy.
Charakterystyka mechaniczna.
gdy wzrasta moment obciążenia to spada n i no.
Można również regulować (.
Ograniczenia w zastosowaniu silnika prądu stałego.
Górne ograniczenie dla silnika wyżej nastapi jego rozpad ze względów
wytrzymałościowych.
Ograniczenie prądowe to prąd stały z układu prostownikowe i potrzeba
regulacji napięcia (z terystorem).
Rozmagnesowanie istnieje obawa iż pole od twornika może być tak
silne że odmagnesuje magnesy trwałe
- stopy żelaza z dodatkiem Al., Ni, Co nie są one zbyt dobre
występują w starych głośnikach. Wadą 120-150% nie jest już
magnesem następuje jego rozmagnesowanie.
Hamowanie silników prądu stałego można uzyskać:
przeciwprądem, czyli przez zmianę kierunku przepływu prądu przez
twornik, przez zamknięcie obwodu twornika przy pełnym wzbudzeniu
(hamowanie dynamiczne).
Charakterystyka dynamiczna silnika.
W silniku wytwarza się SEM.
Spadek bilansu napięcia.
Mierzymy Jt, (
Każdy przewód posiada indukcyjność, dlatego odpowiedź skokowa ni
jest idealna. I z tego powodu wystepują dwie stałe czasowe TE i TM.
Np. dla toczenia gdy nóż zetknie się z PO
Silniki prądu stałego z magnesami trwałymi. W odróżnieniu od
omówionych poprzednio silników prądu stałego ze wzbudzeniem
elektromagnetycznym, silniki z magnesami trwałymi mają stojan wykonany
z segmentów magnetycznych, wytwarzających stały strumień magnetyczny
(( = const). Są to więc silniki o charakterystyce stałego momentu. Z
tego powodu są one przydatne szczególnie do napędu posuwów z
bezstopniową zmianą prędkości. silnik przeznaczony do napędu
posuwów obrabiarek sterowanych numerycznie, zawierający dodatkowo
prądnicę tachometryczną, która wytwarza sygnał napięciowy
proporcjonalny do prędkości obrotowej wirnika, oraz transformator
położenia kątowego, zwany resolwerem, połączony za pośrednictwem
bezluzowej przekładni zębatej z wałem wirnika. Resolwer spełnia
rolę czujnika pomiarowego, wysyłającego sygnały informujące o
chwilowym położeniu stołu w granicach przemieszczeń odpowiadających
jednemu obrotowi śruby pociągowej. Silniki prądu stałego z magnesami
trwałymi mogą rozwijać w czasie rozruchu i hamowania krótkotrwałe
momenty 10—15 razy większe od momentu znamionowego. Przy dostatecznie
wytrzymałej izolacji uzwojeń dopuszczanie jest obciążenie silnika
momentem 3-krotnie większym od znamionowego przez okres do 30 minut
(Mdop = 3 M’n).
Maksymalna prędkość obrotowa silnika dochodzi do 3000 obr/min. W
układach ze sprzężeniem zwrotnym położeniowym wirnik silnika może
się zatrzymać (n = 0). Znamionową prędkość obrotową silnika nn,
przyjmuje się umownie dla obciążenia momentem znamionowym przy
napięciu zasilania Un=0,75Umax.
Serwomechanizm.
Serwomechanizmy jest to układ nadążny, w której możemy regulować
na charakterystykę przesunięcia mechanicznego.
Zawór reguluje dopływ energii do tego silnika.
Serwomechanizm działa tylko gdy w układzie występuje błąd.
Typy serwomechanizmów.
- ciągłe – sygnały analogowe np. w obrabiarce sterowanej analogowo.
- przekażnikowe – występuje co najmniej jeden sygnał (() podlega
skokowym zmianie skokowym co do wartości. Np. anteny satelitarne –
satelita w ciagu doby wykonuje niewielkie ruchy. Dobre anteny powinny
być wprost naprowadzane.
- kwantowe impulsowe – dodać skokową wielkość może przyjmować z
góry zadane wielkości.
Zadania serwomechanizmów.
- przestawienia i śledzenia.
Przestawienia polega na osiągnięciu żądanej wartości w jak
najkrótszym czasie.
Powinna być określona granica błędu ponieważ nie dojdziemy do celu.
Jest to model wyidealizowany bo w praktyce wystepuje tarcie i może się
zdarzyć wahania wartości oczekiwanej.
Śledzenia w każdej chwili układ powinien dążyć do uzyskania
wartości zadanej.
Po obróbce pow. stożkowej.
Gdy kVx= kVy to wejdzie na prostą.
Sterowanie.
Występują następujące typy sterowania: punktowe, odcinkowe,
kształtowe.
Sterowanie odcinkowe – wzdłuż lub wokół osi przy wyłączonych
innych.
Aby błąd był mały to kV należy zwiększyć lub małą prędkość.
KV – współczynnik serwomechanizmu może on sięgać do 800 to błąd
( jest 40 razy lepszy.
Na własności serwomech ma moment tarcia.
Przy ruchu po okręgu istnieje błąd spowodowany kV.
Po przekroczeniu dopuszczalnej wartości błędu fragmenty łuku nie
przypominają okręgu.
Zmiana prędkości w czasie.
Początkowe stadium na wykresie przedstawia kryterium całkowe.
Dla dużych okresów czasu wystąpi niewielki błąd, natomiast dla
czasów bliskich zera błąd będzie kolosalny, ponieważ w niektórych
układach nie można dać skoku jednostkowego. Wystąpi określona
wartość przyśpieszenia.
Silniki prądu stałego z układem zasilania tyrystorowego.
Tyrystor to sterowana dioda. W układach tyrystorowych występuje długi
czas martwy.
Poprzez napięcie można regulować prędkość obrotową.
Dla silnika wolno obrotowego czas martwy 7,6 milisekundy dla prądu
3-fazowego.
Układy tyrystorowe nie stosujemy w układach serwomechanizmowych.
Schemat układu sterowania z silnikiem prądu stałego.
Nn – błąd prędkości,
RB – opór bocznika,
Pt – prądniczka tachometryczna.
Układ tyrystorowy.
Układy tyrystorowe zapewniają uzyskanie prędkości obrotowych
zmienianych bezstopniowo w szerokim zakresie (100 i więcej) ,przy czym
zakres regulacji prędkości przy stałej mocy RN < 4. Elementy
zasilające i sterujące układem umieszcza się w szafie ustawionej
obok obrabiarki. W układzie tym występują dwie sekcje uzwojenia
wtórnego. Gwałtowny skok objawia się zmianą światła co jest
niedobre dla sieci.
W układzie tym występują dwa zestawy tyrystorów do regulacji
obrotów:
- w lewo,
- w prawo,
Na początku tego układu.
- występują dwa sygnały do wzmacniacza operacyjnego (mogą mieć
wzmocnienie kilku set tysiecy razy pod warunkiem gdy nie wystąpi ujemne
sprzężenie zwrotne.
Przy wystąpieniu małych częstotliwości układ zachowuje się jak
gdyby nie było w nim kondensatora. Dla dużych częstotliwości
kondensator ma niewielka oporność.
Filtr dolno przepustowy.
Wzmacniacz pełni rolę węzła sumacyjnego.
Układ który pada impulsy do tyrystora.
Gdy suma napięć będzie równa zero to stan wyjścia następuje
skokowa zmiana napięcia sterująca tranzystorem.
Sprzężenie zwrotne decyduje o wzmocnieniu wzmacniacza.
Gdy na wejściu damy minus to napięcie na wzmacniaczu będzie małe.
Gdy dany plus to na wzmacniaczu jest wysokie i nastąpi jego skok.
Wytworzony ujemny impuls powodujący przepływ na tyrystor to już on
zaczyna działać.
Układ ten jest układem analogowym.
Silniki skokowe (krokowe).
Stosowane są w układach otwartych nie zmienia się sposobu sterowania
i gdy występują małe zakłócenia można je stosować,
Ograniczenia w zast. Daja małe momenty obrotowe. Silnik krokowy.
Ilość impulsów to kroki nie musi wystąpić sprzężenie zwrotne. np.
promień laserowe – odtwarzacz CD między ścieżkami 1 mikrometr.,
drukarka.
Silniki krokowe. Silniki krokowe są to silniki prądu stałego
specjalnej konstrukcji, Sterowane elektrycznymi impulsami napięcia.
Każdy doprowadzony impuls napięcia powoduje obrócenie się wirnika o
określony stały kąt, a całkowite przemieszczenie kątowe jest
proporcjonalne do liczby doprowadzonych impulsów. Zastosowanie —
głównie w obrabiarkach ze sterowaniem numerycznym do napędu stołów,
suportów i innych zespołów przy niewielkich oporach ruchu.
Interpolator cyfrowy jest podstawowym zespołem układu sterowania
ciągłego. Steruje on układ napędowy obrabiarki w ten sposób, aby
narzędzie przemieszczało się względem obrabianego przedmiotu
wzdłuż określonej programem krzywej algebraicznej, która może być
linią prostą, łuk koła, a w niektórych wypadkach parabola. Praca
interpolatora polega na numerycznym generowaniu ciągu impulsów,
których częstotliwość zmienia się odpowiednio do kształtu krzywej.
Generowany przez interpolator ciąg impulsów doprowadzony jest do
zespołu bezpośredniego sterowania napędu. Jeden impuls z
interpolatora powoduje przesunięcie sań obrabiarki o wielkość
odpowiadającą przyjętej działce elementarnej np. 1(m. Sanie wraz z
narzędziem poruszają się w sposób skokowy w dwóch albo trzech
prostopadłych kierunkach, zakreślając względem przedmiotu krzywą
schodkową, odpowiadającą zarysowi przedmiotu obrabianego.
Interpolator nazwać można generatorem funkcji schodkowej,
aproksymującej funkcję, opisującą żądany tor narzędzia.
Interpolator cyfrowy są to urządzenia wykonujące przybliżone
całkowanie.
W obrabiarkach stosuje się interpolatory typu liniowego,
kołowo-liniowe kołowo-paraboliczno-liniowe.
Selsyny. Selsyny są to małe silniki asynchroniczne jednofazowe
służące do przekazywania na odległość przemieszczeń kątowych.
Podobnie jak wał elektryczny, układ składa się z dwóch selsynów
— nadajnika i odbiornika, których pierścieniowe wirniki są
połączone przewodami w gwiazdę, a uzwojenia stojanów przyłączone
do sieci jednofazowej. Jeżeli wirnik nadajnika obróci się o pewien
kąt, to o taki sam kąt obróci się również wirnik odbiornika. Ze
względu na niewielką moc (do 400 W) selsyny są stosowane wyłącznie
w układach pomiarowych i sterujących, np. do obracania tarcz
odczytowych wskazujących przemieszczenia zespołów obrabiarki
położonych zdala od miejsca obsługi.
