Zasada działania oparta jest na oddziaływaniu przewodnika (poruszającego się w polu magnet.) i stacjonarnego pola magnetycznego. Aby zachować stały kierunek momentu (silnik) lub SEM (prądnica, trzeba zmieniać kierunek prądu w uzwojeniach (przełączać-komutować).Komutator-jest nieodłączną częścią maszyny prądu stałego. Unipolarne-praktycznie nie występuje. Wirnik-(twornik) blachowany ze żłobkami otwartymi i komutator. Stojan-duża <=7mm,B=0,6-1T Moc M <=5-10MW ze wzgl. na komutator (U=120-1000 V) Ze względu na wzbudzenie maszyny Pr_ dzielą się na: -obcowzbudne + -samowzbudne = prądnice -bocznikowe + -szeregowe + -szereg.-bocznikowe = prądnica i silnik
Uzwojenie maszyny prądu stałego 1. uzwojenie pierścieniowe rys.1 uzwojenie jest zamknięte (zwarte) ale przy pełnej symetrii ΣEp=0 i nie płynie prąd. Prąd popłynie po podłączeniu obciążenia (rezystancji) do zacisków ”+ -”(szczotek) SEM na szczotkach jest równa SEM indukowanej pod jednym biegunem (SEM gałęzi). Szczotki są umieszczone w osi prostopadłej do osi biegunów. Prą obciążenia jest sumą prądó gałęziowych, SEM i prąd są pulsujące(im więcej cewek- prętów czynnych , tym mniejsza pulsacja) Ten sam twornik można umieścić w polu o większej liczbie par biegunów co spowoduje zmniejszenie SEM a wzrost prądu obciążenia p- liczba par biegunów p= a-liczba par gałęzi Eg=1/2p ΣEp =E I= Zp*Ip P=E*I P=Ip*ΣEp=const. Liczba szczotek = 2p, szczotki równoimienne łączymy ze sobą Bardzo ważna jest symetria budowy uzwojenia i obwodu magnetycznego oraz szczotek w strefie neutralnej. Strefa neutralna (obszar gdzie B=0) jest w rzeczywistości mocno zawężona a rozkład indukcji nie jest prostokątny τp=πDTW /2p 2.uzwojenie bębnowe (współcześnie wykonywane) wykorzystywane są obydwa boki cewki jako czynne. Uzwojenie jest dwustronne a SEM 2 razy większa, bo boków czynnych jest 2 razy więcej. Przewody są układane w żłobki i mocowane przy pomocy klinów. Rozpiętość cewki jest równa podziałce biegunowej- uzwojenie jest zbudowane na określoną liczbę par biegunów. Wirnik bębnowy jest prostszy technologicznie (żłobki na zewnątrz a nie wydrążone wewnątrz).Łatwiej wykonać uzwojenie a miedź jest lepiej wykorzystana(wszystkie boki są czynne ale połączenia czołowe dłuższe). Każde uzwojenie pierścieniowe można przekształcić w uzw. bębnowe, pętlicowe proste jeden raz zamknięte. Jest to podstawowe uzw. maszyn pr.stałego większej mocy(powyżej 50kW). Można wykonać uzw. pętlicowe wielokrotne (rzadko stosowane). 2.2. uzwojenie pętlicowe 2 krotne Wykorzystujemy co drugi żłobek i co drugą działkę komutatora tworząc uzwojenie zamknięte a następnie wykorzystując pozostałe żłobki i działki tworzymy drugie identycznie zamknięte uzwojenie. Uzw. nie mają połączenia galwanicznego(miedzy sobą) i są zwarte jedynie przez szczotki. Szczotki muszą mieć szerokość 2 działek komutatora a liczba działek jest parzysta.rys5. W uzw. 2-krotnym SEM jest 2razy mniejsza a prąd 2 razy większy. P=I*E= const. 2.3. uzwojenie faliste proste (podstawowe uzw. dla maszyn mniejszej mocy). Uzw. wykonuje się dla p>1 Uzw. faliste proste jest jeden raz zamknięte. Warunek wykonywalności. K- liczba działek yK- rozpiętość cewki yK=(K-1)/p=L.C. Uzw. faliste proste jest najbardziej szeregowe tzn. daje największą SEM przy najmniejszym prądzie. Wartości E , I nie są zależne od „p” (odwrotnie jak w pętlicowym). Podobnie jak pętlicowe faliste można wykonać jako wielokrotne ale nie stosuje się tego w praktyce. Symetria uzwojeń W maszynie prądu stałego źródłem SEM są równolegle połączone gałęzie, których liczba jest zawsze parzysta. a-liczba par gałęzi. SEM gałęzi muszą być równe aby nie płynęły prądy wyrównawcze. Warunki symetrii uzwojenia 1. K/a=L.C. 2K=N - liczba boków czynnych K- l. działek komutatora. N/2a=L.C. W każdej gałęzi taka sama liczba boków czynnych.2. ż/a=L.C. ż -liczba żłobków 3. p/a=L.C. p -liczba par biegunów. Uzwojenie faliste proste jest zawsze symetryczne a=1. Uzwojenie pętlicowe proste-trzeba sprawdzić a=p Jeżeli a>1 to praktycznie nie ma pełnej symetrii. Stosuje się pierścienie wyrównawcze o możliwie małej rezystancji łączące działki komutatora o tym samym potencjale (teoretycznie). Uzwojenie faliste proste (stosowane do 20kW) nie ma nigdy połączeń wyrównawczych. Uzw. pętlicowe-duży prąd. SEM wzbudzona w uzwojeniu twornika rys7 e=B*l*ν B⊥ν⊥l Eg=Bυ*ltw*N'g*ν Bυ*b*lb=Φ, N'g=(N/2a)*(b/τp), τp=(π*Dtw)/2p ν=(π*Dtw*n)/60 ν=(τp*2p*n)/60 zwykle lTW=lb Eg=E CE=(N/60)*(p/a) E=CE*Φ*n Φ=f(im) CE=const Eg-SEM w gałęzi Bυ-indukc. w szczel, lTW-dł. pręta, N'g- liczba przewodów z jednej gałęzi pod nabiegunnikiem, N- liczba przewodów w tworniku, Eg=E- siła na zaciskach, p-l. par biegunów, a-liczba par gałęzi, CE -stała maszyny, Φ-strumień, n- prędk.obr. SEM jest liniowo zależna od n i od Φ ale Φ zależy od im zgodnie z krzywą magnesowania. E≡n , E=f(im) , E≡Φ. Maszyna prądu stałego (prądnica) jest dobrym przetwornikiem prędkości obrotowej (prądnica tachometryczna-do pomiaru pr. obrot.)
Reakcja twornika i moment elektromagnetyczny. Jeżeli do szczotek (zacisków maszyny) przyłączymy obciążenie (rezystancję) to pod wpływem SEM w uzwojeniach popłynie prąd. Prąd płynący w uzwojeniu twornika (przepływ twornika) spowoduje powstanie pola magnetycznego (reakcji twornika). Pole reakcji twornika jest prostopadłe do pola wzbudzenia, powstaje w gł. szczotkach ,pole naturalne. Przepływ prądu powoduje też powstanie siły elektromagnetycznej. Rozkład pola-wykresy z pamięci. Pole reakcji (poprzeczne) domagnesowywuje jedną połowę nabiegunnika a rozmagnesowywuje drugą. Domagnesowywanie jest zawsze mniejsze ze względu na nasycenie. W osi poprzecznej strumień reakcj jest niewielki ze względu na dużą szczelinę powietrzną.
Efekt reakcji twornika - 1.deformacja rozkładu pola magnetycznego typowa dla reakcji poprzecznej. 2.Zmniejszenie strumienia głównego Φobc <Φo ze względu na nasycenie(szczelina mniejsza jak w pr. synchr. a więc nasyca się dość szybko - mały przepływ, duży strumień). 3. Maleje SEM wzbudzana w uzwojeniu. Eobc= CE*Φobc*n ≤ E0= CE*Φo*n im=const. Napięcie na zaciskach maszyny (prądnicy) U=Eobc-Jt* Rt Rt- rezystancja obwodu twornika Eobc= E0-ΔU ΔU-spadek wywołany reakcją twornika ΔU≈ Jt*Rdod - gdzie Rdod wsp. proporcjonalności U=Eo-Jt(Rt+Rdod) ≈ Eo-JtRt. Przybliżenie jest bardzo dobre jeżeli zastosujemy kompensację (uzwojenie szeregowe na biegunach gł.) 4.Następuje przesunięcie strefy neutralnej - nad zwojami podłączonymi do działek ze szczotkami występuje pole o indukcji Br. W uzwojeniach tych indukuje się SEM rotacji. er=Br*l*ν er- powoduje przepływ prądu zamykającego się przez szczotkę co może powodować iskrzenie. Jest to najbardziej groźne dla uzwojeń falistych ze względu na ich szeregowość. W falistym prostym jest zwarte „p” cewek i prąd płynie wymuszony przez E∑. E∑=2*p*en. 5. Następuje wzrost SEMmax w zwoju chociaż SEMśr jest mniejsza. W stanie jałowym Bmax=B0 ; w stanie obciążenia Bmax>Bo. emax=2*l*Bmax*V ; e obcmax> e 0max Powoduje to natężenie izolacji międzydziałkowej. Izolację między działkami obliczamy zawsze na emax (pętlicowe) lub p* emax (falista) przy obciążeniu.( e obcmax) 1-5 efekty niepożądane siły naciągu magn.-siły przech. przez środek - Efekt pozytywny. 6. Reakcja twornika jest źródłem momentu elektromagnetycznego. Mel=Fel*rt rt-promień twornika ; Fel=B*J't*ltw*N*(b/τp) ; B=(Φ/(b*lb)) ; lb=ltw ;
Mel=CM*Φ*Jt Moment elektromagnetyczny jest liniowo zależny od strumienia (podobnie jak E) oraz od prędkości twornika. Mel jest momentem hamującym przy pracy prądnicowej (trzeba napędzać wał) a napędowym przy pracy silnikowej (można napędzać inną maszynę). Aby maszyna pracowała jako silnik trzeba zmienić kierunek prądu w tworniku. J(dw/dt)= Mel-Mnap. opor= 0. Moment el. i prędkość obeotowa decydują o mocy wewnętrznej maszyny. ω[rad/s] Pw=ω* Mel=E*Jt ; ω*CM*Φ=E. Moc rzeczywista oddawana (pobierana) od (do) sieci. P=U*Jt Równania maszyn dla pr. stałego. U=E-It*Rt -prądnica, U=E+Jt*Rt -silnik. PPrąd.=E*Jt-Rt*It2 Pprąd-moc oddana, E*Jt-moc wew., Rt*It2 -straty el. w maszynie ; Psil.=E*Jt-Rt*It2 Psil-moc pobr, E*Jt-moc wew., Rt*Jt2-straty el. w maszynie. Przy pracy prąd. sieciowej E>U i prąd płynie do sieci a jeżeli U>E prąd płynie do maszyny i mamy pracę silnikową. Rzeczywisty moment na wale (napędowy, oporowy) różni się od momentu el. o moment strat mechanicznych (tarcie w łożyskach, opory wentylacji) Mnap/opor=Mel±Mstr.mech.
Reakcja twornika przy przesuniętych szczotkach. Przy biegu jałowym SEM jest mniejsza bo znosi się częściowo w gałęziach. dla α=90° E=0. Prądnica przy obciążeniu kierunek prądu i SEM w przewodach objętych kątem „α„ jest różny. Przepływ twornika powoduje powstanie pola Br zawierającego składową równoległą do B. Występuje reakcja podłużna: 1. rozmagnesowuje przy przesunięciu szczotek zgodnie z „n”, 2. domagnesowuje przy przesunięciu szczotek przeciwnie do „n”.rys12 Przy pracy silnikowej dla tego samego „n” prąd zmienia kierunek, a więc wszystkie reakcje zmieniają kierunek: 1.przesunięcie zgodne z „n” - domagnesowanie n↓, 2.przesunięcie przeciwne do „n” - rozmagnesowanie n↑.
Komutacja w maszynie pr. stałego. Komutacja jest to zespół zjawisk występujących przy zmianie kierunku prądu w poszczególnych zwojach. rys13.Ze względu na prostotę zjawisk przyjmujemy: 1.uzwojenie pierścieniowe, 2.szerokość szczotki równą szerokości działki .V=const.rys14 1.Komutacja prostoliniowa. 2. Komutacja opóźniona (zmiana prądu opóźnia się w czasie) 3. Komutacja przyspieszona (prąd zmienia się za szybko). Najbardziej pożądana jest komutacja prostoliniowa bo wówczas gęstość prądu w szczotce jest stała co zapobiega iskrzeniu. Przy komutacji opóźnionej zwiększa się gęstość prądu na końcu zbiegającym szczotki. Przy komutacji przyspieszonej zwiększa się gęstość prądu na końcu nabiegającym szczotki. Zbyt duża gęstość prądu na niektórych obszarach szczotki jest podstawowym powodem do iskrzenia.
Przyczyną nierównomiernej gęstości pr. może być: 1. nierównomierna powierzchnia komutacyjna, 2. zanieczyszczenie lub naloty, 3. złe przyleganie szczotek, 4. za mały lub za duży docisk, 5. drgania mech., 6. brak kompensacji lub za duża. W komutującym zwoju przy zmianie prądu indukuje się SEM samoindukcji. eS=K1*Jt*n ~(di/dt) (im większy prąd tym większa SEM) Przy obciążeniu indukuje się też SEM rotacji bo zwój jest w polu indukcji Br-ind.twornika. er=K2*Jt*n e~Φr*n Obie SEM dodają się mocno opóźniając komutację. ew=es+er =K*Jt*n Bez środków zaradczych wystąpi silne iskrzenie a nawet łuk elektryczny. Konieczna jest kompensacja ew prez ek przeciwnie skierowaną a przechodzącej od dodatkowego pola Bk wytworzonego przez bieguny komutacyjne. ek=Bk*ν*l ; ek=K'*Jt*n ; ν≡n ; Bk≡Jt. Bieguny komutacyjne są umieszczone nad zwojami komutującymi (w strefie neutralnej prostopadle do biegunów głównych). Prąd magnesujący jest prądem twornika (połączenie szeregowe), a bieguny nie mogą być nasycone Bk≡Jt. Bk jest rzędu 0.2-0.3 T a szczelina ≥2ϑ. Biegunów komutacyjnych nie stosuje się tyklo w b. małych maszynach eW≤2-3V. Drugim warunkiem komutacji prostoliniowej jest odpowiednio duża oporność przejścia szczotka-działka w porównaniu do rezystancji zwoju i doprowadzenia. W maszynach prądu stałego stosujemy odpowiednio dobrane szczotki węglowe i grafitowe o spadku napięcia na oporności przejścia rzędu 2V (na parę szczotek ). W dużych maszynach stosuje się czasem uzwojenie kompensacyjne umieszczone w żłobkach na biegunach głównych i połączone szeregowo z twornikiem. Uzw. kompensacyjne kompensuje oddziaływanie twornika w strefie biegunów głównych (wyrównuje przebieg indukcji )
Prądnice prądu stałego Maszyna w której prąd twornika jest skierowany zgodnie z SEM wzbudzoną w uzw. jest prądnicą. U=E-It*Rt 1.Prądnica obcowzbudna. Rt=RUZ+ ΔRP+Ruzd , RUZ-rezyst. uzw. twornika, ΔRp-rezyst. przejścia szczotka-komutator, Ruzd -rezyst. uzw dodatkowych-komutacyjne, kompensacyjne oraz połączeń. ΔRP*It= ΔU= const. ≅ 2V , U=E-It*Rt , E=CE*φ*n . Praktycznie pomimo stosowania uzw. komutacyjnych i kompensacyjnych E różne const, przy stałym `n` oraz `Iw` ponieważ φ jest różne const. ze względu na reakcję twornika.rys17 Charakterystyka zewn. jest lekko opadająca, praktycznie prostoliniowa do In. Char.b.jałowego(magnesowania).rys18 Eszcz=CE*φSZCZ*n = 2-5%E0
2. Prądnica samowzbudna-bocznikowa. Warunki samowzbudzenia-istnienie φszcz, -odpowiednie połączenie uzw wzbudzenia tak aby: φ wzb+φ szcz=φ wyp, -rezystancja obwodu wzb. mniejsza od krytycznej φ szcz--Eszcz - Iw - φ wzb - E - Iw*Rw=E. Prądnica samowzbudna nie wymaga osobnego żródła nap.do zasilania uzw wzbudzenia.rys20 Prąd wzb a więc i strumień są zależne od nap. na zaciskach prądnicy. W prądnicy samowzbudnej spadek nap. Jest znacznie wiekszy (bo maleje Iw - 0 - E). Prąd zwarcia ustalonego jest mniejszy od znam. I zależy od φ szcz. Przy zwarciu udarowym początkowy prąd zwarcia prądnicy obco i samo wzbudnej jest taki sam (bo φ nie zdąży zaniknąć). Izud=10-20In 3. Prądnica szeregowa IW=It, RW-0 prądnica szeregowa jest bardzo rzadko stosowana ze względu na dużą zmianę nap. deltaU~-100%Uw (ujemna). Prądnicę szeregową nienasyconą można stosować jako tzw. Rezystancję ujemną I=U/R1-R2 4. Prądnica szeregowo-bocznikowa samowzbudna Ilość zwojów uzw. szeregowego dobiera się tak aby fi szcz-Eszcz kompensował zmiane nap. spowodowaną opornością Rt i reakcję twornika przy obciążeniu Eszcz=It*Rt+delta Ur.tw. rys25Prądnica szeregowo bocznikowa (ze wzgledu na mały udział fi szcz nazywana też bocznikową z dozwojeniem(szeregowym) jest najczęściej spotykaną prądnicą pradu stałego w elektrotechnice okrętowej . Obecnie maszyny prądu stałego są wypierane przez indukcyjne.
Silniki prądu stałego Maszyna w której prąd twornika jest skierowany przeciwnie do SEM wzbudzanej w uzwojeniu jest silnikiem. U = E + It ⋅ Rt Mel = CM ⋅ Φ ⋅ Rt Rt - rezystancja całkowita obwodu twornika Przy rozruchu n = 0 E = 0 Itr = U/Rt Mel - Mh = J ⋅(dω/dt) jeżeli Mel > Mh to dω/dt >0 i wał zaczyna się obracać n ≠ 0 E ≠ 0 It = (U - E)/Rt Ponieważ Rt ≈ 0 ( praktycznie 1 - 2 Ω) to Itr jest bardzo duże.Itr = 10 ÷ 30 In jeżeli U = Un W silniku prądu stałego przy rozruchu trzeba obniżyć napięcie zasilające. Praktycznie wykonuje się to przez włączenie w szereg rezystancji rozruchowej zwieranej w miarę wzrostu obrotów. Najczęściej Uwzb = Un Obroty silnika rosną (n ↑ E ↑ It ↓ Mel ↓ φ = const) do momentu gdy Mel = Mh . Jeżeli Mh = 0 -idealny bieg jałowy to Mel = 0 przy ustalonej prędkości takiej że Un = E Un=E = CE ⋅ φ ⋅ n0 n0 = Un/( CE ⋅ φ) Jeżeli Mh >0 to w stanie równowagi Mh = Mel n=(Un - It⋅Rt)/( CE ⋅ φ) Jeżeli φ = const to n = n0 - A ⋅ Mel 1 Silnik obcowzbudny Pwzb/Pzaś = 0,01 Uwzb=const to Iwzb=const → φ = const 2 Silnik bocznikowy Uzaś = Un = Uwzb Izaś = It. W obydwu przypadkach φ = const niezależnie od obciążenia (pomijając podłużną reaktancję twornika) Praktycznie nie ma potrzeby zasilania wzbudzenia z innego źródła niż twornik, prąd wzbudzenia zawsze można dobrać przez Rreg. φ = const to Mel = CM ⋅ φ ⋅ It = k ⋅ It 3 Silnik szeregowy 1 Moment rośnie z kwadratem prądu twornika. Ponieważ prąd twornika jest największy przy rozruchu to i moment rozruchowy jest znacznie większy jak w silniku bocznikowym Mr. Szer >> Mr. Boczn Przy biegu jałowym gdy Mel 0 n0 Silnik rozbiega się bez obciążenia. Silnik szeregowy jest typowym silnikiem trakcyjnym duży moment obrotowy duża prędkość przy małych obciążeniach Przy dużych It występuje nasycenie i φ ≈ const a charakterystyka mechaniczna linearyzuje się. 4 Silnik szeregowo - bocznikowy rys34 W zależności od udziału strumienia szeregowego w strumieniu głównym charakterystyka mechaniczna jest zbliżona do bocznikowej lub szeregowej. φw = φszer + φboczn Silnik szeregowo - bocznikowy nadaje się do dużych obciążeń przerywanych - walce hutnicze, dźwigi : duży moment rozruchowy ;nie rozbiega się
Regulacja prędkości obrotowej1.zmiana U, szeroki zakres, bez strat 2. zmiana φ, niewielki zakres φ = var Mel = var 3. zmiana Rt, szeroki zakres, straty w Rd ad 1. „U'' można zmieniać przez zasilanie silnika z prądnicy regulując prąd wzbudzenia - układ Leonarda. Obecnie stosuje się często przekształtniki tyrystorowe. W trakcji, gdzie z reguły jest wiele silników stosuje się przełączanie z szeregowego na równoległe i odwrotnie. Ad b Regulacja jest tania i prosta ale zakres niewielki zwykle 1:2,5 Przy φ ↓ i Mobc = const rośnie niebezpiecznie I Przy φ ↑ można przegrzać uzwojenie wzbudzenia Ad c Występują duże straty w Rd. ΔPRd = Rd ⋅I2t Zmiana kierunku Mel i obrotów następuje przy zmianie kierunku prądu wzbudzenia lub twornika. Jeżeli zmieniamy jednocześnie kierunek prądu w tworniku i w uzwojeniu wzbudzenia moment obrotowy będzie działał w tym samym kierunku. Silniki prądu stałego a szczególnie szeregowy można zasilać prądem przemiennym i będzie działał. Występują kłopoty z komutacją i straty dodatkowe. Tak działa cała rodzina silników tzw. uniwersalnych do napędu elektronarzędzi i urządzeń gospodarstwa domowego. Są to silniki szeregowe niewielkich mocy.