NAPĘD 

ELEKTRYCZNY

Teresa Orłowska-Kowalska, 

prof. dr hab. inż.

Zakład Napędów Elektrycznych

http://zne.imne.pwr.wroc.pl

godz. konsultacji:  śr.11-13, pt.9-

11

 

 

 

WYKŁAD 7

Charakterystyki silnika 

szeregowego prądu 

stałego

i ich kształtowanie

 

 

Charakterystyki silnika szeregowego 

prądu stałego

Nazwa maszyny szeregowej wynika ze sposobu 
połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem 
twornika:

I

t

=I

w

; R

w

 ≈R

t

.

 

 

 

Charakterystyka silnika szeregowego 

prądu stałego

 

Równanie charakterystyki elektromechanicznej 

silnika szeregowego przyjmuje postać:

(1)

gdzie 



w

(I

t

)– strumień wzbudzenia przy danym prądzie 

twornika I

t

.

Przyjmując: 



w

 = cI

t

 (praca na prostoliniowej 

części charakterystyki magnesowania) oraz (R

t

 

+R

w

) I

t 

<< U

t

 

można wykazać, że charakterystyka 

elektromechaniczna silnika szeregowego ma 

przebieg hiperboliczny:

(2)

gdzie – teoretyczna stała konstrukcyjna. 

 

 

,

t

t

w

e

d

w

t

t

w

e

I

I

k

R

R

R

I

k

U



















,

t

t

e

w

t

t

I

k

cI

k

R

R

I

U











 

 

Charakterystyki silnika szeregowego 

prądu stałego

 

Charakterystyka 



 = f (I

t

) należy do 

charakterystyk miękkich.

 

Moment elektromagnetyczny SSz:

(3)

W przypadku znacznych przeciążeń momentem 
SSz jest  korzystniejszy od bocznikowego 
(obcowzbudnego), gdyż wówczas pobiera z sieci 
prąd o mniejszym natężeniu. 
Tę zaletę SSz wykorzystuje się w układach 
napędowych o ciężkim rozruchu, np. w trakcji, 
urządzeniach transportowych. 

,

2

t

e

t

w

e

e

cI

k

I

k

M







 

 

Regulacja prędkości SSz

  

Możliwości regulacji prędkości kątowej 

SSzwynikają z zależności (1) i (2):

1-  regulacja napięciem zasilania,
2 - regulacja rezystancji dodatkowej w 

obwodzie twornika,

3 - regulacja przez bocznikowanie uzwojenia 

twornika,

4 - regulacja przez bocznikowanie uzwojenia 

wzbudzenia.

Ad.1 – U=var
Jest to regulacja 

„w dół” – aby 

uzyskać płynność 

– regulowane 

źródło napięcia

(przekształtnik)

 

 

 Regulacja prędkości SSz – 

 

R

d

=var

Ad.2 – Rd=var

Jest to też regulacja „w dół”. 

 

Następuje spadek 

sprawności wraz ze zmniejszaniem się prędkości 
kątowej (podobnie jak w SPS - chociaż w 
mniejszym stopniu).

 

 

Regulacja prędkości SSz - 

R

bt

=var

Ad.3 – R

bt

=var

Bocznikowanie obwodu twornika zwiększa 

sztywność charakterystyki el.-mech. oraz może 

zapobiec rozbieganiu się silnika szeregowego 

przy jego znacznym odciążeniu. 

 

 

Regulacja prędkości SSz

 

- 

R

bw

=var

Ad. 4 – R

bw

=var

Bocznikowanie uzwojenia wzbudzenia powoduje 

osłabienie prądu (strumienia) wzbudzenia - jest 

to regulacja prędkości „w górę”. 
Ten sposób regulacji często jest stosowany w 

trakcji w celu zwiększenia prędkości jazdy 

pociągu.

 

 

Hamowanie SSz

 

Hamowanie elektryczne SSz można teoretycznie 

zrealizować trzema metodami: 

• odzyskową, 

• dynamiczną,

• przeciwwłączeniową.

Hamowanie odzyskowe

 (dla prędkości 



 > 



 

0

) jest 

dla SSz

w zasadzie niemożliwe

, ponieważ 



0

 = . 

Hamowanie odzyskowe można jednak zrealizować 

w tzw. warunkach sztucznych, przy specjalnych 

(rzadko stosowanych) połączeniach uzwojeń 

maszyny. 

Powszechnie stosowane

 

jest hamowanie 

dynamiczne

 (prądnicowe, na rezystor hamujący), 

które może odbywać się w 

układzie 

samowzbudnym lub obcowzbudnym.

 

 

 

Hamowanie dynamiczne SSz

 

W układzie samowzbudnym

 należy zachować 

ten sam kierunek prądu w obwodzie wzbudzenia, 

jaki występował przy pracy silnikowej. W innym 

przypadku maszyna może się nie wzbudzić. 

W układzie obcowzbudnym

 należy pamiętać, 

że prąd wzbudzenia jest równy prądowi 

twornika, trzeba zatem zastosować 

wydajne 

źródło prądowe. 

 

 

Hamowanie 

przeciwwłączeniem

 SSz

Hamowanie SSz przeciwwłączeniem (czyli 
prądem sieci) polega na przełączeniu obwodu 
twornika na napięcie o przeciwnej 
biegunowości, przy czym, w celu ograniczenia 
prądu hamowania, w obwód twornika silnika 
należy włączyć rezystor hamowania o znacznej 
wartości:

(4)

Podczas hamowania przeciwwłączeniem – przy 
zmniejszaniu się prędkości kątowej silnika do 
zera – należy silnik odłączyć od napięcia 
zasilającego, aby nie nastąpił rozruch w 
przeciwnym kierunku wirowania. 





w

t

h

h

R

R

I

E

U

R









 

 

Hamowanie 

przeciwwłączeniem

 

SSz

Jeżeli moment obciążenia ma charakter bierny, 

hamowanie odbywa się w II ćwiartce, jeżeli 

czynny (opuszczanie ciężaru) – w IV ćwiartce. 

a) dla przypadku 

M

bier

. 

b) dla przypadku 

M

czyn

.

 

 

 

WYKŁAD 7a

Silnik szeregowy prądu 

stałego

ze sterowaniem 

impulsowym

 

 

Sterowanie napięciowe - 

przekształtniki impulsowe

Regulacja średniej wartości napięcia na 

zaciskach twornika -cykliczne załączanie i 

wyłączanie napięcia o stałej wartości - 

tyrystorowe lub tranzystorowe impulsowe 

sterowniki napięcia (impulsatory, przerywacze, 

czopery). 

Stosuje się:
- zmianę szerokości impulsów przy stałej 

częstotliwości impulsowania f, 

-  zmianę częstotliwości impulsowania przy 

stałej szerokości impulsów 

- zmianę częstotliwości impulsowania przy 

jednoczesnej zmianie szerokości impulsów. 

Amplituda napięcia jest stała i równa napięciu 

zasilającemu. 

 

 

Przekształtniki impulsowe

 

Średnia wartość napięcia wyjściowego:

(1)

gdzie:
                  – okres impulsowania,
                  – względny czas załączenia ( wsp. 

wypełnienia).

 

,

1

max

max

1

0

śr

U

U

T

t

dt

t

U

T

U

i

T

i

i











f

T

i

/

1



i

T

t /

1





 

 

Przekształtniki impulsowe

 

Zakres zmian wypełnienia impulsów, a tym 

samym zakres zmian napięcia wyjściowego, 

wynosi:

0  



  1,

0  U

śr

  U

max 

.

Regulacja impulsowa napięcia na zaciskach 

silnika wykazuje wiele zalet w porównaniu z 

metodami tradycyjnymi:

 umożliwia realizację bezstopniowego rozruchu, 

regulację prędkości kątowej, hamowania oraz 

pracy nawrotnej silnika,

 powoduje zmniejszenie energochłonności 

układu napędowego w wyniku eliminacji strat 

podczas rozruchu i regulacji prędkości 

kątowej,

 umożliwia realizację zamkniętych układów 

regulacji,

 sterowniki impulsowe mają niewielkie wymiary 

i ciężar.

 

 

Układy połączeń sterowników z SSz

 

 

a- układ do 

regulacji 
prędkości od 0 
do 



N

b- układ do 

hamowania dyn. 

z płynną regul. i

t

 

w wyniku 

zmiany wartości 

R modulowanej, 

(a więc 

momentu 

hamującego)

c- układ do 

hamowania z 

częściowym 

zwrotem energii 
do sieci.

 

 

 

a)

1

A

2

B

1

D

2

D

U

M

0

D

ST

M

ST

R

U

M

0

D

ST

b)

c)

1

A

2

B

1

D

2

D

1

A

2

B

1

D

2

D

 

 

Przebieg napięcia i prądu silnika 

zasilanego ze sterownika impulsowego

 

 

Przebiegi prądowe 

rozpatruje się dla 
dwóch stanów pracy 
sterownika: 

 dla stanu załączenia 

sterownika: 0  t  t

1

,

 dla stanu wyłączenia 

sterownika: t

1

  t  T.

gdzie:





,

1

1

e

T

t

n

n

e

I

I

I

i













,

 

2

2

m

T

t

m

I

e

I

I

i

e













K

c

R

Φ

c

U

I

e

t

e

n







0





K

c

R

Φ

c

I

e

t

e

m





0

 

 

Przekształtniki impulsowe

 

Z zależności tych można określić:

• średnią wartość prądu 

• skuteczną wartość prądu 

• moment 

• prędkość kątową silnika:

gdzie:                            - aproksymacja nieliniowej ch-ki 

magnesowania





,

1

2

1

śr

t

I

t

I

T

I

m

n

i







 



,

1

2

2

2

sk

I

I

I

I

T

T

I

I

m

n

e

n













,

2

sk

śr

0

śr

KI

I

Φ

c

M

e









.

śr

0

śr

I

K

Φ

c

R

I

U

e











,

0

Ki

Φ

Φ





 

 

Przekształtniki impulsowe

 

W praktycznych układach sterowników impulsowych 

przeznaczonych do zasilania silników szeregowych można 

wyróżnić dwa podstawowe rozwiązania:

 sterowniki impulsowe prądu stałego z zastosowaniem 

tyrystorów mocy;

 sterowniki impulsowe wykonane z zastosowaniem 

tranzystorów mocy.

Częstotliwość impulsowania w sterownikach 

tyrystorowych < 1000 Hz. Stosunkowo niska częstotliwość 

impulsowania powoduje, że w sterownikach tyrystorowych 

stosowane są dodatkowe dławiki w obwodzie twornika 

silnika, aby utrzymać ciągłość prądu i ograniczyć pulsację. 

W sterownikach impulsowych dużej mocy, przeznaczonych 

do napędów trakcyjnych, stosowane są obecnie układy z 

tyrystorami GTO.

 

 

SSz prądu stałego pracują bardzo często w napędach 

trakcyjnych – ze względów bezpieczeństwa – wymagane 

jest hamowanie dynamiczne. Hamowanie to może być 

łatwo zrealizowane w układach tranzystorowych 

sterowników napięcia (schemat b) 

 

 

WYKŁAD 6a

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

- czas na 

odpoczyne

k....