UNIWERSYTET BYDGOSKI im. KAZIMIERZA WIELKIEGO

WYDZIAŁ MATEMATYKI, FIZYKI I TECHNIMKI

TEMAT II

Maszyny prądu stałego

WYKONAŁ:

Dominik Kamiński

ETI II r. 4 sem.

Maszyny prądu stałego

Maszyny prądu stałego:

• Silnik prądu stałego

• Prądnica prądu stałego

Wyróżniamy również następujący podział ze względu na sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia:

• Maszyny obcowzbudne (w tym maszyny z magnesami trwałymi)

• Maszyny samowzbudne

Ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem twornika wśród maszyn samowzbudnych rozróżnia się:

• Maszyny szeregowe - połączenie szeregowe uzwojeń

• Maszyny bocznikowe - połączenie równoległe (bocznikowe)

• Maszyny szeregowo-bocznikowe - uzwojenie wzbudzenia składa się z dwóch części, jedna połączona jest szeregowo a druga równolegle

Maszyny prądu stałego posiadają komutator, co powoduje, że mogą być zasilane prądem stałym, bądź produkują prąd stały, chociaż w uzwojeniach twornika indukowane są napięcia przemienne i płyną prądy przemienne w czasie. Podstawową zaletą maszyn komutatorowych jest łatwość sterowania nimi i regulacji. Podstawową wadą natomiast jest występowanie ruchomego zestyku szczotki-komutator oraz stosunkowo duży koszt wykonania.

Silnik prądu stałego

Silnik prądu stałego jest silnikiem elektrycznym zasilanym prądem stałym i służy do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną.

Jako maszyna elektryczna prądu stałego może pracować zamiennie jako silnik lub prądnica. W tym drugim przypadku wirnik napędzany jest energią mechaniczną dostarczona z zewnątrz, a na zaciskach uzwojenia twornika odbierana jest wytworzona energia elektryczna.

Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe, to znaczy takie, w których uzwojenie twornika zasilane jest prądem poprzez komutator. Jednak istnieje wiele silników prądu stałego które nie posiadają komutatora lub też komutacja przebiega na drodze elektronicznej.

Budowa i zasada działania

1. stojan z magnesem trwałym

2. wirnik z uzwojeniem twornika - prostokątna ramka z drutu.

3. Szczotki - doprowadzające prąd do uzwojenia twornika

4. komutator - pierścień ze stykami - wyprowadzenia z ramki (uzwojenia twornika)

5. wyjścia do zasilania

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi było pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać. Na przewodnik ramki, w którym płynie prąd elektryczny, działają siły oddziaływania prądu i pola magnetycznego, tworzące moment obrotowy. Ramka wychyla się z położenia poziomego obracając się wokół osi. W wyniku swojej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zero a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Podział

Ze względu na sposób wzbudzenia pola magnetycznego dzielą się na:

• silnik prądu stałego obcowzbudny - silnik prądu stałego z magnesami trwałymi, którego budowę i działanie opisano powyżej lub z elektromagnesami, t.j. z osobnym uzwojeniem wzbudzenia w stojanie zasilanym z oddzielnego źródła zasilania niż obwód twornika - stosowane głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów;

(z elektromagnesami) (z magnesami trwałymi)

• silnik prądu stałego samowzbudny - silniki z elektromagnesem w stojanie mogą mieć połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo, równolegle (bocznikowo) lub w sposób mieszany. Sposób podłączenia określa rodzaj silnika.

• silnik szeregowy - o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym szeregowo z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się dużą zależnością prędkości obrotowej od obciążenie. Zmniejszanie obciążenie powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie do nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji zniszczeniem silnika. Jest to jego poważna wada. Dlatego tego typu silników nie wolno włączać bez obciążenia. Stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp.

• Silnik szeregowy może być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany również prądem przemiennym. Silniki takie zwane są też silnikami uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia. W przypadku, gdy silnik ma być zasilany prądem stałym stojan wykonywany jest z litego materiału. Natomiast przy zasilaniu prądem przemiennym część tą wykonuje się z pakietu blach zmniejszając tym samym straty cieplne powstałe na skutek prądów wirowych. Ze względu na stosunkowo małe wymiary przy stosunkowo dużej mocy silniki te znalazły duże zastosowane w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach, sokowirówkach, mikserach, pralkach itp.

• silnik bocznikowy - o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie przyłączonym równolegle z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się małą podatnością na zmianę prędkości obrotowej na skutek zmiany obciążenia. Stosowany głównie w napędach obrabiarek, pomp, dmuchaw, kompresorów;

• silnik szeregowo-bocznikowy - o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej wady silnika szeregowego - możliwości jego rozbiegania - oraz jego zaletami - duży moment obrotowy i duża zależność prędkości obrotowej od obciążenia. Stosowany jest zazwyczaj jako silniki dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.

Prądnicy prądu stałego

Prądnica prądu stałego - prądnica, przetwarzająca energię mechaniczną ruchu obrotowego na energię elektryczną prądu stałego. Składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i z części ruchomej, zwanej wirnikiem. Wirnik służy do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiruje on w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes stały lub uzwojenie stojana zasilane zewnętrznym źródłem prądu stałego. Prąd elektryczny jest odbierany z komutatora znajdującego się na osi wirnika przy pomocy szczotek grafitowych, umieszczonych na stojanie.

Zasada działanie prądnicy prądu stałego

Zasadę działanie prądnicy prądu stałego można najprościej wyjaśnić na zasadzie przewodnika poruszającego się w niezmiennym w czasie polu magnetycznym. Gdy wirnik maszyny pod wpływem zewnętrznego momentu napędowego wiruje w uzwojeniu twornika indukuje się siła elektromotoryczna (tzw. siła elektromotoryczna rotacji) o wartości:
e= B lw v

Gdzie: B - maksymalna wartość indukcji, lw- całkowita długość przewodów poruszających się w polu magnetycznym, v - prędkość liniowa przewodów.


Wartość siły elektromotorycznej, jaka zaindukuje się w uzwojeniu twornika wynosi:
E = k Φ n

Prądnica obcowzbudna

Prądnicą obcowzbudną nazywany maszynę prądu stałego, której uzwojenie wzbudzenia zasilane jest z zewnętrznego źródła lub wyposażoną w magnesy trwałe. Prąd wzbudzenia prądnicy obcowzbudnej nie zależy od prądu twornika. Wartość prądu w uzwojeniu wzbudzenia powinna być kontrolowana przez regulator wzbudzenia. Jako regulator ten może służyć specjalnie skonstruowany opornik o zmiennej wartości rezystancji lub układ przekształtnikowy.

Prądnica szeregowa

W prądnicy szeregowej prądu stałego obwód twornika jest połączony szeregowo z obwodem wzbudzenia. W konsekwencji prąd w maszynie może popłynąć dopiero, gdy podłączone obciążenie i obwód zostanie zamknięty. Rezystancja odbiornika powinna być tak dobrana, aby spełnione były wszystkie warunki samowzbudzenia. Prąd twornika jest jednocześnie prądem wzbudzenia i obciążenia:

It = Iw = I

Prądnica szeregowo - bocznikowa

Prądnica szeregowo-bocznikowa wiąże zalety prądnicy bocznikowej i szeregowej. W czasie wzbudzenia i stabilnej pracy decydujący wpływ na strumień magnesujący ma uzwojenie bocznikowe. Dzięki jego zastosowaniu - podobnie jak w prądnicy bocznikowej - możliwe jest ustawienie napięcia biegu jałowego oraz płynną regulacje napięcia na zaciskach obciążonej maszyny. Uzwojenie szeregowe wpływa na zwiększenie się przepływu wzbudzenia wraz ze wzrostem obciążenia. Wypadkowy strumień wzbudzenia jest sumą strumieni obu uzwojeń:

Φw = Λd ( Θwb +/- Θws)

Prądnica prądu stałego obcowzbudny

E	V	18	84	90	96	112	135	145	166	201
Im	A	0	0,045	0,048	0,053	0,061	0,075	0,082	0,098	0,195

Jm ↑

U	V	226	195	161	142	127	114	106	96	93
Im	A	0,135	0,106	0,086	0,07	0,061	0,052	0,047	0,042	0,04

Jm ↓

Prądnica prądu stałego bocznikowa

U	V	230	227	224	220	216	211	206	202
I	A	0	0,3	0,56	0,81	1,1	1,45	1,7	2

Jm

Charakterystyka regulacyjna

Im = f (I) U=const U=230V = const w = const

U	V	230	224	219	213	205	195	183	170
I	A	0	0,3	0,55	0,8	1,1	1,35	1,6	1,85

Żeby napięcie wzrosło do 230V prąd Im od 0,101A musi wzrosnąć do wartości 0,203A

7

---