regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO
SILNIK ELEKTRYCZNY JEST MASZYNĄ, KTÓRA ZAMIENIA
ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ NA ENERGIĘ MECHANICZNĄ
BUDOWA I DZIAŁANIE SILNIKA PRĄDU STAŁEGO
Moment obrotowy silnika powstaje
na skutek oddziaływania dwóch pól
magnetycznych – od stojana i wirnika.
Pole magnetyczne stojana może
pochodzić od magnesu trwałego, lub
cewki zasilanej napięciem stałym.
Pole magnetyczne od wirnika
pochodzi od cewki zasilanej
napięciem stałym. Zasilanie do
ruchomej cewki doprowadza się za
pomocą szczotek i komutatora.
Źródło: M. Olszewszki, W. Kościelny, W. Mednis, J. Szaciłło-Kosowski, P. Wasiewicz,
Urządzenia i systemy mechatroniczne, REA, Warszawa 2009.
BUDOWA I DZIAŁANIE SILNIKA PRĄDU STAŁEGO
Komutator zapewnia odpowiednie
przełączanie napięcia na uzwojenia
wirnika i zmianę kierunku przepływu
prądu, dzięki czemu uzyskuje się stały
kierunek obrotu wirnika
Źródło: M. Olszewszki, W. Kościelny, W. Mednis, J. Szacidło-Kosowski, P. Wasiewicz,
Urządzenia i systemy mechatroniczne, REA, Warszawa 2009.
CECHY SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
ZALETY:
 duży moment rozruchowy,
 łatwy sposób regulacji prędkości obrotowej w dużym zakresie,
 prosty sposób zmiany kierunku wirowania.
WADY:
 mała trwałość i niezawodność – wymóg częstej konserwacji,
 iskrzenie pod szczotkami,
 głośna praca,
 wrażliwość na przeciążenia – większa niż dla SPP.
CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
CHARAKTERYSTYKI ROZRUCHOWE – określają właściwości silnika od momentu
włączenia zasilania do osiągnięcia przez niego stanu ustalonego. Mogą to być
zależności:
 prądu rozruchowego w funkcji czasu,
 momentu rozruchowego w funkcji czasu,
 prędkości w funkcji czasu.
CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
CHARAKTERYSTYKI ROBOCZE – określają zachowanie się silnika w stanach
ustalonych. Mogą to być zależności:
 prędkości w funkcji momentu,
 prędkości w funkcji prądu,
 prądu w funkcji momentu.
CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
CHARAKTERYSTYKI REGULACYJNE – określają zachowanie się silnika podczas
regulacji prędkości obrotowej silnika. Brana jest tutaj pod uwagę regulacja
poprzez zmianę wszelkiego rodzaju parametrów wpływających na prędkość
obrotową.
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Ze względu na sposób zasilania obwodu wzbudzenia:
 obcowzbudne,
 samowzbudne.
Ze względu na połączenie uzwojeń wirnika i stojana:
 bocznikowe,
 szeregowe,
 szeregowo-bocznikowe.
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Oznaczenia uzwojeń silników prądu stałego:
 A – uzwojenia wirnika (twornika),
 B – uzwojenia biegunów komutacyjnych,
 C – uzwojenia kompensacyjne,
 D – uzwojenia stojana (wzbudzenia) szeregowe,
 E – uzwojenia wzbudzenia bocznikowe,
 F – uzwojenia wzbudzenia zasilane z osobnego źródła.
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
SILNIKI OBCOWZBUDNE – silniki z magnesem trwałym w stojanie lub takie
których uzwojenie stojana (uzwojenie wzbudzenia) jest zasilane z osobnego
źródła.
A1
A2
F1
F2
A1
A2
Charakteryzują się niezależną od obrotów wirnika indukcją magnetyczną i
szybką reakcją na zmiany napięcia zasilania.
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
SILNIKI SAMOWZBUDNE BOCZNIKOWE – silniki, w których uzwojenie twornika
połączone jest równolegle z uzwojeniem wzbudzenia.
E1
E2
A1
A2
Charakteryzują się mało zależną od
obciążenia prędkością obrotową i
możliwością dokładnej, płynnej regulacji
prędkości w dużym zakresie przy
zachowaniu sztywnej charakterystyki
mechanicznej.
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
SILNIKI SAMOWZBUDNE BOCZNIKOWE – silniki, w których uzwojenie twornika
połączone jest równolegle z uzwojeniem wzbudzenia.
E1
E2
A1
A2
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
SILNIKI SAMOWZBUDNE SZEREGOWE – silniki, w których uzwojenie twornika
połączone jest szeregowo z uzwojeniem wzbudzenia.
D1
Charakteryzują się zwiększaniem się
prędkości obrotowej przy zmniejszaniu
się obciążenia, co grozi rozbieganiem się
silnika. Jego zaletą jest bardzo duży
moment rozruchowy.
D2
A1
A2
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
SILNIKI SAMOWZBUDNE SZEREGOWE – silniki, w których uzwojenie twornika
połączone jest szeregowo z uzwojeniem wzbudzenia.
D1
D2
A1
A2
RODZAJE SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
SILNIKI SAMOWZBUDNE SZEREGOWO-BOCZNIKOWE – silniki, które mają
uzwojenie stojana dzielone na część szeregową i część równoległą do uzwojenia
twornika.
Charakteryzują się dużym momentem
D1 rozruchowym i stałą prędkością.
Wyeliminowane jest zjawisko rozbiegania
się.
Często pracuje w układzie szeregowo
bocznikowym tylko przy rozruchu (dla
E1
E2
D2
uzyskania dużego momentu), a po
uruchomieniu zwierane jest uzwojenie
A2
A1
szeregowe (dla uzyskania dokładnej
regulacji prędkości).
ROZRUCH SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Jak wynika z charakterystyk elektromechanicznych naturalnych silników prądu
stałego przy prędkości obrotowej n = 0 prąd płynący przez uzwojenia silnika
jest bardzo duży. Wynika to z zależności:
U = E + IA · RA → IA = (U – E)/RA
Przy prędkości n = 0 napięcie indukowane w wirniku E jest równe 0. dlatego
cale napięcie zasilające odkłada się na rezystancji twornika. Ponieważ
rezystancja ta jest mała to prąd płynący przyjmuje duże wartości.
ROZRUCH SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Aby ograniczyć prąd rozruchowy należy w szereg z wirnikiem włączyć
dodatkowy rezystor (tzw. rozrusznik), którego rezystancja będzie zmniejszana
w miarę zwiększania się prędkości obrotowej wirnika. Działanie rozrusznika
można przedstawić na charakterystykach rozruchowych:
REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Regulacja prędkości silnika prądu stałego przy pewnej wartości prądu
płynącego przez uzwojenie wirnika może odbywać się przez zmianę:
 napięcia zasilania,
 rezystancji obwodu twornika,
 strumienia magnetycznego.
REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Regulacja prędkości silnika bocznikowego lub obcowzbudnego przez zmianę
napięcia zasilania przy stałym prądzie wzbudzenia :
REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Regulacja prędkości silnika bocznikowego lub obcowzbudnego przez zmianę
strumienia magnetycznego przy stałym napięciu zasilania:
REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Regulacja prędkości silnika szeregowego przez zbocznikowanie obwodu
twornika:
REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO
Regulacja prędkości silnika szeregowego przez zbocznikowanie obwodu
wzbudzenia:
SILNIKI BLDC
Główne wady silników prądu stałego wynikają ze stosowania komutatora i
szczotek. Współcześnie coraz bardziej popularne stają się silniki BLDC (ang.
BrushLess Direct-Current motor) z magnesami trwałymi w wirniku i
nieruchomymi cewkami w stojanie. Stosuje się dla nich komutatory
elektroniczne budowane dzięki wykorzystaniu elementów półprzewodnikowych
takich jak tyrystory i triaki.
SILNIKI BLDC
Zalety silników BLDC:
 większa trwałość i niezawodność,
 większa sprawność – mniejsze straty mocy,
 cicha praca,
 lepsze odprowadzanie ciepła,
 kontrola prędkości obrotowej prawie niezależnie od mocy silnika.
Wady silników BLDC:
 duże koszty produkcji,
 utrudnione przezwajanie.
Dziękuję za uwagę