Silnik szeregowo-bocznikowy ma uzwojenie szeregowe i bocznikowe. Podczas pracy silnika można jedno z tych uzwojeń odłączyć, wtedy silnik będzie pracował jako szeregowy, albo bocznikowy. Podczas pracy silnika z obydwoma uzwojeniami charakterystyka silnika zawiera się miedzy charakterystyką szeregową a bocznikową. Układ połączeń pokazany jest na rysunku:

W zależności od przewagi amperozwojów silnik ma charakterystykę zbliżoną do szeregowego lub bocznikowego. Przewaga jednej z tych charakterystyk zależy od stosunku obu strumieni. Uzwojenie szeregowe może być przyłączone w taki sposób, aby w czasie pracy strumień pochodzący od tego uzwojenia dodawał się do strumienia pochodzącego od uzwojenia bocznikowego, lub przeciwdziałał temu strumieniowi. Gdy jedno z uzwojeń wyłączymy to charakterystyka będzie albo czysto szeregowa, albo czysto bocznikowa. Podczas hamowania elektrycznego, czyli hamowania z odzyskiwaniem energii oba uzwojenia przeciwdziałają sobie. Dosyć dobre właściwości wykazuje silnik, którego uzwojenie bocznikowe zasilane jest z osobnego źródła. Uzwojenie to może być wykonane na niskie napięcie, silnik wtedy uniezależnia się od wahań napięcia w sieci. Gdy będziemy zmniejszali prąd uzwojenia bocznikowego charakterystyka będzie coraz bardziej zbliżona do charakterystyki silnika szeregowego.

Zalety silnika szeregowo-bocznikowego:

1.Nie duże straty energii podczas rozruchu.

2.Łatwość w odzyskiwaniu energii.

Wady silnika szeregowo-bocznikowego:

1.Dość drogie Wykonanie i utrzymanie.

2.Większy ciężar i bardziej skomplikowany układ połączeń co wymusza stosowanie bardziej skomplikowanych układów sterowania.

3.Podczas przepięć większe ryzyko uszkodzenia silnika.

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 przy braku obciążenia, a także ma jego zalety – duży moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów i 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.

Każda maszyna prądu stałego składa się z trzech zasadniczych zespołów: twornika, magneśnicy, urządzenia szczotkowego. Twornik jest tu zespołem wirującym, czyli wirnikiem, natomiast magneśnica zespołem spoczynkowym, czyli stojanem. Magneśnica składa się przeważnie z jarzma odlewanego z żeliwa. Do wnętrza jarzma przytwierdzone są uzwojone bieguny główne i pomocnicze. Twornik składa się z rdzenia wykonanego z pakietu blach, uzwojenia twornika umieszczonego w żłobkach rdzenia oraz komutatora, do którego wlutowane są końce uzwojenia. Urządzenie szczotkowe składa się z tzw. mostu szczotkowego z trzonami szczotkowymi, na których są osadzone trzymadła szczotkowe. Maszyna szeregowo-bocznikowa jest prądnicą samowzbudną, czyli nie wymaga zasilenia uzwojenia wzbudzającego z obcego źródła. Samowzbudzenie odbywa się dzięki istnieniu magnetyzmu szczątkowego, jako pozostałości po poprzedniej pracy, które przy napędzeniu wirnika indukuje w jego uzwojeniu napięcie Esz . Pod wpływem tego napięcia w uzwojeniu wzbudzającym płynie prąd If , który wytwarza strumień magnetyczny. Jeżeli kierunek tego strumienia jest zgodny z kierunkiem strumienia szczotkowego, to strumień w maszynie ulega zwiększeniu, wzrasta napięcie indukowane i prąd wzbudzenia, co powoduje dalszy wzrost strumienia aż maszyna wzbudzi się do pełnego napięcia. W maszynie szeregowo-bocznikowej uzwojenie wzbudzające składa się z dwóch części: podstawowego uzwojenia bocznikowego i uzwojenia szeregowego o małej liczbie zwojów. Przeważnie stosuje się połączenie szeregowo-bocznikowe zgodnie, w którym przepływ uzwojeń wzbudzających się sumuje, niekiedy stosuje się połączenie przeciwne, w których uzwojenie szeregowe swoim przepływem osłabia strumień wytwarzany przez uzwojenie bocznikowe. W prądnicy poprzez odpowiedni dobór liczb zwojów uzwojenia szeregowego zgodnego można uzyskać taki wzrost strumienia ze wzrostem prądu obciążenia, że napięcie na zaciskach pozostaje prawie stałe. Maszyna pracująca jako silnik o dozwojeniu zgodnym nie rozbiega się w stanie jałowym i posiada duży moment rozruchowy.

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 maszyną:

- obcowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego źródła

(innego niż uzwojenie twornika), lub

- samowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z tego samego źródła

co uzwojenie twornika (prądnice).

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:

Φ - strumień magnetyczny jednego bieguna,

N - liczba prętów uzwojenia twornika,

a - liczba gałęzi równoległych uzwojenia twornika.

p - liczba par biegunów,

n - prędkość obrotowa,

Ia- prąd 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 , dźwignic 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 pomocnicze 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 wzbudzające szeregowe - D1 - D2,

5) uzwojenie wzbudzające 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 prędkość silnika ω = 0, a więc siła elektromotoryczna E = 0. Prąd 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

Prąd twornika:

Prąd rozruchu silnika:

Całkowitą rezystancję rozrusznika oblicza się ze wzoru:

gdzie:

Iroz - dopuszczalny prąd 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:

- napięcia zasilania twornika U,

- rezystancji w obwodzie twornika Rr oraz

- strumienia Φ.

Rys. 13 Nastawianie prędkości obrotowej silnika prądu stałego

Oznaczenia: M - moment obrotowy, P - moc, Ua - napięcie twornika,

Ia - prąd twornika, Φ - 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 Φ

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 się:

- w silniku obcowzbudnym - przez obniżenie napięcia wzbudzenia.

- w silniku bocznikowym oraz bocznikowo-szeregowym - za pomocą nastawnika oporowego

włączonego szeregowo z uzwojeniem wzbudzającym bocznikowym.

- silnikach szeregowych - za pomocą nastawnika oporowego włączonego równolegle z uzwojeniem

wzbudzającym

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 obrotowego (np. przez zmianę zwrotu prądu 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 się przez zmianę kierunku prądu w uzwojeniu twornika (lub w uzwojeniach wzbudzających główne pole magnetyczne).

6.5.6 Prądy w uzwojeniach silników prądu stałego:

a) silnik obcowzbudny

- prąd w obwodzie twornika Ia= I

- prąd w obwodzie wzbudzającym If = Uf / Rf

b) silnik bocznikowy

- prąd w obwodzie twornika Ia= I - If

- prąd w obwodzie wzbudzającym If = Uf / Rf

c) silnik bocznikowo-szeregowy

- prąd w obwodzie twornika Ia= I lub Ia= I - If

- prąd w obwodzie wzbudzającym If = Uf / Rf lub If = Uf / Rf

d) silnik szeregowy

- prąd w obwodzie twornika Ia= If =I