str. 1

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. 8.26.
- 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 Ia i w związku z tym wokół
uzwojeń twornika wytwarza się pole magnetyczne twornika. Obraz tego pola przedstawiono na rys. 8.27.
str.1
Strumień twornika, nakładając się na strumień główny, zniekształca go dając pewien strumień wypadkowy,
którego obraz przedstawiono na rys. 8.28.
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
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 (Ia) 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 Pin 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 ΔPFE, powstające w obwodzie magnetycznym twornika. Są one funkcją strumienia
magnetycznego i częstotliwości przemagnesowywania obwodu. Straty w rdzeniu wynoszą
(0,05÷0,1)PN;
straty obciążeniowe ΔPobc związane z przepływem prądu przez obwód twornika o rezystancji Rac,
uzwojenie kompensacyjne o rezystancji RK, uzwojenie biegunów komutacyjnych o rezystancji Rb,
uzwojenie szeregowe wzbudzające o rezystancji Rf oraz straty na rezystancji przejścia między
szczotkami a komutatorem, czyli
Δ
str.3
Δ
Straty te dla Ia = IN wynoszą ΔPobc = (0,10÷0,4)PN i zmieniają się przy każdej zmianie obciążenia
(zmianie prądu Ia)


straty wzbudzenia ΔPf w uzwojeniu obcowzbudnym lub bocznikowym. Wynoszą one (0,05÷0,01)PN
straty mechaniczne ΔPm, 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)PN.
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. 8.35.
Sprawność silnika podawana w jego danych znamionowych jest zawsze sprawnością przy obciążeniu
znamionowym.
str.4