Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obracamy z prędkością v, to w jego bokach o długości l indukuje się sem o wartości:

Transkrypt

1 Temat: Podział maszyn prądu stałego i ich zastosowanie. 1. Maszyny prądu stałego mogą mieć zastosowanie jako prądnice i jako silniki. Silniki prądu stałego wykazują dobre właściwości regulacyjne. Umożliwiają one płynną zmianę prędkości w szerokich granicach oraz mogą ruszać pod dużym obciążeniem. Z tych względów są dość powszechnie stosowane w napędach : maszyn wyciągowych; maszyn walcowniczych; trakcji elektrycznej; układów automatyki. Prądnice prądu stałego są obecnie coraz rzadziej stosowane, gdyż wypierają je przetwornice tyrystorowe o znacznie większej sprawności i łatwiejsze w eksploatacji. Obecnie produkuje się maszyny prądu stałego o mocach od kilku watów do ok. 10 MW. Typowe napięcia to: 120, 230, 440, 500, 1000 V, a nierzadko wyższe, sięgające kilku kilowoltów. 2. Zasada działania maszyny prądu stałego. a) prądnica Rozpatrywać będziemy model elementarny składający się z jednego zwoju obracającego się między dwoma biegunami magnesu. Początek i koniec zwoju są połączone z dwoma pierścieniami ślizgowymi, po których ślizgają się szczotki odprowadzające prąd do zamkniętego obwodu zewnętrznego (rys.8.1). Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obracamy z prędkością v, to w jego bokach o długości l indukuje się sem o wartości: i kierunku zgodnym z regułą prawej dłoni. Jeżeli obwód tego zwoju będzie zamknięty (przez szczotki i pierścienie ślizgowe), to popłynie w nim prąd o kierunku zgodnym ze zwrotem indukowanej siły elektromotorycznej. Na rys. 8.2 zaznaczono kierunki prądu w bokach 1 i 2 zezwoju przy różnych położeniach tych boków (kropka oznacza kierunek do nas, krzyżyk od nas). str. 1

2 Jeżeli w analizowanej prądnicy dwa pierścienie zastąpimy dwoma półpierścieniami (rys. 8.3), po których ślizgają się szczotki, to analizując rys. 8.4 zauważamy, że szczotka S 1 zawsze zbiera napięcie z boku znajdującego się pod biegunem N, a szczotka S 2 zawsze z boku znajdującego się pod biegunem S. Tak więc na szczotkach S 1 i S 2 będzie zawsze napięcie jednokierunkowe. Półpierścienie tworzą komutator, a jeden półpierścień stanowi wycinek komutatora. Nazwa komutator pochodzi stąd, że komutuje on, czyli zmienia, kierunek prądu. Komutator (mechaniczny prostownik prądu). str. 2

3 Aby otrzymać napięcie o dostatecznej równomierności, w polu biegunów umieszcza się nie jeden zwój, ale wiele zwojów, z których każdy łączy się z odpowiednim wycinkiem komutatora. Na rys. 8.5 pokazano rozmieszczenie dwóch zwojów między biegunami i połączenie ich z czterema wycinkami komutatora, a także przebieg sem w każdym zezwoju oraz linią pogrubioną przebieg sem na szczotkach. Zwiększenie liczby wycinków komutatora wpływa na to, że przebieg napięcia odbieranego z prądnicy jest bardziej równomierny. Prądnica prądu stałego w istocie działania jest prądnicą prądu przemiennego, taką samą, jak prądnica synchroniczna, tylko wyposażoną w komutator. W stosunku do prądnicy synchronicznej zmienione zostały role wirnika i stojana: w maszynie prądu stałego wirnik jest twornikiem (w nim wytwarza się napięcie), a stojan jest magneśnicą, w prądnicy synchronicznej najczęściej jest odwrotnie. b) silnik Jeżeli do uzwojenia twornika (wirnika) maszyny prądu stałego doprowadzimy napięcie, to popłynie w nim prąd i twornik zacznie się obracać w wyniku oddziaływania pola magnetycznego na przewodniki (uzwojenie) z prądem. Maszyna będzie wówczas przetwarzała energię elektryczną w mechaniczną, będzie silnikiem. 3. Budowa maszyn prądu stałego. Każda maszyna prądu stałego składa się z dwóch podstawowych części: nieruchomego stojana; wirującego wirnika. Stojan najczęściej jest magneśnicą, gdyż w nim jest wytwarzane pole magnetyczne. W skład nieruchomego stojana wchodzą następujące elementy: jarzmo; bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym; bieguny pomocnicze (komutacyjne) z uzwojeniem; tarcze łożyskowe; trzymadła szczotkowe (rys. 8.6) str. 3

4 Jarzmo stojana będące najczęściej odlewem żeliwnym lub staliwnym, spełnia dwie role: jednocześnie jest częścią obwodu magnetycznego i elementem konstrukcyjnym spełniającym rolę kadłuba, do którego są przymocowane pozostałe elementy wchodzące w skład stojana. W maszynach prądu stałego, z wyjątkiem małych maszyn,, pole magnetyczne jest wytwarzane przez elektromagnes, którego uzwojenie jest umieszczone na biegunach głównych. Pole magnetyczne w rdzeniu bieguna jest praktycznie stałe, ale w nabiegunniku występuje pewna pulsacja strumienia spowodowana przez otwarte żłobki wirnika. Aby zmniejszyć straty wiroprądowe nabiegunniki i rdzenie biegunów wykonuje się z pakietu blach. Bieguny pomocnicze są elektromagnesami, których uzwojenie jest umieszczone na litym, rzadziej pakietowym, rdzeniu stalowym. Uzwojenie tych biegunów jest zawsze połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Wirnik jest najczęściej twornikiem. W jego skład wchodzą: rdzeń wykonany ze względu na prądy wirowe z pakietu blach (rys. 8.7); uzwojenie twornika umieszczone w żłobkach rdzenia; komutator (rys. 8.8.). str. 4

5 Komutator jest osadzony na wale wirnika, składa się z wielu wycinków miedzianych umieszczonych na specjalnej piaście (rys. 8.8). Wycinki komutatora są izolowane od siebie mikanitem. Muszą być one także odizolowane od piasty. Komutatory powinny być wykonane bardzo starannie. Są one najbardziej pracochłonnym i najdroższym elementem w maszynie prądu stałego. Widok ogólny maszyny prądu stałego przedstawia rys str. 5

6 Temat: Podstawowe układy połączeń. 1. Najczęściej pola magnetyczne w maszynach prądu stałego są wytwarzane przez elektromagnesy, których uzwojenie jest zasilane prądem stałym zwanym prądem wzbudzenia. Stąd w maszynach prądu stałego można mówić o trzech prądach, są to: prąd twornika I a ; prąd wzbudzenia I f ; prąd obciążenia I (oddawany do sieci lub pobierany z sieci). 2. Podstawowymi wielkościami opisującymi maszynę prądu stałego są: U napięcie twornika (wytwarzane w prądnicy, zasilające w silniku); R a rezystancja obwodu twornika; R f rezystancja obwodu wzbudzenia; E siła elektromotoryczna indukowana w tworniku; n prędkość wirowania wirnika; M moment elektrodynamiczny. 3. Maszyna obcowzbudna. Maszyną obcowzbudną nazywamy taką maszynę, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego źródła, innego niż uzwojenie twornika (rys. 8.10a). 4. Maszyna samowzbudna. Maszyną samowzbudną nazywamy taką maszynę, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z tego samego źródła co uzwojenie twornika (silnik) lub jest zasilane napięciem twornika (prądnice). str. 1

7 5. W zależności od sposobu połączenia uzwojenia wzbudzające i uzwojenia twornika, rozróżnia się maszyny samowzbudne: bocznikowe (rys. 8.10b), w których uzwojenie wzbudzające jest połączone równolegle (jest zbocznikowane) z uzwojeniem twornika; szeregowe (rys. 8.10c), w których uzwojenie wzbudzające jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika; szeregowo-bocznikowe (rys. 8.10d), w których uzwojenie wzbudzające składa się z dwóch części, z których jedna jest połączona szeregowo, a druga równolegle z uzwojeniem twornika. 6. Oprócz uzwojenia twornika i uzwojenia wzbudzającego w wielu maszynach prądu stałego znajdują się tzw. uzwojenia pomocnicze. Są to uzwojenia: biegunów komutacyjnych; kompensacyjne. 7. Oznaczenie końcówek uzwojeń maszyn prądu stałego przedstawiono w tabeli 8.1. str. 2

8 Temat: Uzwojenia maszyn prądu stałego. 1. Uzwojenia maszyn prądu stałego. W jednej maszynie prądu stałego możemy spotkać trzy rodzaje uzwojeń: a) uzwojenie biegunów głównych jest uzwojeniem wzbudzającym jego zadaniem jest wytworzenie głównego pola magnetycznego w maszynie, uzwojenia biegunów są wykonane zawsze tak samo, w postaci cewki nałożonej na biegun, jeżeli pole magnetyczne w maszynie jest wytworzone przez magnes trwały, to nie ma w niej uzwojenia wzbudzającego. b) uzwojenie biegunów komutacyjnych służy do poprawy warunków pracy maszyny, wykonane jest podobnie do uzwojenia biegunów głównych, nie występuje w maszynach małej mocy. c) uzwojenie twornika jest umieszczone na wirniku, od sposobu wykonania tego uzwojenia zależy wartość napięcia w prądnicy lub wartość momentu w silniku, 2. Wielkości charakterystyczne dla uzwojeń tworników. obecnie uzwojenia tworników wykonuje się jako uzwojenia bębnowe, powstaje ono w wyniku ułożenia w żłobkach twornika przewodu miedzianego jako nieprzerwanego obwodu, zasadniczym elementem tego obwodu jest zwój składający się z dwóch boków czynnych i połączeń czołowych (rys. 8.11), pewna liczba zwojów połączonych szeregowo i ułożonych w tej samej parze żłobków tworzy zezwój, zezwój może być jednozwojowy (rys. 8.12a) lub wielozwojowy (rys. 8.12b), liczbę boków zezwojów w jednym żłobku oznacza się literą u, zezwoje łączy się ze sobą w obwód zamknięty poprzez wycinki komutatora, każdy zezwój jest połączony z dwoma wycinkami komutatora (rys i 8.13), do każdego wycinka komutatora są dołączone dwa końce dwóch różnych zezwojów. str. 1

9 a) W zależności od sposobu połączenia uzwojeń z komutatorem rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje uzwojeń: pętlicowe (rys. 8.12), faliste (rys. 8.13). Zarówno uzwojenia pętlicowe, jak i faliste mogą być wykonane jako tzw. proste lub wielokrotne. Każdy zezwój powinien mieć taką rozpiętość, aby dwa jego boki były obejmowane przez taki sam strumień magnetyczny, czyli boki powinny znajdować się w jednakowym położeniu w stosunku do sąsiednich biegunów o przeciwnych znakach. Rozpiętość zezwoju powinna być równa podziałce biegunowej lub trochę od niej mniejsza. Rozpiętość zezwoju określa się jako poskok żłobkowy Y Q, który mierzy się liczbą odległości międzyżłobkowych, między dwoma bokami jednego zezwoju (rys. 8.14). Uzwojenie średnicowe występuje gdy Y Q = Uzwojenie cięciwowe występuje gdy str. 2

10 b) zestawienie wszystkich wielkości charakterystycznych opisujących uzwojenia i występujące między nimi zależności: Q K = z z = Qu u - liczba żłobków na tworniku - liczba wycinków komutatora - liczba boków zezwojów na tworniku - liczba boków zezwoju na żłobek i warstwę - podziałka biegunowa wyrażona w jednostkach długości - podziałka biegunowa wyrażona liczbą żłobków N c N Y c Y Q Y 1 = uy Q +1 Y 2 Y=Y 1 ±Y 2 ; Y=2Y c - zwojność zezwoju (liczba zwojów w zezwoju) - liczba zwojów połączonych w szereg - poskok komutatorowy - poskok żłobkowy - poskok częściowy pierwszy - poskok częściowy drugi - poskok całkowity 3. Symetria uzwojenia i ustawienie szczotek. szczotki odbierające prąd dzielą uzwojenie na gałęzie równoległe (liczba gałęzi równoległych zależy od rodzaju uzwojenia), aby maszyna prądu stałego mogła prawidłowo pracować, między gałęziami równoległymi uzwojenia nie mogą płynąć żadne prądy wyrównawcze, aby to było możliwe, uzwojenie musi spełniać tzw. warunki symetrii uzwojenia, które są następujące: w każdej gałęzi równoległej musi być taka sama liczba boków liczba boków uzwojenia twornika musi być podzielna przez liczbę gałęzi równoległych, czyli: K/a = liczbie całkowitej każdemu bokowi jednej gałęzi musi odpowiadać bok każdej innej gałęzi o takim samym indukowanym w nim napięciu przy takiej samej indukcji Q/a = liczbie całkowitej odpowiednie boki wszystkich gałęzi równoległych powinny być rozmieszczone w jednakowych polach na każdą gałąź musi przypadać taka sama liczba biegunów 2p/a = liczbie całkowitej str. 3

11 ponadto muszą być spełnione dodatkowe warunki: elektryczne każdy zezwój musi mieć taką samą liczbę zwojów w każdym żłobku musi być taka sama liczba boków każdy zezwój musi mieć taki sam poskok magnetyczne indukcja magnetyczna musi mieć taki sam rozkład pod każdym biegunem mechaniczne grubość wycinków komutatora musi być jednakowa szczelina powietrzna musi być jednakowa pod wszystkimi biegunami podziałka biegunowa musi mieć stałą wartość dla pracy maszyny prądu stałego nie jest obojętne ustawienie szczotek szczotki umieszcza się w taki sposób by zwierały zezwój wtedy, gdy nie indukuje się w nim napięcie (strefa neutralna) strefa neutralna to strefa między biegunami, gdzie indukcja magnetyczna jest równa zeru niewłaściwe położenie szczotek to takie, w którym oś szczotek pokrywa się z osią neutralną maszyny aby należycie wykorzystać uzwojenie, szczotek powinno być tyle, ile jest biegunów 4. Rodzaje uzwojeń. a) uzwojenie pętlicowe proste (równoległe) uzwojenie pętlicowe nazywa się prostym, gdy Y c = 1, tzn. gdy oba zezwoje następujące po sobie leżą tuż koło siebie i nie są oddzielone zezwojami należącymi do innego uzwojenia, uzwojenie pętlicowe charakteryzuje się tym, że 2a = 2p (liczba gałęzi równoległych jest równa liczbie biegunów), szczotka jest nieco szersza niż wycinek komutatora b) uzwojenie pętlicowe wielokrotne jeżeli prąd twornika jest znaczny w stosunku do napięcia, to w przypadku stosowania uzwojenia pętlicowego prostego należałoby zwiększyć liczbę biegunów, aby zwiększyć liczbę gałęzi równoległych w uzwojeniu, uzwojenie pętlicowe dwukrotne 2a = 4p i Y c = 2 oznacza to, że między sąsiednimi bokami tego samego zezwoju jest umieszczony bok drugiego uzwojenia, takiego jak poprzednie, szerokość szczotki w przypadku zastosowania uzwojenia dwukrotnego jest większa niż szerokość dwóch wycinków komutatora. c) uzwojenie faliste proste w uzwojeniu falistym, każda gałąź równoległa leży pod wszystkimi biegunami, co eliminuje asymetrię indukowanych sił elektromotorycznych, uzwojenie to ma zawsze dwie gałęzie równoległe, niezależnie od liczby biegunów, zezwoje są łączone szeregowo, stąd uzwojenia faliste noszą nazwę uzwojeń szeregowych str. 4

12 d) uzwojenie faliste wielokrotne liczba gałęzi równoległych tego uzwojenia nie zależy od liczby biegunów i może być dobrana w granicach 2 < 2a 2p uzwojenie to ma cechy uzwojenia falistego prostego, a różni się od niego liczbą gałęzi, powstaje z pojedynczych uzwojeń falistych prostych, przy czym stosuje się tyle tych uzwojeń, ile ma być par gałęzi równoległych, gdyż każde uzwojenie faliste ma 2 gałęzie równoległe. str. 5

13 Temat: Zjawiska towarzyszące pracy maszyn prądu stałego oddziaływanie twornika, komutacja, straty mocy. 1. Oddziaływanie twornika. Pole magnetyczne wytwarzane przez magnes trwały lub elektromagnes nie jest jedynym polem magnetycznym wytwarzanym w maszynie. Nazywa się je polem magnetycznym głównym. Obraz tego pola oraz rozkład indukcji na obwodzie maszyny przedstawiono na rys pod biegunami indukcja ma wartość stałą, - w strefie neutralnej, gdzie znajdują się szczotki, indukcja jest równa zeru. Taki rozkład pola magnetycznego występuje tylko w jednym szczególnym stanie pracy maszyny prądu stałego, a mianowicie wtedy gdy maszyna pracuje bez obciążenia. Jeżeli maszyna jest obciążona, to w uzwojeniu twornika (wirnika) płynie prąd I a i w związku z tym wokół uzwojeń twornika wytwarza się pole magnetyczne twornika. Obraz tego pola przedstawiono na rys str. 1

14 Strumień twornika, nakładając się na strumień główny, zniekształca go dając pewien strumień wypadkowy, którego obraz przedstawiono na rys Zniekształcenie głównego pola magnetycznego przez pole magnetyczne twornika jest nazywane oddziaływaniem twornika. Zniekształcenie przebiegu indukcji pod biegunami powoduje, że w niektórych zezwojach znajdujących się w polu o większej indukcji, indukuje się większe napięcie niż przy biegu jałowym; może to być powodem zwiększenia napięcia międzywycinkowego do takiej wartości, że wystąpi iskrzenie na komutatorze. Przesunięcie osi neutralnej powoduje, że w osi poprzecznej gdzie są umieszczone szczotki, występuje pole magnetyczne o pewnej indukcji magnetycznej, a więc w zwojach zwartych przez szczotkę indukuje się napięcie, co powoduje przepływ znacznego prądu w tych obwodach i pojawienie się iskrzenia pod szczotkami. Zmniejszenie strumienia powoduje spadek indukowanego napięcia. 2. Komutacja. Zezwój, przemieszczając się ze strefy jednego bieguna głównego, wchodzi w strefę neutralną, w której znajdują się szczotki. Przechodzi z jednej gałęzi równoległej do drugiej i wtedy następuje w nim zmiana kierunku prądu na przeciwny. Zmiana kierunku prądu następuje więc w chwili, gdy zezwój jest zwierany przez szczotkę (rys. 8.33). str. 2

15 Proces zmiany kierunku prądu w zezwoju i występujący przy tym zespół zjawisk nazywamy komutacją. Zła komutacja wywołuje iskrzenie, które może być przyczyną zniszczenia szczotek i komutatora. Rozróżnia się mechaniczne i elektryczne przyczyny iskrzenia szczotek: do przyczyn mechanicznych zaliczamy przede wszystkim: nierówności powierzchni, zanieczyszczenie lub niecentryczność komutatora, złe przyleganie szczotek, drgania szczotek itp. do przyczyn elektrycznych zaliczamy przede wszystkim: gęstość prądu na styku między szczotką a komutatorem. Komutacja opóźniona. Komutację nazywamy opóźnioną, jeśli w połowie okresu komutacji prąd jest większy od zera. Czynnikiem który dodatkowo opóźnia komutację jest oddziaływanie twornika. Komutacja opóźniona jest bardzo niekorzystna, gdyż szczotka schodząca z wycinka komutatora w chwili, gdy prąd w cewce nie zdążył osiągnąć wartości prądu w gałęzi (I a ) może pociągnąć za sobą łuk elektryczny. Jeżeli łuk przedostanie się na dalsze wycinki, to dojdzie do zwarcia komutatora i zniszczenia maszyny. Komutacja przyspieszona. Komutacja przyspieszona to taka, przy której zmiana prądu w cewce następuje w pierwszej połowie okresu komutacji. Komutację przyspieszoną otrzymamy wówczas gdy w zwartym przez szczotkę zezwoju będzie indukowana siła elektromotoryczna rotacji. W przypadku prądnicy jej zwrot jest zgodny ze zwrotem siły elektromotorycznej indukowanej przez ten biegun, pod który przechodzi zezwój po zakończeniu komutacji. W przypadku silnika zwrot indukowanej siły elektromotorycznej powinien być zgodny ze zwrotem siły elektromotorycznej indukowanej przez ten biegun, spod którego zezwój wychodzi. W celu poprawy warunków komutacji w maszynach komutatorowych stosuje się szczotki o znacznej rezystancji przejścia, są to szczotki węglowo-grafitowe lub grafitowe. 3. Straty i sprawność. Zjawiskiem niekorzystnym towarzyszącym pracy maszyn prądu stałego jest występowanie strat i w konsekwencji nagrzewnie się maszyny. Moc oddawana przez maszynę P jest mniejsza od mocy pobranej P in o straty. Stosunek mocy pobranej przez maszynę do mocy oddanej określa sprawność maszyny: Dla maszyn prądu stałego sprawność wynosi od 0,78 do 0,945. Straty występujące w maszynach prądu stałego to: straty w rdzeniu ΔP FE, powstające w obwodzie magnetycznym twornika. Są one funkcją strumienia magnetycznego i częstotliwości przemagnesowywania obwodu. Straty w rdzeniu wynoszą (0,05 0,1)P N ; straty obciążeniowe ΔP obc związane z przepływem prądu przez obwód twornika o rezystancji R ac, uzwojenie kompensacyjne o rezystancji R K, uzwojenie biegunów komutacyjnych o rezystancji R b, uzwojenie szeregowe wzbudzające o rezystancji R f oraz straty na rezystancji przejścia między szczotkami a komutatorem, czyli Δ Δ str. 3

16 Straty te dla I a = I N wynoszą ΔP obc = (0,10 0,4)P N i zmieniają się przy każdej zmianie obciążenia (zmianie prądu I a ) straty wzbudzenia ΔP f w uzwojeniu obcowzbudnym lub bocznikowym. Wynoszą one (0,05 0,01)P N straty mechaniczne ΔP m, będące funkcją prędkości wirowania wirnika. Straty te powstają w wyniku tarcia w łożyskach, tarcia szczotek o komutator i tarcia wentylatora o powietrze. Są one niewielkie i wynoszą (0,02 0,005)P N. Część strat w maszynie zmienia się przy zmianie obciążenia, dlatego też sprawność maszyny prądu stałego, tak jak i innych maszyn elektrycznych, nie jest wartością stałą. Przebieg sprawności w funkcji obciążenia przedstawiono na rys Sprawność silnika podawana w jego danych znamionowych jest zawsze sprawnością przy obciążeniu znamionowym. str. 4

17 Temat: Prądnice prądu stałego obcowzbudne i samowzbudne. Pracę każdej prądnicy w sposób jednoznaczny określają następujące wielkości: U I(P) I t n napięcie twornika - prąd (moc) obciążenia - prąd wzbudzenia - prędkość obrotowa Właściwości ruchowe prądnic określa się za pomocą charakterystyk podających związki między wymienionymi wielkościami. Ze względu na niewielką zmienność prędkości silników napędowych można uznać, że prądnice pracują praktycznie przy stałej prędkości., dlatego charakterystyki są sporządzane przy n = const. Charakterystyki te to: charakterystyka biegu jałowego E=f(I f ) przy n=const; I a =0 charakterystyka obciążenia U=f(I f ) przy n=const; I=const charakterystyka zewnętrzna U=f(I) przy n=const; I f =const charakterystyka regulacyjna I f =f(i) przy n=const; U=const 1. Prądnica obcowzbudna. Prądnica obcowzbudna jest maszyną, w której obwód wzbudzenia jest zasilany z obcego źródła. Schemat połączeń prądnicy obcowzbudnej przedstawiono na rys. 8.39, a rozmieszczenie uzwojeń w maszynie i ich połączenie z tabliczką zaciskową na rys Charakterystyki obciążenia wyznacza się dla różnych prądów obciążenia otrzymując całą rodzinę charakterystyk (rys. 8.41). Charakterystyki te otrzymuje się w wyniku przesunięcia trójkąta, równolegle wzdłuż charakterystyki magnesowania. str. 1

18 Jedną z najbardziej przydatnych w eksploatacji charakterystyk jest charakterystyka zewnętrzna U=f(I) przy n=const i I f =const. Pokazuje ona, jak zmienia się napięcie na zaciskach prądnicy przy zmianie jej obciążenia przy stałej prędkości obrotowej i stałym prądzie wzbudzenia. Charakterystykę tę można skonstruować na podstawie charakterystyki biegu jałowego i trójkąta charakterystycznego. Z przebiegu charakterystyki (rys. 8.42a) widać, że przy przejściu ze stanu jałowego do stanu obciążenia napięcie na zaciskach prądnicy maleje. Zmianę napięcia przy zmianie obciążenia od stanu jałowego do obciążenia znamionowego nazywa się zmiennością napięcia i określa się według wzoru: Dla prądnic obcowzbudnych zmienność napięcia nie przekracza 5 10 %. str. 2

19 Charakterystyki zewnętrzne można wyznaczyć dla różnych wartości prądu wzbudzenia i różnych prędkości. Znając je, można określić napięcie i prąd obciążenia w dowolnym stanie pracy. Wartością charakterystyczną na tej charakterystyce jest prąd zwarciowy, który dla prądnic obcowzbudnych osiąga wartość I N. Aby napięcie na zaciskach obciążonej prądnicy pozostawało stałe mimo zmian obciążenia, należy regulować prąd wzbudzenia. Jak regulować prąd wzbudzenia przy zmianie obciążenia, aby napięcie pozostawało stałe, pokazuje charakterystyka regulacyjna, czyli zmienność I f =f(i) przy U=const i n=const (rys. 8.24b). Charakterystykę tę można skonstruować na podstawie charakterystyki biegu jałowego i trójkąta charakterystycznego. 2. Prądnica bocznikowa. W prądnicy bocznikowej uzwojenie wzbudzające jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika. Schemat połączeń przedstawiono na rys Co to jest samowzbudzenie. Jeżeli w obwodzie magnetycznym istnieje magnetyzm szczątkowy, jako pozostałość po poprzedniej pracy, to przy napędzaniu wirnika indukuje się w jego uzwojeniu napięcie E sz. Pod wpływem tego napięcia w uzwojeniu wzbudzającym płynie prąd I f, który wytwarza strumień magnetyczny. Jeżeli kierunek tego strumienia jest zgodny z kierunkiem strumienia szczątkowego, to strumień w maszynie ulega zwiększeniu, wzrasta napięcie indukowane i prąd wzbudzenia, co powoduje dalszy wzrost strumienia aż maszyna wzbudzi się do pełnego napięcia. Gdyby nie było napięcia szczątkowego, procesor wzbudzenia nie mógłby nastąpić, w takim przypadku należałoby na chwilę zasilić obwód wzbudzenia z obcego źródła napięcia, aby wytworzyć strumień szczątkowy. Kierunek strumienia wytworzonego przez prąd wzbudzenia zależy od zwrotu napięcia E sz i sposobu przyłączenia uzwojenia E1-E2 do zacisków A1-A2, a zwrot napięcia E sz zależy od kierunku wirowania i kierunku strumienia szczątkowego. Jeżeli więc zmieni się kierunek prędkości lub nieprawidłowo przyłączy się str. 3

20 uzwojenie wzbudzające, to strumień wytworzony przez prąd wzbudzenia będzie skierowany przeciwnie niż strumień szczątkowy, co spowoduje, że maszyna się rozmagnesuje. Proces samowzbudzenia się prądnicy bocznikowej trwa do chwili, gdy wartość napięcia U 0 i prądu wzbudzenia I f0 ustalą się w tym punkcie, gdzie krzywa U=f(I f ) i prosta R f I f się przecinają. W zależności od rezystancji w obwodzie wzbudzenia R f prądnica wzbudzi się do odpowiedniego napięcia (rys. 8.44). Może być wiele przyczyn niewzbudzenia się prądnicy bocznikowej, m.in.: brak magnetyzmu szczątkowego; niewłaściwy kierunek wirowania; niewłaściwe połączenie obwodu wzbudzenia z obwodem twornika; przerwa w obwodzie wzbudzenia lub twornika; zbyt duża rezystancja obwodu wzbudzenia. Charakterystyka biegu jałowego i charakterystyki obciążenia prądnicy bocznikowej są analogiczne do charakterystyk prądnicy obcowzbudnej. Charakterystykę zewnętrzną prądnicy bocznikowej pokazano na rys Zmienność napięcia prądnicy bocznikowej jest znacznie większa niż prądnicy obcowzbudnej i wynosi %, a nawet 30 %. str. 4

21 Przebieg charakterystyki regulacyjnej prądnicy bocznikowej (rys. 8.46) jest uwarunkowany przebiegiem charakterystyki zewnętrznej. 3. Prądnica szeregowa. W prądnicy szeregowej uzwojenie wzbudzające jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika (rys. 8.47). Prąd obciążenia tej prądnicy jest jednocześnie prądem wzbudzenia. Jak wynika z charakterystyki zewnętrznej napięcie silnika zależy od prądu obciążenia (rys. 8.48). Jest to niekorzystne i dlatego prądnice szeregowe nie znajdują zastosowania. str. 5

22 4.Prądnica szeregowo-bicznikowa. Zaletą prądnicy bocznikowej w porównaniu z obcowzbudną jest to, że nie wymaga ona oddzielnego źródła do zasilania obwodu wzbudzenia, natomiast wadą jest jej silne zmniejszanie się napięcia przy wzroście obciążenia. Wadę tę można wyeliminować wprowadzając oprócz uzwojenia bocznikowego drugie uzwojenie wzbudzające, połączone szeregowo z twornikiem, a zasilane w taki sposób, aby obydwa przepływy były zgodne. Prądnicę taką nazywamy szeregowo-bocznikową lub dozwoloną (rys. 8.49). Przez odpowiedni dobór liczby zwojów uzwojenia szeregowego uzyskuje się taki wzrost strumienia ze wzrostem prądu obciążenia, że napięcie na zaciskach pozostaje prawie stałe. Gdyby uzwojenie szeregowe zostało połączone nieprawidłowo, strumień magnetyczny zmniejszałby się silnie ze wzrostem obciążenia i charakterystyka obciążenia byłaby silnie opadająca (rys. 8.50). str. 6

23 Temat: Silniki prądu stałego i ich właściwości ruchowe. 1. W zależności od sposobu połączenia uzwojenia wzbudzającego rozróżniamy silniki: a) samowzbudne bocznikowe; szeregowe; szeregowo-bocznikowe b) obcowzbudne 2. Pracę silnika prądu stałego charakteryzują następujące wielkości: U M I n - napięcie zasilania; - moment obciążenia; - prąd obciążenia (zależny od momentu obciążenia); - prędkość obrotowa. Właściwości ruchowe silników wszystkich typów można określić na podstawie następujących zależności: Φ Φ Z ostatniego równania można wyznaczyć prędkość obrotową: Φ przy czym c M i c E stałe zależne od parametrów silnika. 3. Najistotniejsze właściwości ruchowe silników przedstawia się w sposób wykreślny za pomocą charakterystyk: n=f(i) lub n=f(m) przy U=cont i R f =const zwanych charakterystykami mechanicznymi silnika prądu stałego M=f(I) przy U=const i R f =const zwanej charakterystyką momentu silnika prądu stałego. 4. Silnik bocznikowy. W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzające jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika i zasilane napięciem sieci U (rys. 8.52). Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego wyznacza się przy U=const i R f =const (prąd wzbudzenia jest stały). Jeżeli pominie się wpływ oddziaływania twornika, to: Φ Φ str. 1

24 Jak wynika z powyższego wzoru charakterystyka n=f(i) przy U=const i R f =const ma w przybliżeniu przebieg prostoliniowy (rys. 8.53). Zmiana prędkości obrotowej przy przejściu od biegu jałowego n 0 do obciążenia znamionowego n N nazywa się zmiennością prędkości: Zmienność prędkości silnika bocznikowego wynosi 3 8%, a z uwzględnieniem oddziaływania twornika 2 5%. Charakterystyki o tak małej zmienności prędkości zalicza się do charakterystyk sztywnych i nazywa się charakterystykami bocznikowymi. 5. Silnik szeregowy. W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzające jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika (wirnika) i uzwojeniem biegunów komutacyjnych (rys. 8.58). Prąd pobierany z sieci jest jednocześnie prądem twornika i prądem wzbudzenia I=I a =I f. str. 2

25 Właściwości ruchowe silników szeregowych w zasadniczy sposób różnią się od właściwości ruchowych silników bocznikowych. Strumień zależy od prądu obciążenia; wzrostowi momentu obciążenia odpowiada wzrost prądu obciążenia i wzrost strumienia zgodnie z charakterystyką magnesowania obwodu magnetycznego maszyny. Charakterystyki silnika szeregowego. Jeżeli założymy liniową zależność strumienia od prądu, to prędkość obrotową można określić wzorem: Na rys przedstawiono charakterystykę mechaniczną silnika szeregowego. Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniach może doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na przekroczenie jego wytrzymałości mechanicznej. str. 3

26 Silnik szeregowy nie może pracować w stanie jałowym i musi być połączony z maszyną roboczą za pomocą sprzęgła lub przekładni zębatej (nie wolno stosować pasa klinowego). Wadą silnika szeregowego jest możliwość rozbiegania się, natomiast jego zaletą jest duży moment rozwijany podczas rozruchu M r =ci 2 r. Moment rozwijany podczas rozruchu jest wprost proporcjonalny do kwadratu prądu rozruchowego. Silniki te są stosowane do napędu urządzeń ruszających pod dużym obciążeniem. Porównanie momentów i prądów rozruchowych silnika szeregowego i bocznikowego umożliwia rys Silnik szeregowo-bocznikowy. Silnik szeregowo-bocznikowy ma dwa uzwojenia wzbudzające: bocznikowe i szeregowe (rys ). Silnik taki ma właściwości zbliżone do silnika bocznikowego lub szeregowego w zależności od udziału przepływów bocznikowego i szeregowego. str. 4

27 W praktyce stosuje się zgodne połączenie uzwojeń, tzn. takie że strumienie wytworzone przez uzwojenie szeregowe i bocznikowe dodają się, przy czym przepływ bocznikowy odgrywa dominującą rolę. Przy niezgodnym dozwojeniu otrzymalibyśmy charakterystykę mechaniczną nie zapewniającą stabilnej pracy (rys. 8.63a). Porównując charakterystykę mechaniczną silnika szeregowego z charakterystyką mechaniczną silnika dozwojonego zgodnie (rys. 8.63b), można stwierdzić że silnik szeregowo-bcznikowy nie ma ujemnej cechy rozbiegania się w stanie jałowym, jaką miał silnik szeregowy. W porównaniu z silnikiem bocznikowym ma tę zaletę, że wykazuje duży moment rozruchowy. str. 5

28 Temat: Rozruch i regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego. 1. Rozruch silników prądu stałego. W chwili rozruchu prędkość silnika jest równa zeru, więc siła elektromotoryczna indukowana E ma wartość zero i równanie napięć dla silnika przyjmuje postać: Napięcie doprowadzone do silnika w chwili rozruchu jest równoważone przez spadek napięcia na rezystancji twornika, a więc prąd rozruchowy pobierany przez silnik jest bardzo duży w porównaniu z prądem pobieranym w czasie pracy Prąd rozruchowy jest wielokrotnie większy od prądu znamionowego. Prąd rozruchowy można ograniczyć przez zmniejszenie napięcia zasilającego lub włączenie w obwód twornika dodatkowego opornika o rezystancji R ar zwanego rozrusznikiem, wówczas: W silnikach bocznikowych należy pamiętać, aby obwód wzbudzenia w czasie rozruchu był włączony za rozrusznikiem, ale tak aby był zasilany pełnym napięciem sieci. Rozrusznik jest zwykle opornikiem kilkustopniowym dostosowanym do pracy krótkotrwałej. Przy załączeniu silnika bocznikowego z dodatkowym opornikiem zmniejsza się prąd, a także moment silnika. Aby moment zmieniał się w określonych granicach, podczas rozruchu wyłącza się kolejne sekcje rozrusznika przechodząc tym samym na kolejne charakterystyki, aż po całkowitym zwarciu rozrusznika osiągnie się punkt pracy na charakterystyce naturalnej. Schemat połączeń silnika bocznikowego z rozrusznikiem pokazano na rys. 8.64, a przebieg rozruchu tego silnika na rys str. 1

29 Rozruch silnika szeregowego przebiega podobnie, lecz należy pamiętać, że nie może się on odbywać bez obciążenia, ponieważ silniki szeregowe rozwijają w chwili rozruchu bardzo duży moment rozruchowy i mogą się rozbiegać. W silnikach szeregowo-bocznikowych korzystny wpływ na właściwości rozruchowe ma dozwojenie. Powoduje ono zwiększenie momentu rozruchowego, poza tym rozruch przeprowadza się w podobny sposób. Do ograniczania prądu rozruchowego w silniku obcowzbudnym stosuje się takie same rozruszniki, jak w pozostałych typach silników. 2. Regulacja prędkości obrotowej. Wzór na prędkość silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika R ar : Φ Z powyższej zależności wynika, że na zmianę prędkości wirowania wirnika mają wpływ: napięcie U, rezystancja R ar oraz strumień Φ. Oznacza to, że prędkość obrotową można regulować: przez zmianę napięcia zasilania twornika U, przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika R ar, przez zmianę strumienia Φ Wszystkie te możliwości są wykorzystywane w praktyce, a różnią się one pod względem: zakresu regulacji kierunku regulacji (góra, dół) ekonomicznym a) regulacja szeregowa Regulacja szeregowa polega na włączeniu rezystancji regulacyjnej R ar w szereg z obwodem twornika. Sposób ten stosuje się zarówno w silnikach bocznikowych jak i szeregowych. str. 2

30 Włączając dodatkową rezystancję w obwód twornika możemy regulować prędkość obrotową w dół, a więc poniżej prędkości odpowiadającej pracy na charakterystyce naturalnej (rys. 8.66). Zakres regulacji zawiera się od prędkości znamionowej do zera. Regulacja szeregowa jest nieekonomiczna. b) regulacja bocznikowa Regulacja bocznikowa sprowadza się do osłabienia strumienia. W silnikach bocznikowych i obcowzbudnych rezystancję regulacyjną R fr włączamy w szereg z obwodem wzbudzenia, a w silniku szeregowym bocznikujemy obwód wzbudzenia. Włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wzbudzenia powoduje zmniejszenie strumienia i przy określonym prądzie powoduje wzrost prędkości. Zwiększa się przy tym prędkość biegu jałowego n 0 oraz nachylenie charakterystyki mechanicznej (rys. 8.67). Regulacja bocznikowa jest regulacją w górę od wartości n N do ok. 3n N, a przy tym jest regulacją ekonomiczną. Prowadząc regulację prędkości przez zmianę strumienia należy mieć świadomość, jakie skutki może wywołać nadmierne osłabienie pola lub zanik prądu w obwodzie wzbudzenia silnika. str. 3

31 Jeżeli przy biegu jałowym strumień zmaleje do wartości strumienia szczątkowego, a silnik nie zatrzyma się, to prędkość obrotowa wielokrotnie wzrośnie. Z tego względu obwód wzbudzenia silnika bocznikowego i obcowzbudnego nie wolno rozwierać (w silniku szeregowym nie wolno zwierać obwodu wzbudzenia). Regulator wzbudzenia powinien być tak wykonany, aby jego rozwarcie było niemożliwe. c) regulacja przez zmianę napięcia zasilania Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę napięcia twornika można uzyskać przez zastosowanie tyrystorowych regulatorów napięcia. Zmieniając napięcie zasilające twornik, można przy znamionowym obciążeniu regulować prędkość od zera do wartości większej od prędkości znamionowej (rys. 8.68). W całym zakresie regulacji prąd twornika nie ulega zmianie i zależy tylko od obciążenia. Przy regulacji prędkości przez zmianę napięcia twornika charakterystyka regulacyjna jest liniowa. Jest to metoda wygodna i praktycznie bez strat. str. 4

32 Temat: Maszyny specjalne prądu stałego ich właściwości ruchowe i zastosowanie. 1. Do maszyn specjalnych można zakwalifikować: a) wzbudnice maszyn synchronicznych o szczególnym ukształtowaniu obwodu magnetycznego b) silniki trakcyjne dostosowane do podwieszania pod pojazdem c) prądnice do oświetlania wagonów, prądnice unipolarne prądnice spawalnicze d) maszyny wysokonapięciowe (do 30 kv) o odmiennym układzie izolacyjnym e) maszyny z magnesami trwałymi f) małe maszyny stosowane w układach automatycznego sterowania i regulacji tzw. silniki wykonawcze oraz prądnice tachometryczne g) wzmacniacze elektromaszynowe 2. Prądnica unipolarna. Prądnica unipolarna (homopolarna) jest maszyną prądu stałego bez komutatora. ZASADA DZIAŁANIA Elementy uzwojenia twornika, w których indukują się napięcia, poruszają się w polu o takiej samej biegunowości. Cewki magnesów wzbudzenia są wykonane w formie pierścieni (rys. 8.69) i umieszczone na wewnętrznym obwodzie stojana. Prąd płynący w uzwojeniu wzbudzającym wytwarza strumień magnetyczny, który zamyka się w obwodzie jak na rysunku. Pierścień magnetyczny w stojanie tworzy biegun N, a twornik biegun S. Gdyby w tworniku zostały umieszczone pręty uzwojenia, w każdym z nich indukowałaby się siła elektromotoryczna E=Blv o takim samym kierunku w każdym pręcie. W tej sytuacji szczotka A1, przy kierunku wirowania zaznaczonym na rysunku, ma zawsze biegunowość dodatnią. Prądnice unipolarne umożliwiają uzyskanie prądu o wartości dziesiątek kiloamperów przy bardzo niskim napięciu (20-30 V). Z tego względu znalazły one zastosowanie jako źródła niskiego napięcia, a jednocześnie dużego prądu do zasilania urządzeń elektrolizy. 3. Prądnica tachometryczna. Prądnice tachometryczne prądu stałego są to maszyny małej mocy z magnesami trwałymi lub obcowzbudne. Konstrukcja ich jest podobna do konstrukcji dużych maszyn prądu stałego, powinna jednak zapewniać zmniejszenie pulsacji napięcia spowodowanej istnieniem żłobków i komutatora. Prądnice te mają moce W i służą w układach regulacji jako przetworniki prędkości kątowej na sygnał elektryczny napięcie. str. 1

33 Prądnice tachometryczne z magnesami trwałymi są mało czułe na zmiany temperatury, wrażliwe na wstrząsy, ich magnesy trwałe podlegają procesowi starzenia, a ponadto nie ma możliwości regulacji nachylenia charakterystyki. W celu zmniejszenia pulsacji napięcia stosuje się często konstrukcje bezżłobkowe prądnic tachometrycznych, o odpowiednio dużej liczbie wycinków komutatora. 4. Maszyny wzbudzane magnesami trwałymi. W maszynach prądu stałego małej mocy, do ok. 100 W, do wytworzenia głównego pola magnetycznego powszechnie są stosowane magnesy trwałe. Typowym przykładem takiego rozwiązania są silniki prądu stałego zasilane z baterii: silniki do zabawek, silniki napędzające wycieraczki szyb samochodowych, silniki magnetofonów kasetowych i inne. Najczęściej stosowane w tych silnikach materiały magnetyczne to materiały proszkowe z ferrytów baru lub magnesy lane ze stopów alnico. Najprostsze rozwiązanie konstrukcyjne takiego silnika przedstawiono na rys Silnik taki można traktować jak silnik z trzema żłobkami oraz trzema wycinkami komutatora. Zęby takiego wirnika są jednocześnie biegunami. Bieguny wzbudzenia (w stojanie) są rozmieszczone symetrycznie kat między ich osiami wynosi 180 o. Bieguny twornika (wirnika) natomiast są rozmieszczone niesymetrycznie kąt między nimi wynosi 120 o, ale w każdej chwili tylko dwa uzwojenia są zasilane. Podczas obrotu wirnika szczotka A2 poprzez komutator wyłącza zasilanie uzwojenia 2, włącza w obwód uzwojenie 3. Po obrocie wirnika o 60 o szczotka A1 zachowuje się podobnie, wyłącza prąd w uzwojeniu 1, a włącza w obwód uzwojenie 2. W ten sposób, przez cykliczne przełączanie uzwojeń, każdy z biegunów wirnika znajdujący się na dole ma biegunowość N, a na górze biegunowość S, co powoduje, że moment obrotowy wirnika ma zawsze ten sam kierunek. Zmianę kierunku wirowania uzyskuje się przez zmianę biegunowości szczotek A1 i A2. 5. Silniki z wirnikiem drukowanym. Wśród licznych rozwiązań konstrukcyjnych silników prądu stałego ze względu na właściwości na szczególną uwagę zasługuje silnik tarczowy. Jak widać na rys silnik tarczowy składa się z dwóch płyt (talerzy) krańcowych, do których są przymocowane magnesy trwałe (wzbudzenie magnetoelektryczne) lub elektromagnesy (wzbudzenie elektromagnetyczne). str. 2

34 Po zmontowaniu między magnesami pozostaje płaska szczelina powietrzna, w której obraca się płaski wirnik (rys. 8.72). Magnesy są najczęściej odlane ze stopów zapewniających stabilny strumień w szczelinie lub z ferrytów, które jednak wytwarzają pole o mniejszym natężeniu. Silniki tarczowe mają następujące zalety: bardzo mały moment bezwładności wirnika (ok. 25 razy mniejszy niż w silnikach tradycyjnych), małe mechaniczne stałe czasowe wynoszące 3 10 ms (w silnikach tradycyjnych ms), znacznie korzystniejszy przebieg komutacji niż w silniku tradycyjnym, prostoliniową charakterystykę mechaniczną, stały moment w całym zakresie prędkości (od 0 do prędkości znamionowej), duży zakres regulacji prędkości obrotowej obr/min, możliwość uzyskania idealnie liniowej zależności siły elektromotorycznej od prędkości, moment impulsowy 4 9 razy większy niż znamionowy, małe wymiary całkowite i mały ciężar w porównaniu z silnikami tradycyjnymi. Wady silników tarczowych to: duży koszt wytwarzania, mniejsza trwałość niż silników konwencjonalnych, zwłaszcza przy większych mocach. str. 3

35 Wymienione cechy silników tarczowych zadecydowały, że są one stosowane jako silniki wykonawcze w układach sterowania i automatyki, a szczególnie do sterowania obrabiarek (frezarek, szlifierek i tokarek), do napędu pamięci w maszynach cyfrowych, w zgrzewarkach, pojazdach mechanicznych i urządzeniach radiolokacyjnych. Silniki tarczowe są wykonywane o mocach od kilkunastu watów do ok. 10 kw. Wartość graniczna mocy wzrasta wraz z poprawą jakości stosowanych materiałów, które często są drogie i niekiedy trudno dostępne. Silniki tarczowe są zaliczane do grupy silników z drukowanym uzwojeniem wirnika. Oprócz silników tarczowych stosuje się także inne konstrukcje wirników z uzwojeniami drukowanymi, są to: wirniki kubkowe z uzwojeniami drukowanymi, wirniki kokonowe Silniki z takimi wirnikami mają jeszcze mniejszy moment bezwładności i są zaliczane do małoinercyjnych i szybkodziałających. 6. Silniki wykonawcze. Silniki wykonawcze prądu stałego są to silniki stosowane w układach automatycznego sterowania i regulacji, a zadaniem ich jest przekształcenie sygnału elektrycznego (napięcia sterującego) na przemieszczenie mechaniczne (prędkość obrotową lub położenie kątowe). Silniki wykonawcze prądu stałego są to silniki małej mocy bez biegunów pomocniczych, przy czym uzwojenie biegunów i obwód wirnika są zasilane z oddzielnych źródeł. Jeden obwód nazywamy obwodem wzbudzenia i jest on zasilany z sieci ostałym napięciu U f, drugi nazywamy obwodem sterowania i jest on zasilany tylko wówczas, gdy silnik ma wykonać konkretne zadanie. Wymagania, które musi spełnić silnik wykonawczy to: liniowość charakterystyk mechanicznych, stabilność charakterystyk mechanicznych, samohamowność, małe wymiary, szybka odpowiedź Do silników wykonawczych prądu stałego zalicza się silniki: a) obcowzbudne Silniki wykonawcze prądu stałego są zbudowane podobnie do normalnych obcowzbudnych maszyn prądu stałego. Często zamiast elektromagnesów stosuje się w nich wzbudzenie magnesami trwałymi. Zasadniczą cechą tych silników jest precyzja wykonania, zapewniająca uzyskanie małych błędów. Silniki wykonawcze prądu stałego są najczęściej dwubiegunowymi maszynami małej mocy (5 10 W), a ich sprawność wynosi %. Regulować prędkość obrotową silnika prądu stałego, czyli sterować silnikiem prądu stałego, można dwoma sposobami. Pierwszy sposób polega na regulacji strumienia magnetycznego, drugi na regulacji siły elektromotorycznej przez zmianę napięcia na zaciskach twornika. str. 4

36 Najczęściej silnikami wykonawczymi steruje się przez zmianę napięcia twornika (tzw. sterowanie napięciem twornika), mimo że sterowanie przez zmianę prądu wzbudzenia (tzw. sterowanie napięciem magnesów) jest tańsze i wymaga mniejszej mocy sterującej. Sterowanie napięciem twornika odbywa się przy stałym strumieniu magnesów, natomiast sterowanie przez zmianę strumienia przy stałej wartości napięcia twornika. Sterowanie napięciem wzbudzenia może być realizowane tylko w silnikach o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Sterowanie to nie znajduje jednak szerszego zastosowania ze względu na nieliniowość charakterystyki regulacyjnej oraz dużą elektromagnetyczną stałą czasową uzwojenia wzbudzającego, mimo istotnej zalety jaką jest mała moc źródła sterującego. b) krokowe (skokowe) Silniki krokowe są elementami wykonawczymi przetwarzającymi impulsy elektryczne na przesunięcia kątowe lub liniowe, nazywane krokami lub skokami. Najprostszą konstrukcję silnika krokowego przedstawiono na rys Uzwojenie stojana jest zasilane impulsowo prądem stałym. W stojanie znajduje się dużo biegunów magnetycznych i aby uzyskać dużą liczbę skoków mogą być zasilane kolejno uzwojenia poszczególnych biegunów lub odpowiednich biegunów połączonych w układy. Aby osiągnąć określoną częstotliwość skoków, impulsy zasilające muszą się zmieniać w czasie. Koszt silnika i układu sterującego jest tym większy, im większa jest częstotliwość impulsów i mniejsze skoki. W celu uzyskania małych skoków buduje się tzw. silniki wielostojanowe, w których w jednej osi maszyny znajduje się kilka rzędów układów biegunów, przy czym osie tych biegunów są przesunięte w przestrzeni. Silniki krokowe w porównaniu z innymi silnikami wykonawczymi wykazują cenne zalety, między innymi: wpływają na zmniejszenie liczby elementów i uproszczenia systemu sterowania, charakteryzują się dużą dokładnością, ograniczają lub eliminują całkowicie sprzężenie zwrotne i układy prądnic tachometrycznych. 7. Wzmacniacze elektromaszynowe. str. 5

37 Wzmacniaczami elektromaszynowymi nazywa się grupę specjalnych maszyn elektrycznych prądu stałego, których zadaniem jest wzmocnienie elektrycznego sygnału, prądu napięcia lub mocy elektrycznej. Właściwości ruchowe wzmacniacza określa się podając jego charakterystyki statyczne i dynamiczne: a) Charakterystyki statyczne określają zależność przy ustalonych wartościach wielkości wejściowych i wyjściowych. Podstawowe charakterystyki statyczne to: charakterystyka sterowania będąca zależnością wielkości wyjściowej od wielkości wejściowej przy stałej rezystancji obciążenia, charakterystyka zewnętrzna będąca zależnością wielkości wyjściowej od obciążenia przy stałej wartości wielkości wejściowej. b) Charakterystyki dynamiczne określa się wyznaczając operatorową transmitancję wzmacniacza, która informuje o przebiegach w stanach nieustalonych. Wielkościami charakteryzującymi wzmacniacz są: współczynnik wzmocnienia (mocy, napięcia lub prądu), stała czasowa, współczynnik dobroci określany jako iloraz współczynnika wzmocnienia i stałej czasowej PRĄDNICA OBCOWZBUDNA JAKO WZMACNIACZ Zwykła prądnica obcowzbudna prądy stałego może być traktowana jako wzmacniacz prądu lub mocy. Wejściem jest w niej obwód wzbudzenia, a wyjściem obwód obciążenia (rys. 8.75). Współczynnik wzmocnienia mocy zależy od kwadratu prędkości obrotowej i kwadratu permeancji (przewodności magnetycznej). W celu uzyskania dużego współczynnika wzmocnienia mocy należałoby zbudować maszynę o dużej prędkości obrotowej z bardzo małą szczeliną powietrzną. Prądnica obcowzbudna może pracować jako wzmacniacz, ale ponieważ jej współczynnik wzmocnienia jest mały (wynosi ) nie znajduje one praktycznego zastosowania. Powiększenie współczynnika wzmocnienia można uzyskać stosując kaskadowe łączenie dwóch lub więcej prądnic. AMPLIDYNA Amplidyna jest najbardziej rozpowszechnionym elektromaszynowym wzmacniaczem dwustopniowym z polem poprzecznym. Obwód magnetyczny i schemat połączeń amplidyny przedstawiono na rys str. 6

38 Amplidyna jest maszyną prądu stałego, w której przepływ oddziaływania twornika wykorzystano do dalszego wzbudzenia maszyny. Maszynę przedstawioną na rys należy traktować jako dwubiegunową o rozdzielonych biegunach. Amplidyny znalazły szerokie zastosowanie w elektromaszynowych układach regulacji, jako wzbudnice prądnic sterujących układu Leonarda (układ regulacji prędkości obrotowej silników prądu stałego największych mocy). str. 7