Silniki prądu stałego. Wiadomości ogólne Silniki prądu stałego charakteryzują się dobrymi właściwościami ruchowymi przy czym szczególnie korzystne są: duży zakres regulacji prędkości obrotowej i duży moment rozruchowy. Dzięki temu silniki te znajdują szerokie zastosowanie w układach napędowych, zwłaszcza od czasu rozpowszechnienia się przekształtników energoelektronicznych. W zależności od sposobu połączenia uzwojenia wzbudzającego rozróżniamy silniki samowzbudne: bocznikowe, szeregowe i szeregowo-bocznikowe oraz silniki obcowzbudne. Każdy z nich ma inne właściwości ruchowe. Pracę silnika prądu stałego charakteryzują następujące wielkości: napięcie zasilania U, moment obciążenia M prąd obciążenia (zależny od momentu obciążenia) I, prędkość obrotowa n.
Właściwości ruchowe silników wszystkich typów można określić na podstawie następujących zależności: Z ostatniego równania można wyznaczyć prędkość obrotową: przy czym c u, c stałe zależne od parametrów silnika. W ustalonym stanie pracy, momentowi obciążenia M h przeciwstawia się równy co do wartości, lecz przeciwnie skierowany moment elektromagnetyczny M
Najistotniejsze właściwości ruchowe silników można przedstawić w sposób wykreślny za pomocą charakterystyk: n = f(i) lub n = f(m) przy U = const i R f = const zwanych charakterystykami mechanicznymi silnika prądu stałego oraz charakterystyki: M = f(i) przy U = const i R f = const zwanej charakterystyką momentu silnika prądu stałego.
Porównanie silników prądu stałego Silnik bocznikowy i obcowzbudny Silniki obcowzbudne (rys. 8.46) wymagają niezależnego źródła do zasilania uzwojenia wzbudzającego. Są one stosowane w układach napędowych z przekształtnikami tyrystorowymi. Właściwości takiego silnika są analogiczne do właściwości silnika bocznikowego. (dlatego będzie rozpatrywany tylko silnik bocznikowy.) W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzające jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika i zasilane napięciem sieci U (rys. 8.47).
Rys. 8.46 Rys. 8.47
Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego wyznacza się przy U = const i R t = const (prąd wzbudzenia jest stały). n - prędkość obrotowa wirnika U - napięcie zasilania wirnika R ac - oporność obwodu twornika I a - prąd twornika c - stała maszyny Φ - wartość strumienia głównego Wzór ten możemy zapisać jako Jest to równanie prostej a zatem charakterystyka n=f(i) przy U=const. R f = const. ma w przybliżeniu przebieg prostoliniowy.
Rys. 8.48. Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego. 1- przebieg przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika, 2 - przebieg rzeczywisty 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. Z punktu widzenia napędu elektrycznego bardziej interesująca jest zależność prędkości obrotowej od momentu obciążenia, czyli charakterystyka n = f(m) przy U = const i R f = const. Przebieg tej charakterystyki w przypadku silnika bocznikowego jest analogiczny do przebiegu zależności n = f(i). W obwód twornika i obwód wzbudzenia często włącza się dodatkowe rezystancje (np. rezystancje rozruchową). Im większa rezystancja R ar jest włączona w obwód twornika, tym większe jest nachylenie charakterystyki i większa zmienność prędkości mówi się, że charakterystyka traci sztywność. Włączenie rezystancji dodatkowej w obwód wzbudzenia R fr powoduje zmniejszenie prądu wzbudzenia i strumienia Φ,pociąga za sobą wzrost prędkości obrotowej, ale również zmianę prędkości idealnego biegu jałowego n 0.
Charakterystyka M = f(i) przy U = const i R f = const ma przebieg zbliżony do prostoliniowego (rys. 8.51 z pominięciem oddziaływania twornika). Przy pominięciu oddziaływania twornika można przyjąć, że strumień jest proporcjonalny do prądu, a więc wzór na moment: można zastąpić wzorem uproszczonym: Moment silnika bocznikowego jest wprost proporcjonalny do prądu twornika Charakterystyki momentu silnika bocznikowego przedstawiono na rysunkach
Silnik szeregowy W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzające jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika (wirnika) i uzwojeniem biegunów komutacyjnych. Prąd pobierany z sieci jest jednocześnie prądem twornika i prądem wzbudzenia, I = I a = I f. Z tego względu właściwości ruchowe silników szeregowych w zasadniczy sposób różnią się od właściwości ruchowych silników bocznikowych. Przy małym nasyceniu obwodu magnetycznego Rys. 8.53. Schemat połączeń silnika szeregowego Moment silnika szeregowego jest wprost proporcjonalny do kwadratu prądu twornika
Strumień zależy bowiem od prądu obciążenia (przy każdej zmianie obciążenia zmienia się strumień) wzrostowi momentu obciążenia odpowiada wzrost prądu obciążenia i wzrost strumienia zgodnie z charakterystyką magnesowania obwodu magnetycznego maszyny. Charakterystyka mechaniczna silnika szeregowego. W zakresie prędkości mało różniących się od prędkości znamionowej można przyjąć, że charakterystyka mechaniczna silnika szeregowego jest hiperbolą. Taką charakterystykę nazywa się szeregową. 8.55 Charakterystyka mechaniczna silnika szeregowego Widać, że przy małym momencie obciążenia prędkość przybiera duże wartości, wirnik się rozbiega.
Rys. 8.56. Porównanie momentów rozruchowych i prądów rozruchowych silnika bocznikowego (1) i szeregowego (2) Bardzo duża prędkość obrotowa przy małych obciążeniach może doprowadzić do uszkodzenia silnika ze względu na przekroczenie jego wytrzymałości mechanicznej. 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, sprzęgieł ciernych czy przekładni rozłącznych). Możliwość rozbiegania się silnika szeregowego jest jego wadą, natomiast niewątpliwą zaletą jest duży moment rozwijany podczas rozruchu M r = ci r 2 -jest on bowiem wprost proporcjonalny do kwadratu prądu rozruchowego. Z tego względu silniki te są stosowane do napędu urządzeń ruszających pod dużym obciążeniem.
Silnik szeregowo-bocznikowy (dozwojony) Silnik szeregowo-bocznikowy ma dwa uzwojenia wzbudzające: bocznikowe i szeregowe (rys. 8.57). Jego właściwości są zbliżone do silnika bocznikowego lub szeregowego, w zależności od udziału przepływów bocznikowego i szeregowego. 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. Rys. 8.57. Schemat połączeń silnika (szeregowo-bocznikowego)
Przy dozwojeniu niezgodnym otrzymano by charakterystykę mechaniczną niezapewniającą stabilnej pracy (rys. 8.58a). Porównując charakterystykę mechaniczną silnika szeregowego (rys. 8.55) z charakterystyką mechaniczną silnika zgodnie uzwojonego (rys. 8.58b) widać, że silnik szeregowo-bocznikowy nie ma ujemnej cechy rozbiegania się w stanie jałowym, jaką miał silnik szeregowy. Rys. 8.58 Charakterystyki mechaniczne silnika dozwojonego a) przy dozwojeniu niezgodnym b) przy dozwojeniu zgodnym W porównaniu zaś z silnikiem bocznikowym ma tę zaletę, że wykazuje duży moment rozruchowy.