Silniki prądu stałego - Pracownia elektryczna TZN

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 cu, c£ — stałe zależne od parametrów silnika.
W ustalonym stanie pracy, momentowi obciążenia Mh 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 Rf = const
zwanych charakterystykami mechanicznymi silnika prądu stałego oraz
charakterystyki:
M = f(I) przy U = const i Rf = 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 Rt = const (prąd wzbudzenia jest stały).
n - prędkość obrotowa wirnika
U - napięcie zasilania wirnika
Rac - oporność obwodu twornika
Ia - 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.
Rf = 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 n0 do
obciążenia znamionowego nN 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 Rf = 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 Rar 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 Rfr powoduje
zmniejszenie prądu wzbudzenia i strumienia Φ,pociąga za sobą wzrost
prędkości obrotowej, ale również zmianę prędkości idealnego biegu jałowego
n0.
Charakterystyka M = f(I) przy U = const i Rf = 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 = Ia = If.
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 Mr = 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.