1.Budowa maszyny prądu stałego. Maszyna składa się z dwóch zasadniczych elementów: stojan i wirnik. Stojan: kadłub, rdzeń (biegunowy), uzwojenia wzbudzenia tarcze łożyskowe, szczotko trzymacz ze szczotkami, tablica znamionowa i zaciskowa, łapy mocujące, hak transportowy. Wirnik: wał, rdzeń, uzwojenie, łożyska komutator. Komutator: wycinki komutatora miedziane, izolacja w postaci mikanitu. 2.Zasada działania -silnik, prądnica. Zasada działania silnika prądu stałego jest związana z wytwarzaną siłą elektrodynamiczna: F=BIl; Ponieważ wirnik silnika obraca się to uzwojenie zmienia swoje położenie a tym samym zmienia się kierunek działania pola magnetycznego. Gdyby nie komutator który wraz ze zmianą kierunku pola która działa na przewodnik zmienia jednocześnie kierunek prądu na przeciwny zachowując tym samym kierunek działania siły elektrodynamicznej. Prądnica prądu stałego działa na zasadzie indukcji magnetycznej w wyniku której indukowana jest SEM E=Blv. Uzwojenie wzbudzenia zasilamy prądem stałym Iw. Między biegunami N i S powstaje stałe pole magnetyczne. Napędzając wirnik powodujemy żę uzwojenie zmienia swoje położenie w stałym polu magnetycznym. To powoduje że indukuje się w nim SEM którą możemy odbierać na szczotkach. Jednakowy kierunek indukowanego napięcia zapewnia nam komutator. 3Uzwojenia pętlicowe i wielokrotne. 1.Pętlicowe proste. Każdy z tych poskoków musi być liczbą całkowitą. Dlatego uzwojenia liczba par gałęzi równoległych równa jest liczbie par biegunów. W uzwojeniach pętlicowych liczba szczotek musi być równa liczbie par biegunów. 2.Pętlicowe wielokrotne. Uzwojenie takie stosowane jest w maszynach o dużych wartościach prądu. Rozpada się ono na m niezależnych uzwojeń których elektryczne położenie następuje poprzez szczotki. Szczotki te są szersze niż w normalnych maszynach. a=mp -ilość gałęzi równoległych dla m krotnych uzwojeń; Yc=m.4.Uzwojenie faliste proste i wielokrotne. Y=Y1+Y2; Yc=(k±1)/p; `-`-lewoskrętne nie skrzyżowane; `+'-prawoskrętne skrzyżowane; Dla uzwojenia falistego prostego mamy zawsze dwie gałęzie równoległe a=1. Jest to uzwojenie nie zawsze wykorzystywane. Liczba par gałęzi niezależnie od liczby par biegunów jest zawsze a=1. Ponieważ w uzwojeniu tym jest tylko jedna para gałęzi równoległych można zrezygnować z pozostałych szczotek i zostawić tylko jedną parę szczotek różnoimiennych. Zwykle jednak stosuje się tyle szczotek ile będzie biegunów gdyż poprawia to pewność pracy maszyny. Faliste wielokrotne. Poskok komutatorowy Vc=(k-m)/p; a=m .5.Gwiazda i wielobok napięć. Podziałka biegunowa: τp=ΠD/2p; B(x)=Bm1sinΠ x/τp; Napięcie indukowane w jednym pręcie Ui=Bm(x)lV=Bm1lV sinΠ x/τp; l-długość czynna boku; V-predkość liniowa pręta; Kąt miedzy napięciem indukowanym w bokach dwóch sąsiednich żłobków: αQ=2Πp/Q-elektryczny; Q=αgp; przykład: ilość wycinków k=Qu; αQ=2Πp/Q- kąt żłobkowy; rozpiętość zezwoju w żłobku YQ≤Q/2p; Ilość wieloboków napięć świadczy o ilości par gałęzi równoległych. Prędkość wirowania wieloboku napięć 2Πf=ω2Πpn⇒f=pn; Na podstawie analizy wieloboku napięć można oszacować wartość pulsacji napięcia w przypadku pracy prądnicowej. W przypadku rysowania wieloboku napięć dowiadujemy się o ilości gałęzi równoległych. -1 wielobok = 1 para gałęzi; a wieloboków = a par
6.Warónki symetrii uzwojeń połączenia wyrównawcze. Aby w poszczególnych gałęziach równoległych uzwojeń nie płynęły prądy wyrównawcze w każdej chwili napięcia indukowane w nich muszą być sobie równe. Będzie to spełnione w przypadku zachowania warunków symetrii magnetycznej i elektrycznej. Zachowanie symetrii magnetycznej sprowadza się do takiego zaprojektowania maszyny aby indukcja magnetyczna miała taki sam rozkład pola pod każdym z biegunów. Symetria elektryczna sprowadza się do trzech warunków:1.Warunki symetrii zwykłej: Q/a=liczba całkowita; k/a=liczba całkowita; p/a=liczba całkowita; 2.Warunki symetrii bezwzględnej(uzwojenia wielokrotne): Q/2a=liczba całk.; k/2a=liczba całk.; 2p/a=liczba całk. Ponadto żłobki i wycinki komutatora muszą być rozmieszczone równomiernie na obwodzie wirnika.
Połączenia wyrównawcze. W skutek nie symetrii mechanicznej spowodowanej np. ekscentrycznością wirnika wynikłym np. jako skutek wyrobienia się łożysk, może pojawić się asymetria magnetyczna. Asymetria ta może być również wywołana anizotropia magnetyczną. Napięcia indukowane w poszczególnych gałęziach będą różne i zaczną płynąć prądy wyrównawcze. Aby odciążyć szczotki od tych prądów stosuje się połączenia wyrównawcze. Aby zapobiec przepływowi prądów wyrównawczych łączymy punkty teoretyczne tego samego potencjału. 7.Napiecie indukowane w uzwojeniach twornika. Szerokość zastępcza bieguna: bpe=∫B(x)dx/Bm; Napięcie indukowane w jednym pręcie: Ui=B(x)liv; li -długość czynna boków twornika; v-predkość przemieszczania boków: v=ΠDn; D-średnica wirnika; n-prędkość obrotowa; N-całkowita ilość prętów; N bpe/τp-liczba czynnych boków twornika; N/2a*bpe/τp-liczba czynnych boków w jednej gałęzi równoległej; αi= bpe/τp-wspólczynnik kształtu pola; Napięcie indukowane: Ui=N/2a*bpe/τpBmliΠDn; ΠD=2pτp; Ui=pN/a *bpeBmlin; bpeli=A-powierzchnia przez którą przenika strumień; Moc wydawana na wale P=TsΩm; BmA=ϕ; Ui=pN/a *ϕn=kuϕn=pN/2Πa *ϕΩm=ku'ϕΩm; Napięcie indukowane w uzwojeniu twornika maszyny prądu stałego jest proporcjonalne do wartości strumienia i prędkości obrotowej. Napięcie indukowane występuje w maszynie prądu stałego zarówno przy pracy silnika jak i prądnicy. 8.Moment elektryczny. Prąd pierwszej gałęzi Ip=Ia/2a; Ia-prad twornika; Siła oddziaływania na jeden pręt: F=B(x)Ili; Moment działający na jeden pret: te=D/2 F=D/2 Bm Ia/2a li; Bm-zastępujemy prostokątem; Moment wypadkowy: Te=∑te; Te= D/2 Bm Ia/2a liN bpe/τp; ΠD=2pτp⇒D=2pτp/Π; Te=2pτp/2π *Ia/2a *BmliN *bpe/τp; Te=pN/2πa *BmlibpeIa;=pN/2πa *ϕIa=kTϕIa; Moment elektryczny nie zależy od prędkości obrotowej. Dla danego momentu ϕIa=const. Jest on proporcjonalny do strumienia w maszynie i prądu twornika. Gdy ϕ małe to Ia duże i na odwrót. Na wale P=TSΩm; Ts-momet na wale; Ωm=2πn; P=Ts2πn
M9 Odziaływanie twornika 1)zasilane uzwojenie wzbudzenia prąd twornika Ja=0 2)zasil. Uzwoi twornika Jf=0 Ja=J 3)Zasil uzwoi wzbudzenia i twornika (pole ulega skróceniu co powoduje przesuniecie osi neutralnej Oddziaływanie twornika wywołuje następujące skutki :- zmienia rozkład indukcji pod biegunami-doprowadza do przesunięcia osi centralnej -zmniejsza strumień w maszynie nasyconej(wierzchołki) Zniekształcenie przebiegu rozkładu indukcji doprowadzić może do indukowania w pewnych zezwojach napiec większych niż w stanie jałowym (obszar powiększonej indukcji) w wyniku tego może dojść do zwiększenia napięcia miedzy wycinkowego do takiej wartości ze może pojawić się iskrzenie na komutatorze. Przesuniecie osi neutralnej może również spowodować iskrzenie gdyż w zezwojach zwartych będą indukowały się pewne napięcia w skutek przechodzenia tych ze zwojów przez pole o pewnej wartości . płynie duży prąd z zezwojach i występuje iskrzenie Oddziaływanie podłużne i poprzeczne: Φa prostopadły do Φf => występuje tylko oddziaływanie poprzeczne Φa=Φaq W przypadku gdy szczotki znajdują się w strefie obojętnej (prostopadle do osi strumienia Φf) występuje tylko oddziaływanie poprzeczne twornika; Φaq prostopadle Φf równolegle -Φad na skutek oddziaływania podłużnego następuje zmniejszenie strumienia głównego; Φaq prostop Φf rownolegl Φad w skutek oddziaływania podłużnego twornika następuje zwiększenie strumienia w maszynie; W przypadku gdy szczotki znajdują się w strefie geometrycznie obojętnej(prostopadle do osi fi) występuje tylko oddziaływanie poprzeczne twornika na skutek oddziaływania podłużnego następuje zmniejszenia strumienia głównego na skutek oddziaływanie podłużnego twornika następuje zwiększenie strumienia w maszynie w przypadku pozostawania szczotek w strefie geometrycznie obojętnej występuje tylko oddziaływanie poprzeczne zaś w przypadkach wysunięcia szczotek z tej strefy pojawia się oddziaływanie podłużne rozmagnesowujące lud domagnesujace zależne od kierunku przesunięcia szczotek. Każde przesuniecie wiąże się z pogorszeniem warunków komutacji. M10 Komutacja jest procesem zmiany kierunku prądu przechodzenia tego ze zwoju z jednej gałęzi do drugiej W czasie przechodzenia pod szczotką następuje zmiana kierunku Prądu .każdej wymianie towarzyszy zmian pola magnetycznego Ik- dodatkowy prąd w obwodzie zwartym Napicie samoindukcji w zezwoju komutowanym Us=L*(dik/dt)trzeba je zniwelować co można zrobić przez wprowadzenie dodatkowego napięcia (pole) Ur=B*l*V-napięcie rotacji przeciwdziałające napięciu samoindukcji Aby powstało napięcie należy wytworzyć dodatkowe pole uzyskuje się to poprzez zastosowanie biegunów komutacyjnych Typy komutacji: Us=Ur prostoliniowa (Us-Ur=0 - idealny) Us>Ur opóźniona; Ur>Us - przyspieszona; Gęstość prądu Js=Jn s-schodzący n -n nadchodzący koniec szczotki; Js>Jn; Jn>Js Rzeczywiste procesy komutacji zachodzą w maszynie prądu stałego Kiedy szczotka pokrywa 2lub 3 wycinki komutatora. W celu poprawy warunków komutacji stosuje się szczotki o dużej rezystancji przejścia (węglowo grafitowe) wtedy w obwodzie zwartym wystąpi duża rezystancja .Napięcie samoindukcji wzniecane jest przez strumień rozproszony w większości w powietrzu i proporcjonalny do prądu twornika . napięcie to należy skompensować przez napięcie indukowane strumieniem biegunów komutatorowych. Obwód magnetyczny tych biegunowi musi być nienasycony. Bieguny komutacyjne kompensują oddziaływanie twornika w strefie ich działania i wytwarzają dodatkowe pole magnetyczne pozwalające na indukowanie w zezwoju komutowanym napięcia rotacji przeciwdziałającego napięciu samoindukcji Przez uzwojenie biegunów komutacyjnych przepływa prąd twornika (połączenie szeregowe). W celu całkowitej Kompensacji reakcji twornika i zapewnienie trapezoidalnego rozkładu pola zbliżonego do rozkładu w maszynie nieobciążonej stosowane jest uzwojenie kompensacyjne umieszczone w żłobkach nabiegunników. Uzwojenie jest to również połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Stosowane jest w maszynach dużych o trudnych warunkach pracy.
11 zjawisko samowzbudzenia się prądnicy
Samowzbudzenie następuje wskutek tego ze obwód wirnika jest nie liniowy a obwód wzbudzenia liniowy Ui=Rf*if+Lf*(dif/dt) tgα=U/Jf=Rf Nachylenie prostej obwodu wzbudzenia możemy zmieniać regulując Rd w obwodzie wzbudzenia Rezystancja krytyczna wyraża taką wartość rezystancji przy której prosta obwodu wzbudzenia pokrywa się z prostoliniową częścią ch-ki magnesowania; Prędkość krytyczna wyraża prędkość dla danej rezystancji obwodu wzb. Rf=const przy której maszyna zaczyna wzbudzać. M12Charakterystyka obciążenia (A) Wyraża zależność pomiędzy napięciem na zaciskach i prądem wzbudzenia przy stałej wartości obciążenia 1)Ui=f(Jf) ch-ka magnesowania; 2)Ui'=f(If) 3)U=f(If) obciążenia Ui'-napięcie w uzwojeniu twornika przez strumień zmniejszony w skutek oddziaływania twornika ΔJf prąd wzbudzenia kompensujący oddziaływanie poprzeczne twornika BC napięcie, spadki napiec w obwodzie twornika BC=JaRat+2ΔUb Rat=∑Ra - suma wszystkich rezystancji uzwojeń w obwodzie twornika; 2ΔUb spadek napięcia na szczotkach ok.2V U=Ui'-(JaRat+2ΔUb) dla szczotek węglowych i węglowo grafitowych 2ΔUb=2V (B)regulacyjna maszyny obcowzbudnej wyraża zależność pomiędzy prądem wzbudzenia a prądem obciążenia przy stałej wartości napięcia na zaciskach Jf=f(Ja); U=Un=const. n=nw=const. M13a charakterystyki zew. Prądnic U=f(Ia) prądnicy obcowzbudnej wyraża zależność napięcia na zaciskach w funkcji prądu obciążenia . zmienność napięcia: zmniejszenie się napięcia na zaciskach przy wzroście obciążenia wywołana jest dwoma zjawiskami:1 wzrostem spadków napiec 2. zwiększonym oddziaływaniem twornika w przypadku zwarcia awaryjnego płyną bardzo duże prądy 13b charakterystyka zewnętrzna prądnicy bocznikowej zmienność napięcia prądnicy bocznikowej jest większa niż prądnicy obcowzbudnej. W przypadku prądnicy bocznikowej zwarcie zacisków nie powoduje na negatywnych skutków .Prąd zwarcia płynący w zwartym wirniku nie odbiega znacznie od wartości znamionowej. Większa zmienność napięcia wynika z : 1 spadki napiec w obwodzie twornika 2.oddzilywanie twornika 3zmniejsaniem się wartości napięcia na obwodzie wzbudzenie prowadzącym do zmniejszani prąd wzbudzenia Przyczyny nie wzbudzania się prądnic1.brak strumienia szczątkowego 2.niewłąsciwy kierunek wirowania 3. niewłaściwy sposób przyłączenia obwodu wzbudzenia wzgl. Obwodu twornika 4. przerwa w obwodzie twornika lub wzbudzenia 5. rezystancja obwodu wzbudzenia większa niż krytyczna, zmienność napięcia prądnicy bocznikowej może dochodzi do 20 % w przypadku prądnic obcowzbudnych do 10 % prądnica ta posiada dwa uzwojenia -bocznikowe o znaczącym przepływie -szeregowe o przepływie mniejszym 9uzwojenie pomocnicze Oba te uzwojenia mogą pracować na współdziałanie lub przeciwdziałanie(tylko w szczeg. przypadkach) M14 Rozruch silników prądu stałego rozruch to stan przejściowy przechodzenia ze stanu zatrzymania do prędkości określonej warunkami regulacji i momentem oporowym Równanie momentu dla rozruchu Ts-Tn=J*(dΩm/dt) Ts-moment na wale silnika Tm-moment oporowy (obciążenia) Czas rozruchu jest krótszy im większa jest różnica pomiędzy momentem na wale i momentem oporowym (zależą od wartości momentu dynamicznego) Ωm - prędkość mechaniczna kątowa Ωm =2pi*n Dla stanu ustalonego Ts=Tm; Te=Tm (te moment EM) J- moment bezwładności równanie napięciowe dla silnika: U=Ja∑Ra+2ΔUb+Ui; Ja=(U-2ΔUb-Ui)/ ∑Ra dla t=0, n=0 Ui=0 Ja=(U-2ΔUb)/∑Ra W przypadku rozruchu bezpośredniego prąd płynący w uzwojeniu twornika byłby bardzo (10do 30) Ian Ograniczenie prądu rozruchu można uzyskać dwoma sposobami: -przez zmniejszenie napięcia zasilania uzwojenia twornika -przez wtrącenie rezystancji dodatkowej w obwód twornika Przy rozruchu bezpośrednim wystąpiłoby zbyt duże Uderzenie prądu: -obniżenie napięcia w sieci zasilającej (zbyt duże spadki napiec)-silne iskrzenie szczotek na komutatorze z możliwością pojawienia się ognia -uszkodzenia mechaniczne wskutek pojawienia się dużego momentu -zakłócenia w aparaturze pomiarowej i zabezpieczającej Rozruch bezpośredni dopuszcza się dla maszyn o niewielkiej mocy do kilku kW przypadku silników większych mocy korzystniejszym rozwiązaniem jest stosowanie prostownik o sterowanych umożliwiających regulacje napięcia na uzwojeniu twornika w trakcie zmian prędkości obrotowej. M15 Charakterystyki mechaniczne silników. Silnik obcowzbudny Rf=const. napięcie zasilające uzwojenie twornika zmieniamy Ts-moment wydawany na dziale Un>U1>U2>U3; obcowzbudny i bocznikowy wtrącenie rezystancji dodatkowej w obwód twornika U=const. It=const. Rod1<Rod2<Rod3 M16. regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego równanie napięciowe U=Ui+Ia∑Ra+2ΔUb; Ui=ku*φ*n; U= ku*φ*n +Ia∑Ra+2ΔUb; ku*φ*n=U- Ia∑Ra-2ΔUb; n=(U- Ia∑Ra-2ΔUb)/ ku*φ; n=f(U, ∑Ra, φ); ja(ra+Rd)->Ja∑Ra Regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego może odbywać się poprzez - zmianie napięcia zasilania uzwojenia twornika -wtrącanie rezystancji dodatkowej w obwód wtornika-zmiana wartości strumienia w maszynie Regulacja poprzez zmianę napięcia (nazywany regulacją w dół) Regulacja tę obecnie zapewnia się przez zastosowanie prostowników sterownych bądź układów przekształtnikowych. o zasilaniu impulsowych. Układy prostowników sterowanych (układy przekształtnikowe) wyparły układy maszynowe ze względu na dużą sprawność ,gotowość do pracy w każdej chwili ,możliwości regulacji prędkości o szerokim zakresie Zasilanie impulsowe. Silniki prądu stałego przystosowane do zasilania Z przekształtnika Regulacja poprzez wtrącenie rezystancji dodatkowej jest stosowany rzadko ze względu na duże straty . jego zastosowanie ogranicza się do silników wielkiej mocy Regulacja strumienia - łatwe w zastosowaniu ze względu na niewielki prąd wzbudzenia .jeżeli zmniejszymy obciążenie to zwiększa się prędkość osr. Muszą one wtedy pracować przy obciążeniu . w przypadku braku obciążenia występuje niebezpieczeństwo rozbiegania się . najpewniejsze połączenie jest poprzez przekładnie bądź bezpośrednie sprzęgniecie z obciążeniem . znajduje zast we frakcji Silnik szeregowo bocznikowy -silnik posiada dwa uzwojenia wzbudzenia .uzwojenie bocznikowe wytwarza dominujący przepływ. Wpływ uzwojenia szeregowego uwidacznia się szczególnie w fazie rozruchu powodując zwiększenie momentu rozruchowego Uzwojenie szeregowe pełni role uzwojenia Pomocniczego .własności ruchowe tego Silnika są pośrednie pomiędzy silnikiem Bocznikowym i szeregowym. Kształt charakterystyki mechanicznej jest od przepływów Obu uzwojeń Zmiana kierunków prędkości obrotowej silników prądu stałego- zmiana kierunku przepływu prądu wzbudzenie-zmian kierunku przepływu twornika M18 Straty mocy, sprawność Straty mechaniczne Pw - straty tarcia w łożyskach na komutatorze straty wentylacyjne; straty w żelazie Pfen - straty histerezowe i wiroprądowe, powstają w pakiecie wirnika; straty podstawowe w uzwojeniach obwodu twornika Pw,Pw=(Ra+Rb1b2+Rc1c2+Rd1d2)*Ja^2 zalezą od temperatury R0=Rz(235+r0/235+tz); straty przejścia Pps=2၄Ud*Ja; straty dodatkowe obciążeniowe w uzwojeniach twornika i żelazie Pfea- str. w żelazie; Pwa- dodatkowe w uzwojeniach; straty w obwodzie wzbudzenia Pf=Uf*Jf=Jf^2*Rf; straty jałowe Po=Pm+Pfen (niezależnie od obciążenia) straty obciążeniowe Pl=Pw+Pwa+Pfea+Pps straty całkowite Pt=Pl+Po+Pf; sprawność dla silnika ၨ=P/Pin=(Pin-Pt)/Pin=1-Pt/Pin=1-Pt/U*I P- moc wydawana Pin- moc pobierana; dla prądnicy ၨ=P/Pin=P/(Pin+Pt)=U*I/UI+Pt P- moc wydawana Pin- moc dostarczana ၨmax przypada dla mniejszego obciążenia niż znamionowe.