Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki Opracował: Mgr inż. Marek Staude
Wiadomości do tej pory Podstawowe pojęcia Elementy bierne Podstawowe prawa obwodów elektrycznych Moc w układach 1-fazowych Pomiary parametrów elementów i układów Akumulatory
Część 7 Maszyny prądu stałego
Maszyny prądu stałego Silnik prądu stałego jest silnikiem elektrycznym zasilanym prądem stałym i służy do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną. Jako maszyna elektryczna prądu stałego może pracować zamiennie jako silnik lub prądnica. W tym drugim przypadku wirnik napędzany jest energią mechaniczną dostarczona z zewnątrz, a na zaciskach uzwojenia twornika odbierana jest wytworzona energia elektryczna. Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe, to znaczy takie, w których uzwojenie twornika zasilane jest prądem poprzez komutator. Istnieją również silniki prądu stałego które nie posiadają komutatora lub też komutacja przebiega na drodze elektronicznej. 1
Budowa silnika prądu stałego Silnik elektryczny składa się z części nieruchomej - stojana (5 i 6) - i ruchomej - wirnika (8) połączonego z komutatorem (3). Stojan stanowi uzwojenie silnika, które jest wykorzystywane do wytworzenia pola magnetycznego (7), zwanego też polem wzbudzenia. Wirnik o kształcie ramki jest umieszczony w polu magnetycznym stojana. Do zacisków wirnika jest doprowadzany poprzez komutator prąd stały. Komutator (3) to wielosegmentowy pierścień, do którego są dociśnięte szczotki węglowe (2). Służy on do zmiany zwrotu natężenia prądu w wirniku po wykonaniu przez niego obrotu, co umożliwia kontynuację ruchu obrotowego. Dzieje się to za sprawą podłączenia dodatniego źródła zasilania z drugim segmentem komutatora. Gdyby nie było komutatora, wirnik zatrzymałby się w pozycji pionowej. Wirnik jest przewodnikiem z płynącym prądem (4), umieszczonym w polu magnetycznym, stąd też działa na niego siła elektrodynamiczna (10), wytwarzająca moment obrotowy i powodująca jego obrót (9). Ruch wirnika jest wyprowadzany na wał napędowy połączony z maszyną roboczą 2
Budowa silnika prądu stałego 1- kierunek prądu, 2- szczotka węglowa, 3- komutator, 4- kierunek prądu w wirniku, 5- biegun północny pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie, 6- biegun południowy pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie, 7- linie pola magnetycznego, 8- wirnik, 9- kierunek obrotu wirnika, 10- siła elektrodynamiczna 3
4
5
Kierunek wirowania Kierunek siły mechanicznej F ustala reguła lewej dłoni". Silnik bocznikowy pobiera z sieci zasilającej prąd I, który rozgałęzia się na prąd twornika It i prąd wzbudzenia (magnesujący) Im. Prąd twornika It zależy od stanu obciążenia silnika, a prąd wzbudzenia Im ma zazwyczaj wartość stałą niezależną od warunków pracy. Prąd wzbudzenia przebiegający w uzwojeniach biegunów głównych wytwarza strumień magnetyczny ϕ. W wyniku wzajemnego oddziaływania prądu twornika It i strumienia ϕ powstaje moment elektromagnetyczny 6
Rodzaje silników prądu stałego silnik prądu stałego obcowzbudny silnik prądu stałego z magnesami trwałymi, którego budowę i działanie opisano powyżej lub z elektromagnesami, t.j. z osobnym uzwojeniem wzbudzenia w stojanie zasilanym z oddzielnego źródła zasilania niż obwód twornika stosowane głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów; silnik prądu stałego samowzbudny silniki z elektromagnesem w stojanie mogą mieć połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo, równolegle (bocznikowo) lub w sposób mieszany. Sposób podłączenia określa rodzaj silnika; silnik szeregowy o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym szeregowo z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się dużą zależnością prędkości obrotowej od obciążenia. Zmniejszanie obciążenie powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie do nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji zniszczeniem silnika. Jest to jego poważna wada. Dlatego tego typu silników nie wolno włączać bez obciążenia. Stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp. 7
Rodzaje silników prądu stałego silnik bocznikowy o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie przyłączonym równolegle z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się małą podatnością na zmianę prędkości obrotowej na skutek zmiany obciążenia. Stosowany głównie w napędach obrabiarek, pomp, dmuchaw, kompresorów; silnik szeregowo-bocznikowy o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej wady silnika szeregowego możliwości jego rozbiegania przy braku obciążenia, a także ma jego zalety duży moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów i zależność prędkości obrotowej od obciążenia. Stosowany jest zazwyczaj jako silniki dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych. 8
9
10
11
12
Wpływ pola twornika na pole wypadkowe Oddziaływanie pola twornika na pole wzbudzenia zniekształcenie pola wypadkowego maszyny (przesunięcie osi neutralnej) osłabienie strumienia magnetycznego maszyny (przy nasyconym obwodzie magnetycznym) Oddziaływanie twornika może być kompensowane przez: bieguny komutacyjne (BK) umieszczone w strefie neutralnej uzwojenie kompensacyjne (UK) umieszczone na biegunach głównych 13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25