WPROWADZENIE DO NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO

Stosownie do programu trójstopniowego kształcenia na uczelniach technicznych materiał opracowania został podzielony na trzy części. Pierwsza dotyczy studiów inżynierskich i zawiera zagadnienia podstawowe. Druga, podawana na studiach magisterskich, obejmuje zaawansowane metody i układy sterowania. Natomiast trzecia grupa, realizowana na studiach doktoranckich, jest związana z rozwojem nowych układów napędowych oraz ich sterowania.

Materiał zamieszczony w niniejszej pracy dotyczy studiów inżynierskich, i jako podstawowy, jest przeznaczony dla osób, które po raz pierwszy stykają się z techniką napędu elektrycznego. Uwzględniono fakt, że znaczna część osób, wybierając inne kierunki dyplomowania, nie będzie miała możliwości zetknięcia się z techniką napędu aż do chwili podjęcia pracy zawodowej. Zagadnienia podstawowe są zamieszczone w rozdziałach 1–3 i dotyczą podstawowych definicji, charakterystyk maszyn roboczych i źródeł zasilania. Rozdziały 4–6 zawierają charakterystykę napędów zbudowanych przy wykorzystaniu najczęściej stosowanych maszyn elektrycznych, a w szczególności komutatorowych maszyn prądu stałego, maszyn indukcyjnych klatkowych i pierścieniowych oraz bezszczotkowych maszyn z magnesami trwałymi. Krótka charakterystyka budowy układu napędowego znajduje się w rozdziale 7. Przykłady praktycznych rozwiązań napędów z akcentem wpływu napędu na rozwój techniki znajdują się w rozdziale 8. W nowoczesnych metodach sterowania maszyn prądu przemiennego wykorzystywane są wektory przestrzenne i ich przekształcenia. Aby ułatwić stosowanie technik przekształcania, w Załączniku podano podstawowe transformacje.

SPIS TREŚCI
Wykaz ważniejszych oznaczeń 7
Przedmowa 10
1. PODSTAWOWE ZALEŻNOŚCI W NAPĘDZIE ELEKTRYCZNYM 13
1.1. Wstęp 13
1.2. Podstawowe zależności 13
1.2.1. Równanie ruchu 13

1.2.2. Charakterystyka mechaniczna silnika 15

1.2.3. Zakres regulacji prędkości 19
1.2.4. Moc napędu 20
1.3. Rodzaje pracy maszyn w napędzie elektrycznym 23
2. PODSTAWOWE ZALEŻNOŚCI OPISUJĄCE MASZYNY ROBOCZE 27
2.1. Wstęp 27
2.2. Charakterystyki maszyn roboczych 27

2.3. Przekładnie mechaniczne 34
3. ŹRÓDŁA I ZASOBNIKI ENERGII 37
3.1. Wstęp 37
3.2. Układy zasilania napędu z sieci dystrybucyjnej napięcia przemiennego 38
3.3. Układy zasilania napędu z sieci dystrybucyjnej napięcia przemiennego oraz ze źródeł
odnawialnych 43
3.4. Układy zasilania napędu ze źródeł z zasobnikami energii elektrycznej. 46
3.5. Układy zasilania pojazdów trakcyjnych z napędem elektrycznym 47
3.6. Układy zasilania pojazdów autonomicznych z napędem elektrycznym 48
4. PODSTAWOWE UKŁADY I TOPOLOGIA OBWODÓW SILNOPRĄDOWYCH NAPĘ-
DÓW PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH PRĄDU STAŁEGO Z SILNIKAMI KOMUTATO-
ROWYMI 50
4.1. Wstęp 50
4.2. Charakterystyka mechaniczna obcowzbudnej komutatorowej maszyny prądu stałego 51
4.3. Układy napędowe z obcowzbudną komutatorową maszyną prądu stałego 63
4.3.1. Tyrystorowe układy napędowe z komutatorowym obcowzbudnym silnikiem
prądu stałego z zasilaniem z sieci jednofazowej 63
4.3.2. Tyrystorowe układy napędowe z komutatorowym obcowzbudnym silnikiem
prądu stałego z zasilaniem z sieci trójfazowej 67
4.3.3. Tranzystorowe układy napędowe z komutatorowym obcowzbudnym silnikiem
prądu stałego z zasilaniem ze źródła napięcia stałego lub przemiennego 72
4.4. Automatyczna regulacja przekształtnikowych układów napędowych z komutatoro-
wym obcowzbudnym silnikiem prądu stałego 75
6
5. PRZEKSZTAŁTNIKOWE NAPĘDY ELEKTRYCZNE Z MASZYNAMI INDUKCYJ-
NYMI 78
5.1. Wstęp 78
5.2. Przekształtnikowe napędy z silnikami indukcyjnymi klatkowymi 86
5.2.1. Opis silnika klatkowego zasilanego ze źródła o regulowanych parametrach na-
pięcia 86
5.2.2. Sterowanie skalarne silnika indukcyjnego klatkowego zasilanego napięciem
o regulowanej amplitudzie i stałej częstotliwości 89
5.2.3. Przykłady topologii układu napędowego z przekształtnikiem tranzystorowym 93
5.2.4. Zasilanie z przekształtnika tranzystorowego o regulowanej amplitudzie napię-
cia i częstotliwości realizującego zasadę US / fS = const 97
5.2.5. Zaawansowane metody sterowania silnikami indukcyjnymi klatkowymi 100

5.3. Układy przekształtnikowe z maszyną indukcyjną pierścieniową 106
6. PRZEKSZTAŁTNIKOWE UKŁADY NAPĘDOWE Z MASZYNAMI O MAGNESACH
TRWAŁYCH 110
6.1. Wstęp 110
6.2. Równania maszyny z magnesami trwałymi 112
6.3. Układ regulacji prędkości silnika PMSM 115
7. KONSTRUKCJA ELEKTRYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO 118
7.1. Wstęp 118
7.2. Podstawowy schemat blokowy napędu elektrycznego 118
8. WPŁYW NAPĘDU NA ROZWÓJ TECHNIKI I GOSPODARKI 123
8.1. Wstęp 123
8.2. Wybrane przykłady wpływu nowoczesnego napędu na rozwój techniki 124
8.2.1. Konstrukcje napędowe w transporcie wodnym 124
8.2.2. Rozwój wirówek odśrodkowych 126
8.2.3. Wpływ regulacji prędkości wirowania pomp na pracę rurociągów 132
8.2.4. Konstrukcje napędowe w transporcie pionowym 133
8.3. Konstrukcje napędowe w transporcie naziemnym 136
8.3.1. Napędy trakcji elektrycznej 136
8.3.2. Napędy pojazdów autonomicznych 140
Załącznik. Transformacje w obwodach elektrycznych i konwencje zapisu 147
Z.1. Wstęp 147
Z.2. Transformacja wielkości z naturalnego układu trójfazowego A, B, C do układu nieru-
chomych osi α-β 148
Z.3. Transformacja wielkości z układu nieruchomych osi α-β do współrzędnych bieguno-
wych Um-γ względem nieruchomej osi α 150
Z.4. Transformacja wielkości z układu nieruchomych osi α-β do układu naturalnych osi
A, B, C 152
Z.5. Transformacja wielkości z układu nieruchomych osi α-β do układu d-q wirującego
z prędkością ωdq 153
Z.6. Transformacja wielkości z układu d-q wirującego z prędkością ωdq do nieruchomych
osi α-β 155
Z.7. Transformacja wielkości z układu α-β zasilanego napięciem z częstotliwością ωsyn do
wirujących osi x-y 156
Bibliografi a 159