MASZYNY PRĄDU STAŁEGO

Budowa Stojan i wirnik z punktu widzenia spełnianych funkcji nazywamy magneścią i twornikiem. W magneśnicy jest wytwarzany strumień magnetyczny a w tworniku SEM i moment elektromagnetyczny. Maszyna może mieć tylko parzystą liczbę biegów głównych. Rdzenie biegunów (elektromagnesów) najczęściej są wykonane z cienkich blach magnetycznych o grubości kolo 1 mm, wzajemnie izolowanych w celu zmniejszenia strat na histerezę i prądy wirowe. Wirniki w formie walca wykonany jest również z izolowanych blach magnetycznych (grubość ok. 0.5 mm) osadzonych na wale w jego żłobkach jest umieszczone uzwojenie. Na wale jest zamocowany komutator wykonany z izolowanych między sobą wycinków cylindrycznego walca miedzianego, do których są przyłączone początki i końce zwojów, z których składa się uzwojenie. Sposób wzajemnego uzwojenia twornika i uzwojenia wzbudzającego określa nazwę maszyny : obcowzbudna lub samowzbudna (bocznikowa, szeregowa)

WŁASNOŚCI PRĄDNIC Pracę prądnicy prądu stałego określają cztery wielkości: prędkość obrotowa n , prąd wzbudzenia I_w, napięcie na zaciskach prądnicy U oraz prąd obciążenia I. W praktyce prędkość obrotowa n ma zwykle wartość stałą iwobec tego sporządza sie charekterystyki wiążące 3 wielkości, przy czym rozróżnia się 3 grupy charakterystyk:

-charakterystyki obciążenia U=f(I_w) przy I i n = const

- charakterystyki zewnętrzne U=f(I) przy I_w i n = const

- charakterystyki regulacyjne I_w=f(I) przy U i n = const

Szczególnym przypadkiem charakterystyk obciążenia jest tzw. charakterystyka biegu jałowego.

PRĄDNICA OBCOWZBUDNA Rezystor włączony jest w obwód prądu wzbudzenia służy do regulacji SEM E prze regulację I. Obwód wzbudzenia ma duża indukcyjność L, przerywanie prądu I_w powodowałoby indukowanie się znacznych SEM mogących uszkodzić izolację uzwojenia. Aby temu zapobiec, przy wyłączaniu pradu I_w zwiera się uzwojenie wzbudzenia przez odpowiednie ustawienie suwaka s regulatora R na zacisk przeciwiskrowy. Przebieg charakterystyki biegu jałowego jest inny przy prądzie rosnącym i inny przy prądzie malejącym - wpływa na to histereza obwodu magnetycznego. Do celów praktycznych posługujemy się krzywą wypośrodkowaną.

PRĄDNICA BOCZNIKOWA jest maszyną samowzbudną. Prądnica może sie wzbudzić czyli uzuskać na swoich zaciskach żądaną SEM E tylko wówczas gdy isnieje w niej magnetyzm szczątkowy o strumieniu Φ. SEM E = E_sz powoduje wówczas przepływ prądu I_w i wzrost strumienia Φ. Zwiększa się E ponownie zwiększa się I_w oraz ponownie zwiększa się E itd. Zmienność I_w oraz E po pewnym czasie zanika i następuje stan ustalony, dla którego przy I = 0 obowiązuje zależność E-R_tI_w = (R_w+R_e)I_w.

SILNIK BOCZNIKOWY pracę silnika prądu stałego jednoznacznie określają natępujące wielkości : napięcie zasilające U, moment obrotowy M, prą obciążenia I, prad wzbudzenia I_w i prędkość obrotowa n. Silniki określają charakterystyki:

-charakterystyki prędkości obrotowej zwana również zewnętrzną lub mechaniczną

charakterystyka regulacji prędkości obrotowej.

W silniku bocznikowym zmiany momentu M, przy pominięciu oddziaływania twornika, nie wpływają na wartość strumienia głównego, czyli Φ =const. Oddziaływanie twornika powoduje jednak niewielkie zmniejszenie strumienia Φ tak, że wartość rzeczywiste n są nieco większe od obliczonych. Przy obciążeniu silnika momentem znamionowym M_n jego prędkość n_n jest o 2÷5% mniejsza od prędkośći przy biegu jałowym n_o. Mała zależność prędkośći obrotowej n od momentu obciążenia M jest podstawową zaletą silników bocznikowych.

W silnikach szeregowych strumień Φ zalęzy od prądu twornika I_t. Zmiana momentu M wpływa jednocześnie na zmianę strumienia Φ. Silnik szeregowy charakteryzuje się znacznym momentem obrotowym zwłaszcza przy niewielkiej prędkości obrotowej. Przy małym obciążeniu prędkość obrotowa może osiągnąc niebezpiecznie dużą wartość- stąd też silniki te muszą pracować z pewnym obciążeniem. Duże zmiany prędkości obrotowej n przy zmianach momentu w zakresie M = 0÷M_n są podstawową właściwością silnika szeregowego.

ROZRUCH SILNIKA. W chwili włączenia silnika do sieci jego prędkość n=0 i SEM E = 0. Pobieramy wówczas prąd rozruchowy I_r = U/R_tc osiąga przy U = U_n wartość I_r = (20÷30)I_n powodując szkodliwe iskrzenie na komutatorze gwałtowne uderzenie mechaniczne pochodzące od dużego momentu rozruchowego oraz chwilowe duże spadki napięcia w sieci zasilającej - nie pożądane dla innych odbiorników do niej przyłączonych. Ograniczenie prądu rozruchowego uzyskuje się przez włączenie na czas rozruchu szeregowego z twornikiem rezystora R_r wówczas. I_r= (U)/(R_tc+R_r). Wartość rezystancji R_r oblicza się wychodząc z wymaganej wartośći momentu rozruchowego M_r. Prąd rozruchowy I_r będzie miał wartość najmniejszą wtedy gdy strumień Φ bedzie największy. Stąd też w chwili rozruchu rezystor rozruchowy R_r ustawić należy na R_{r max} a rezystor regulacyjny na R_n = 0 - w silnikach bocznikowych i R_n = w silnikach szeregowych.

CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE Zależność między prędkością obrotową silnika i jego momentem

n =f(M) nosi nazwę charakter. mechanicznej. W układzie współrzędnym prostokątnym w celu graficznego przedstawienia zależności można wykorzystać wszystkie cztery ćwiartki. Jeśli punkt pracy silnika określony jego współrzędnymi n i M znajduje się w 1 ćwiartce oznacza to że wytwarza moment M w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskaz. zegara i obraca się w tym samym kierunku. Jest to spotykane gdy silnik napędza pewne urządzenie np. podnosi wyciąg do góry. Przejście z ćwiartki 1 do 2 oznacza że silnik nadal obraca się w tym samym kierunku lecz wytwarza moment skierowany przeciwnie (np. silnik tramwaju w czasie hamowania). Przejście z 1 do 4 ćwiartki oznacza że silnik wytwarza moment nadal w kierunku dodatnim lecz jakaś zewnętrzna przyczyna przezwyciężając ten moment powoduje wirowanie w kierunku przeciwnym np. przy opuszczaniu wyciągu. Przejście z 1 do 3 ćwiartki oznacza normalną zmianę kierunku prędkości obrotowej silnika. Tak więc 1 i 3 ćwiartki oznaczają pracę silnika, a 2 i 4 różne przypadki hamowania. Punkt przecięcia charakterystyki mechanicznej silnika n=f(M) z osią momentów wyznacza moment rozwijany przez silnik wówczas gdy wirnik nie obraca się. Moment ten nazywamy momentem rozruchowym.

REGULACJA PRĘDKOŚCI OBRO. SILNIKÓW PRĄDU STAŁEGO.

Prędkość obrotową wszytskich typów silników prądu stałego określa zależność n= (U-I_t(R_tc+R_r))/(C_EΦ). Uwzgędniajać że moment wytwarzany przez silnik zależy od strumienia i prądu twornika wzór ten można przekształcić do postaci.

n=(U/(C_EΦ))- (M(R_tc+R_r))/(C_EC_MΦ²) Wzór ten jest słuszny zarówno da silników bocznikowych jak i szeregowych. Dla silnika bocznikowego jest to równanie charakterystyki mechanicznej n = f(M) przy stałych parametrach U, R_r, Φ. W silniku szeregowym strumień nie może być traktowany jako stały parametr w równaniu charakterystyki mechanicznej gdyż jego wartość zależy od prądu twornika, a więc i od momentu. Zależność strumienia od prądu ma postać zbliżoną do krzywej magnesowania. W zakresie małych wartości prądu przy których nie występuje nasycenie stali strumień jest proporcjonalny do prądu i wzór na prędkość obrotową można przedstawić w postaci następującej.

gdyż M= C_MΦI_t kΦ²