Silniki prądu stałego
Każda maszyna prądu stałego może pracować jako
generator albo jako silnik (rys. 1). Jeżeli w silniku prąd
płynie przez uzwojenia w kierunku od początku (1) do
końca (2), następuje ruch w prawo. Przy pracy genera-
torowej kierunek prądu w uzwojeniach będzie zachowany,
jeżeli maszyna będzie napędzana w lewo.
Silniki prądu stałego umożliwiają w szerokim zakresie
niezależną od obciążenia i bezstopniową regulację
prędkości obrotowej, np. w obrabiarkach, urządzeniach
dz
wigowych i pojazdach.
1. Budowa i sposób działania
Stojan (tzw. magneśnica) składa się z pierścieniowego
rdzenia ze stali i biegunów głównych, wykonanych z
blachy elektrotechnicznej. Na nich umieszczone są
uzwojenia wzbudzenia (rys. 2). Przy silnikach o większej
mocy mogą być potrzebne dodatkowo bieguny
pomocnicze (tzw. zwrotne) i uzwojenia komutacyjne.
Silniki prądu stałego przeznaczone do zasilania z
prostowników mają magneśnice wykonane z blach elek-
trotechnicznych, ze żłobkami mieszczącymi uzwojenia
stojana.
Wirnik (twornik) składa się z pakietu blach ze żłobkami,
w których umieszczone jest uzwojenie. Początki i końce
zezwojów (cewek) są wlu-towane w działki kolektora
(komutatora).
Wytwarzanie momentu obrotowego opiera się na
działaniu sił na przewodzące prąd przewody wirnika,
znajdujące się w polu magnetycznym biegunów
głównych. Przy obracaniu się wirnika w polu
magnetycznym, w jego uzwojeniach indukuje się napięcie.
Jest ono skierowane przeciwnie do przyłożonego napięcia
sieci i ogranicza prąd wirnika. W stanie nieruchomym to
przeciwnapięcie wirnika U, jest równe zeru. Rezystancja
wirnika jest bardzo mała, więc przy bezpośrednim
załączeniu popłynąłby niedopuszczalnie duży prąd.
Silniki prądu stałego wymagają stosowania
rezystorów rozruchowych, w celu ograniczenia
prądu rozruchu (rys. 3).
Podczas pracy prędkość obrotowa i przeciwnapięcie wirnika są zależne od obciążenia.
Wzrost obciążenia wymaga, przy stałej wartości napięcia zasilania, większego poboru
prądu. Wobec tego prędkość obrotowa musi się zmniejszyć, żeby wskutek tego zmalało
przeciwnapięcie wirnika U,.
1
Doprowadzenie prądu do wirnika następuje, przez szczotki i komutator, w strefie
neutralnej pomiędzy biegunami głównymi. Prąd w uzwojeniach wirnika wytwarza
pole magnetyczne skierowane poprzecznie do pola głównego. Nazywa się ono
poprzecznym polem wirnika. Pole poprzeczne wpływa na pole główne. Wskutek tego
położenie strefy neutralnej przesuwa się zależnie od obciążenia. Na szczotkach pojawia
się silne iskrzenie (tzw. ogień), które uszkadza szczotki i komutator. Silniki od ok. 1 kW
mają, w celu uniknięcia tych zakłóceń komutacji, bieguny pomocnicze (rys. 2).
Bieguny pomocnicze (zwrotne) umieszczone są pomiędzy biegunami głównymi.
Uzwojenie biegunów pomocniczych składa się z małej ilości zwojów wykonanych z
grubego drutu i jest połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika. Znosi ono oddziaływanie
pola wirnika na pole wzbudzenia, tzw. wsteczne oddziaływanie twornika, i zapobiega
przesuwaniu się strefy neutralnej.
Niezależnie od uzwojeń pomocniczych mogą być potrzebne uzwojenia kompensujące,
w przypadkach, gdy silniki prądu stałego pracują przy dużych prędkościach obrotowych i
są poddawane dużym zmianom obciążenia. Uzwojenia kompensacyjne są umieszczane
w żłobkach wyciętych wzdłuż nabiegunników biegunów głównych (rys. 2). Są one
połączone szeregowo z uzwojeniami pomocniczymi i uzwojeniem wirnika.
2.Silnik obcowzbudny
W obcowzbudnym silniku prądu stałego uzwojenie wzbudzenia F1-F2 jest zasilane z
obcego z
ródła napięcia (rys. 1). Zatem prąd wzbudzenia jest niezależny od prądu wirnika.
Do grupy obcowzbudnych należą także silniki, które zamiast uzwojenia wzbudzającego
mają magnesy trwałe.
Prędkość obrotowa silników obcowzbudnych zmniejsza się przy ob- i ciążaniu tylko
nieznacznie.
Prąd wzbudzenia jest mały w porównaniu z prądem twornika. Uzwojenie wzbudzenia
nawinięte jest drutem o małym przekroju, ale ma wiele zwojów. Jeżeli rezystor
rozruchowy R1 w obwodzie twornika jest przewidziany do pracy ciągłej, przy
znamionowym wzbudzeniu można regulować prędkość od zera (R1 maksymalny) aż do
prędkości znamionowej (R1 równy zeru). Prędkości większe od znamionowej można
uzyskać przez osłabianie pola wzbudzenia rezystorem regulacji wzbudzenia R2, przy
znamionowym napięciu twornika (rys. 1).
Prędkość obrotową silników obcowzbudnych można regulować i przez zmianę
napięcia twornika oraz prądu wzbudzenia.
2
Ponieważ jednak na rezystorach przy regulacji prędkości występują straty, obwody
twornika i wzbudzenia zasilane są najczęściej przez sterowane prostowniki przyłączone do
sieci trójfazowej. Silniki obcowzbudne nadają się np. do napędów obrabiarek.
3.Silnik bocznikowy
Silniki bocznikowe (rys. 2) mają taką samą budowę jak silniki obcowzbudne, ale
uzwojenie wzbudzenia E1-E2 jest przyłączone równolegle z obwodem twornika do tego
samego z
ródła napięcia. Sterowanie prędkością obrotową odbywa się tak samo jak w
silnikach obcowzbudnych. Przy obciążeniu prędkość spada jedynie nieznacznie. Przy
regulacji prędkości przy użyciu prostowników sterowanych zależność wzbudzenia od
obwodu twornika odbija się niekorzystnie. Dlatego też obecnie w miejsce silników
bocznikowych stosuje się najczęściej silniki obcowzbudne
4.Silnik szeregowy
W szeregowym silniku prądu stałego uzwojenie wzbudzenia D-D2 jest połączone
szeregowo z twornikiem (rys. 3). Natężenie pola wzbudzenia zależy od prądu twornika.
Przy rozruchu i obciążeniu prąd ma duże natężenie, więc wywołuje silne pola twornika i
wzbudzenia. Powstaje silny moment obrotowy.
Silniki szeregowe mają największy ze wszystkich silników początko- I wy moment
rozruchowy.
Przy zmianach obciążenia zmienia się także natężenie pola wzbudzenia, a wskutek tego i
prędkość obrotowa. Przy biegu luzem osłabienie pola wzbudzenia powoduje
niedopuszczalny wzrost obrotów silnika.
Silniki szeregowe mają prędkość bardzo zależną od obciążenia, l a przy biegu luzem
zagraża im rozbieganie.
Ze względu na to, że bieg luzem jest niedopuszczalny, silniki szeregowe są sprzęgane z
maszyną roboczą, np. za pośrednictwem przekładni. Sprzężenie pasowe jest zabronione.
Silniki szeregowe są potrzebne przy ciężkim rozruchu, np. w urządzeniach dz
wigowych,
pojazdach elektrycznych albo jako rozruszniki w pojazdach spalinowych.
3
 5.Silnik szeregowo-bocznikowy
Silniki szeregowo-bocznikowe (szeregowo-równolegte) mają dwa uktady wzbudzenia,
równoległy E1- E2 oraz szeregowy D1- D2. Obydwa są najczęściej połączone tak, że
działają w tym samym kierunku (rys. 1). Dzięki działaniu wzbudzenia równoległego,
silnikowi szeregowo-bocznikowe-mu nie grozi rozbieganie przy biegu luzem. Wskutek
działania wzbudzenia szeregowego, jego prędkość maleje bardziej niż przy silniku
bocznikowym, natomiast początkowy moment rozruchowy jest większy (rys. 2).
Silniki szeregowo-bocznikowe mają własności częściowo takie jak sil- i niki
bocznikowe, a częściowo takie jak silniki szeregowe.
Silniki szeregowo-bocznikowe stosuje się w napędach, w których moment rozruchowy
silnika bocznikowego albo obcowzbudnego byłby nie wystarczający, np. w urządzeniach
dz
wigowych, prasach albo walcarkach z masami o dużej bezwładności.
Nastawianie prędkości obrotowej
i zmiana kierunku wirowania
Regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego może się odbywać w zakresie
poniżej prędkości znamionowej albo w zakresie powyżej prędkości znamionowej. Jeżeli
producent nie podał innych zaleceń, prędkość znamionowa może być przekroczona
najwyżej o 10%. Prędkości w zakresie do wartości znamionowej n regulowane są przez
zmianę napięcia twornika przy znamionowym wzbudzeniu. Można tu wykorzystać
prostowniki sterowane albo rezystor rozruchowy, przystosowany do pracy ciągłej pod
znamionowym obciążeniem (rys. 3a).
Prędkość obrotowa wzrasta przy zwiększaniu napięcia twornika.
Regulacja prędkości w zakresie powyżej wartości znamionowej n odbywa się przez
osłabianie prądu wzbudzenia przy znamionowym napięciu twornika. Przy silnikach
równoległych i obcowzbudnych można tu wykorzystać rezystor osłabiający pole,
4
włączony w obwód wzbudzenia (rys. 3b).
Prędkość obrotowa wzrasta przy osłabianiu prądu wzbudzenia.
Jeżeli przy biegu luzem zdarzy się przerwa w obwodzie wzbudzenia, np. przerwanie drutu
w rezystorze regulacyjnym, silnik może się rozbiegać. Żeby uniknąć przerw wzbudzenia,
obwodu wzbudzenia silnika obcowzbudnego prądu stałego nie wolno zabezpieczać.
Zmiana kierunku wirowania następuje przy zmianie biegunowości pola wirnika albo
pola wzbudzenia. Uzwojenie wzbudzenia mogłoby zostać uszkodzone przez przepięcia
(indukcyjne) powstałe przy przełączaniu. Dlatego w silnikach prądu stałego stosuje się
zmianę biegunowości obwodu wirnika.
Zmiana kierunku wirowania następuje przez zmianę biegunowości i prądu wirnika.
Wirowanie w prawo ma miejsce, jeśli w obwodach wirnika i wzbudzenia prąd płynie od
początku uzwojenia (1) do jego końca (2). Bieguny pomocnicze i uzwojenia
kompensacyjne też muszą mieć zamienianą biegunowość. Przy silniku równoległym z
biegunami pomocniczymi (rys. 3b) mamy przy wirowaniu w prawo przepływ prądu w
obwodzie wirnika od 1B1 do 2B2 oraz w uzwojeniu wzbudzenia od E1 do E2.
Wirowanie w lewo nastąpi przy przepływie prądu przez wirnik od 2B2 do 1B1, oraz przy
nie zmienionym kierunku w uzwojeniu wzbudzenia od E1 do E2
Literatura. dr inż Paweł Fabijański, dr inż. Andrzej Wójciak: Praktyczna
elektrotechnika ogólna. REA 2012
5
Układy pomiarowe.
1. Schemat połączeń silnika bocznikowego
2. Schemat połączeń silnika obcowzbudnego
6