Maszyny prądu stałego opis.odt

Maszyny prądu stałego

      6.1 Budowa, właściwości i zastosowanie

      Maszyny prądu stałego odznaczają się najbardziej zróżnicowanymi właściwościami użytkowymi i regulacyjnymi. Mają zastosowanie zarówno jako silniki, jak i prądnice, a także w charakterze hamulców. Silniki przetwarzają dostarczoną energię elektryczną na energie mechaniczną, prądnice natomiast zamieniają energię mechaniczną maszyny napędzanej na energię elektryczną. Zjawisko przeciwdziałania momentu elektromagnetycznego momentowi maszyny napędzanej, jakie występuje w prądnicy, można wykorzystać do elektrycznego hamowania.

      Umożliwiają płynną regulację prędkości obrotowej napędów w szerokich granicach oraz rozruch pod dużym obciążeniem. Z tych względów są powszechnie stosowane w przemyśle ciężkim, górnictwie, w napędach maszyn wyciągowych i maszyn walcowniczych. Maszyny trakcyjne mają zwykle od kilku do kilkunastu kW. Najmniejsze maszyny mają zastosowanie jako elementy układów sterowania i automatyki.

      Prędkości maszyn są bardzo różne: silniki największych mocy są na ogół wolnoobrotowe, z kolei w mikromaszynach występują prędkości do kilkunastu tysięcy obr./min.

      Maszyna prądu stałego zbudowana jest z następujących głównych elementów (rys. 11):
a) stojana składającego się:
- z jarzma z nabiegunnikami,
- z biegunów głównych z uzwojeniami wzbudzającymi,
- biegunów komutacyjnych z uzwojeniami komutacyjnymi,
- uzwojeń kompensacyjnych,
- trzymadła szczotkowego oraz
- tarcz łożyskowych,
b) wirnika (najczęściej jest twornikiem), w którego skład wchodzą:
- rdzeń wykonany z pakietu blach ( ze względu na prądy wirowe),
- uzwojenia wirnika, umieszczone w żłobkach rdzenia na jego obwodzie oraz
- komutator z układem szczotek, osadzony na wale wirnika, składający się z odizolowanych od
siebie wycinków wykonanych z miedzi.

Rys. 11 Maszyna komutatorowa prądu stałego
Oznaczenia: 1 - jarzmo stojana, 2 - biegun główny, 3 - nabiegunniki, 4 - uzwojenie wzbudzenia,
5 - biegun komutacyjny, 6 - uzwojenie biegunów komutacyjnych, 7 - uzwojenie kompensacyjne,
8 - twornik, 9 - uzwojenie twornika, 10 - komutator, 11 - szczotki

      Maszyna prądu stałego, w której pole magnetyczne jest wytwarzane przez elektromagnes, może być maszyną:
      - obcowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego źródła (innego niż
        uzwojenie twornika), lub

- samowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z tego samego źródła co uzwojenie
twornika (prądnice).

6.2 Właściwości maszyn prądu stałego

      Jeżeli w uzwojeniu twornika znajduje się N prętów i określona liczba gałęzi równoległych, to siła elektromotoryczna wzbudzana w tworniku wynosi:

      Elektromagnetyczny moment obrotowy można wyrazić zależnością:

      Oznaczenia:
      Φ - strumień magnetyczny jednego bieguna,
      N - liczba prętów uzwojenia twornika,
      a - liczba gałęzi równoległych uzwojenia twornika.
      p - liczba par biegunów,
      n - prędkość obrotowa,
      Ia- prąd twornika.

      6.3 Rodzaje maszyn prądu stałego, zastosowanie

      Ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzającego i uzwojenia twornika, rozróżnia się maszyny:
      — obcowzbudne - do napędu maszyn i urządzeń o dużym zakresie nastawiania prędkości obrotowej,
      — silniki bocznikowe - do napędu maszyn i urządzeń o małym zakresie nastawiania prędkości
          obrotowej,
      — silniki szeregowe - do napędu pojazdów , dźwignic oraz urządzeń wymagających dużego momentu
          rozruchowego przy rozruchu,
      — silniki bocznikowo-szeregowe - napęd urządzeń o dużym momencie bezwładności i dużych
          obciążeniach udarowych, wymagających dużego momentu obrotowego przy rozruchu oraz dużego
          zakresu nastawiania prędkości obrotowej.

      W większych maszynach prądu stałego znajdują sie również tzw. uzwojenia pomocnic ze połączone szeregowo  z uzwojeniem twornika, służące do poprawy warunków pracy maszyny. Są to:
      - uzwojenia komutacyjne,
      - uzwojenia kompensacyjne.

      6.4 Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń (początek - koniec)
      wg. PN--EN 60034-8:2005:
      1) uzwojenie twornika - A1 - A2,
      2) uzwojenie biegunów komutacyjnych - B1 - B2,
      3) uzwojenie kompensacyjne - C1 - C2,
      4) uzwojenie wzbudzające szeregowe - D1 - D2,
      5) uzwojenie wzbudzające bocznikowe - E1 - E2,
      6) uzwojenie obcowzbudne - F1 - F2,
      7) uzwojenie pomocnicze w osi podłużnej - H1 - H2,
      8) uzwojenie pomocnicze w osi poprzecznej - I1 -I2.

6.5 Silniki prądu stałego

      6.5.1 Rodzaje silników i ich właściwości

      Silniki prądu stałego charakteryzują się dobrymi właściwościami ruchowymi np. dużym zakresem prędkości obrotowej i dużym momentem obrotowym przy rozruchu. Ich własności użytkowe zależą od liczby i sposobu połączenia uzwojeń wzbudzających. Na rys. 12 pokazano uproszczone schematy połączeń uzwojeń silników prądu stałego.

      Sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia względem twornika decyduje o właściwościach maszyny prądu stałego.

Rys. 12 Rodzaje połączeń silników prądu stałego:
a) obcowzbudnego, b) bocznikowego, c) szeregowego, d) bocznikowo-szeregowego.

      Uzwojenie biegunów komutacyjnych (pomocniczych) połączone jest szeregowo na stałe z twornikiem, a punkt połączenia nie jest wyprowadzony na zewnątrz silnika. Po połączeniu silnika do zasilania poprzez szczotki i uzwojenie wirnika płynie prąd. Uzwojenie to znajduje się w polu magnetycznym uzwojenia stojana, które oddziałując siłą elektrodynamiczną na pręty uzwojenia twornika powoduje wprowadzenie wirnika w ruch obrotowy. Zastosowanie przekształtników umożliwia zasilanie i regulację silników prądu stałego z sieci prądu przemiennego, co zwiększa ich konkurencyjność dla urządzeń napędowych z silnikami prądu przemiennego.

      6.5.2 Rozruch silników prądu stałego

      W chwili rozruchu prędkość silnika ω = 0, a więc siła elektromotoryczna E = 0. Prąd twornika włączonego bezpośrednio na napięcie znamionowe jest wielokrotnie większy od znamionowego, co doprowadziłoby do zniszczenia silnika. Prąd rozruchowy można ograniczyć przez zmniejszenie napięcia zasilającego, lub włączenie , na czas rozruchu, rezystora Rr, zwanego rozrusznikiem.

      Sposoby rozruchu silnika
      a) Rozruch za pomocą bezpośredniego włączenia do sieci - może być stosowany tylko do silników
          małych, o mocy znamionowej nie większej niż 1 kW.
      b) Rozruch za pomocą rozrusznika oporowego włączonego szeregowo w obwodzie twornika - może
          być prowadzony przy wymaganym momencie oraz prądzie rozruchowym.
      c) Rozruch silnika obcowzbudnego za pomocą regulowanego napięcia twornika jest powszechnie
          stosowany dzięki rozwojowi sterowanych układów półprzewodnikowych.
      d) Rozruch silnika szeregowego następuje także za pomocą rozrusznika oporowego lub za pomocą
          regulowanego napięcia zasilania.

      Elektromagnetyczny moment obrotowy przy rozruchu, zależny od wymagań napędowych i rezystancji rozrusznika; typowy silnik jest przystosowany przez wytwórcę do momentu rozruchowego nie mniejszego niż:
      a) silnik obcowzbudny - 1,8 MN
      b) silnik bocznikowy - 1,8 MN
      c) silnik bocznikowo-szeregowy - 2,0 MN
      d) silnik szeregowy - 2,5 MN

      Prąd twornika:

      Prąd rozruchu silnika:

      Całkowitą rezystancję rozrusznika oblicza się ze wzoru:

      gdzie:
      Iroz - dopuszczalny prąd twornika przy wymaganym rodzaju rozruchu,
      UN - napięcie znamionowe,
    ∑Ra - suma rezystancji silnika w obwodzie twornika.

      6.5.3 Regulacja prędkości obrotowej - za pomocą napięcia w obwodzie twornika, prądu w uzwojeniach wzbudzających strumień główny, rezystancji w obwodzie twornika (dla silników małej mocy). Prędkość obrotowa silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika Rr jest wyrażona wzorem:

      Wynika stąd, że prędkość obrotową silnika prądu stałego można regulować przez zmianę:
      - napięcie zasilania twornika U,
      - rezystancji w obwodzie twornika Rr oraz
      - strumienia Φ.

...