6. 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
maszynÄ…:
- obcowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego z
ródła (innego niż
uzwojenie twornika), lub
- samowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z tego samego z
ródła co uzwojenie
twornika (prÄ…dnice).
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: N " m
Oznaczenia:
Ś - strumień magnetyczny jednego bieguna,
N - liczba prętów uzwojenia twornika,
a - liczba gałęzi równoległych uzwojenia twornika.
p - liczba par biegunów,
n - prędkość obrotowa,
Ia- prÄ…d 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 , dz
wignic 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 wzbudzajÄ…ce szeregowe - D1 - D2,
5) uzwojenie wzbudzajÄ…ce 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 prÄ™dkość silnika É = 0, a wiÄ™c siÅ‚a elektromotoryczna E = 0. PrÄ…d 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
PrÄ…d twornika:
PrÄ…d rozruchu silnika:
Całkowitą rezystancję rozrusznika oblicza się ze wzoru:
gdzie:
Iroz - dopuszczalny prÄ…d 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 Åš.
Rys. 13 Nastawianie prędkości obrotowej silnika prądu stałego
Oznaczenia: M - moment obrotowy, P - moc, Ua - napięcie twornika,
Ia - prąd twornika, Ś - strumień magnetyczny główny
Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego dobiera się w należności od wymagań
układu napędowego. Z tego względu rozróżnia się trzy rodzaje nastawiania lub regulacji prędkości
obrotowej:
I. gdy regulacja następuje od obrotów minimalnych nmin do nN, za pomocą napięcia lub rezystancji
w obwodzie twornika przy stałym elektromagnetycznym momencie obrotowym,
II. gdy regulacja następuje od obrotów znamionowych nN do nI za pomocą zmniejszania strumienia
magnetycznego przy stałej mocy znamionowej. Prędkość obrotowa nI> nN,
III. gdy regulacja następuje od prędkości obrotowej nI do n max za pomocą zmniejszania strumienia
Ś przy jednoczesnym zmniejszaniu prądu twornika. W celu osiągnięcia większej prędkości
obrotowej od znamionowej przy napięciu UN i rezystancji zewnętrznej w obwodzie twornika Rr = 0
należy strumień magnetyczny zmniejszyć według wzoru:
Zmniejszenie strumienia magnetycznego uzyskuje siÄ™:
- w silniku obcowzbudnym - przez obniżenie napięcia wzbudzenia.
- w silniku bocznikowym oraz bocznikowo-szeregowym - za pomocÄ… nastawnika oporowego
włączonego
szeregowo z uzwojeniem wzbudzajÄ…cym bocznikowym.
- silnikach szeregowych - za pomocą nastawnika oporowego włączonego równolegle z uzwojeniem
wzbudzajÄ…cym
6.5.4 Hamowanie silnika
Hamowanie elektryczne urządzenia napędzanego za pomocą maszyny prądu stałego występuje
przy jej pracy prądnicowej. Wytwarzana wówczas energia może być zwracana do sieci (hamowanie
odzyskowe) lub wytracana w zamkniętym obwodzie twornika (hamowanie dynamiczne). Hamowanie
dynamiczne stosuje się zarówno w silnikach obcowzbudnych, bocznikowych jak i szeregowych.
Hamowanie elektryczne silnika może wystąpić również na skutek zmiany kierunku
elektromagnetycznego momentu obrotoweg (np. przez zmianÄ™ zwrotu prÄ…du w uzwojeniu twornika).
Jest to tzw. hamowanie przy przeciwwłączeniu, Polega ono na nagłej zmianie biegunowości napięcia
na zaciskach twornika i jednoczesnym włączeniu opornika w szereg z twornikiem. Ten rodzaj
hamowania stosuje się do wszystkich rodzajów silników prądu stałego.
6.5.5 Zmiana kierunku wirowania - stosuje siÄ™ przez zmianÄ™ kierunku prÄ…du w uzwojeniu twornika
(lub w uzwojeniach wzbudzających główne pole magnetyczne).
6.5.6 Prądy w uzwojeniach silników prądu stałego:
a) silnik obcowzbudny
- prÄ…d w obwodzie twornika Ia= I
- prÄ…d w obwodzie wzbudzajÄ…cym If = Uf / Rf
b) silnik bocznikowy
- prÄ…d w obwodzie twornika Ia= I - If
- prÄ…d w obwodzie wzbudzajÄ…cym If = Uf / Rf
c) silnik bocznikowo-szeregowy
- prÄ…d w obwodzie twornika Ia= I lub Ia= I - If
- prÄ…d w obwodzie wzbudzajÄ…cym If = Uf / Rf lub If = Uf / Rf
d) silnik szeregowy
- prÄ…d w obwodzie twornika Ia= If = I