moc 13,5kW, napięcie 220V, prąd 71A prędkość 600obr/min.
Prądnice prądu stałego
Prądnice prądu stałego
Urządzenie elektryczne, które jest napędzane jest w stanie działać jako prądnica. Po wprowadzeniu w ruch wirnika urządzenia i zapewnieniu warunków wzbudzenia, urządzenie da się traktować jako elektromechaniczny przetwornik energii mechanicznej w elektryczną. Dla wszystkich prądnic prądu stałego trzeba zdefiniować następujące parametry:
* prędkość obrotową n
* prąd wzbudzenia Iw
* prąd obciążenia I
* napięcie obwodu twornika Ut
Prądnice bardzo często działają ze stałą prędkością, w związku z tym główne charakterystyki oraz analizy stanów urządzeń pokazane są przy założeniu n=const. Do zdefiniowania głównych cech urządzenia można posłużyć się 3 typami charakterystyk: obciążenia, zewnętrzna, regulacji. Ze względu na konstrukcję i cechy dynamiczne prądnice prądu stałego rozpatruje się je ze względu na metody połączenia uzwojenia wzbudzenia oraz uzwojenia twornika. Wyróżniamy prądnice: obcowzbudne, szeregowe, bocznikowe oraz szeregowo-bocznikowe. Metody rysowania schematów urządzeń prądu stałego i oznakowywania początków oraz końców uzwojeń są bardzo dobrze definiowane przez polskie normy. Założono, iż uzwojenia wzbudzenia - obce, szeregowe oraz bocznikowe - trzeba rysować w osi prostopadłej do osi szczotek, za to pozostałe uzwojenia np.: pomocnicze, komutacyjne czy kompensacyjne - w takiej samej osi, co szczotki.
R E K L A M A czytaj dalej ˇ
Zwrot napięcia na zaciskach prądnicy jest uzależniony od kierunku wirowania oraz orientacji pola magnetycznego w urządzeniu. Zwyczajowo zakłada się, iż jeśli wirnik wiruje prawoskrętnie to prąd w obwodzie twornika ma kierunek od B do A, natomiast o w obwodzie wzbudzenia od C do D.
Praca równoległa prądnic prądu stałego
Prądnice prądu stałego są w stanie działać równolegle albo sieci. Głównym warunkiem prawidłowej pracy jest zachowanie tej samej biegunowości na zaciskach każdej z maszyn. Przy przyłączeniu nowej prądnicy trzeba zachować warunki zgodnej biegunowości oraz równych poziomów napięć. Jeśli przyłączając, do działającej już prądnicy kolejną, nie chcemy za dużego oraz gwałtownego wzrostu prądu wyrównawczego i wahań napięcia trzeba, na prądnicy biegnącej jałowo nastawić napięcie równe, co do wartości napięciu prądnicy już działającej. Wartość napięcia reguluję się przez zmianę prądu wzbudzenia. Po dokładnym włączeniu prądnicy trzeba powiększyć prąd wzbudzenia, tak, by przejęła on na siebie część obciążenia. Jeśli prąd wzbudzenia 1 z prądnic będzie za mały może ona zacząć działać jak silnik. Bardzo wrażliwe są na to prądnice szeregowo-bocznikowe. By nie doprowadzić do takiej sytuacji można wykorzystać od razu połączenie elektryczne zacisków tworników przez wykorzystanie dodatkowego przewodu wyrównawczego.
Jeśli zajdzie konieczność wyłączenia prądnicy, trzeba zmniejszyć w niej prąd wzbudzenia, zwiększając równocześnie go w pozostałych prądnicach, tak, by żądane urządzenie działało na biegu jałowym. Wyłączenie tego urządzenia nie powinno spowodować niestabilnych zachowań sieci.
Typy prądnic prądu stałego
Prądnica bocznikowa
Prądnica bocznikowa jest to prądnica samo wzbudna. Prądnica będzie działać dobrze, jeśli wirnik prądnicy zostanie wprawiony w ruch i zostaną zachowane warunki samowzbudzenia. Prądnice a się obciążać dopiero po zakończeniu procesu samowzbudzenia. W bocznikowej prądnicy prądu stałego tak samo jak w bocznikowym silniku, uzwojenie twornika jest połączone równolegle z uzwojeniem wzbudzenia. Podczas stabilnej pracy urządzenia, prąd twornika It rozpływa się na prąd obciążenia I i prąd wzbudzenia Iw.
It = Iw + I
Gdy porównamy charakterystyki zewnętrzne prądnicy bocznikowej oraz obcowzbudnej, a się zauważyć, iż napięcie prądnicy bocznikowej będzie malało szybko, natomiast największy prąd, jakim jesteśmy w stanie obciążyć urządzenie jest trochę większy niż znamionowy. Dzieje się tak dlatego, iż razem ze spadkiem napięcia w obwodzie twornika, prąd wzbudzenia oraz napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia będą maleć, a co za tym idzie występujący strumień również będzie maleć. Zmienność napięcia zdefiniowana jest w taki o to sposób:
?U% = 100 * (U0 - Un) / Un
Gdzie: ?U% - procentowa zmienność napięcia, U0 - napięcie biegu jałowego, Un - napięcie znamionowe.
Znajomość charakterystyki regulacyjnej Iw = f (I), daje możliwość na otrzymanie stałej wartości napięcia na zaciskach urzadzenia przy zmianie prądu obciążenia.
Zaletą prądnicy bocznikowej jest stosunkowo niewielki prąd zwarcia.
Prądnica obcowzbudna
Prądnice obcowzbudną nazywa się urządzenie prądu stałego, którego uzwojenie wzbudzenia zasilane jest z zewnętrznego źródła albo wyposażone jest w magnesy trwałe. Prąd wzbudzenia prądnicy obcowzbudnej nie jest uzależniony od prądu twornika. Wartość prądu w uzwojeniu wzbudzenia musi być sprawdzana przez regulator wzbudzenia. Jako regulator można wykorzystać specjalnie budowany opornik o zmiennej wartości rezystancji albo układ przekształtnikowy. Szybka zmiana prądu w obwodzie wzbudzenia, jest spowodowana np. rozwarciem zestyków spowoduje zaindukowanie się siły elektromotorycznej, której za duża wartość jest w stanie być groźna dla urządzenia, może doprowadzić do zniszczenia izolacji.
Podstawę przy definiowaniu cech prądnicy jest charakterystyka biegu jałowego U0=f(Iw), której forma jest zbliżona do charakterystyk magnesowania ferromagnetyków.
W czasie wirowania twornika z prędkością n strumień wyprodukowany w uzwojeniu wzbudzenia ? przenika uzwojenie twornika indukując w nim siłe elektromotoryczną E = k ? n, gdzie k - stała konstrukcyjna urządzenia. Napięcie na zaciskach twornika uzależnione jest od wartości indukowanej w nim siły i prądu twornika. Gdy będzie rosło obciążenie będzie zwiększał się wpływ oddziaływania twornika i wartość spadku napięcia na rezystancji własnej uzwojeń twornika oraz przewodów doprowadzeń. W trakcie stabilnej pracy, na zaciskach prądnicy pojawi się napięcie:
U = E - It Rt
Gdzie: U - wartość napięcia na zaciskach maszyny, E - siła elektromotoryczna zaindukowana w tworniku, It - prąd twornika, Rt - całkowita rezystancja obwodu twornika.
Zmienność napięcia prądnicy obcowzbudnej definiuje się w następujący sposób:
?Un = (E - U) / U
Własnością prądnic obcowzbudnych jest stosunkowo ogromne wartość prądu zwarcia, która jest ograniczana jedynie rezystancją obwodu twornika czyli rezystancją uzwojeń twornika, rezystancją uzwojeń dodatkowych połączonych szeregowo z twornikiem, rezystancją doprowadzeń oraz rezystancją przejścia szczotka komutator.
Jako, że siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do wartości prędkości obrotowej, prądnice obcowzbudne są bardzo często stosowane jako przetwornik prędkości obrotowej w sygnał elektryczny.
Prądnica szeregowa
W prądnicy szeregowej prądu stałego obwód twornika jest łączony szeregowo z obwodem wzbudzenia. W rezultacie prąd w urządzeniu jest w stanie płynąc dopiero, kiedy podłączone obciążenie oraz obwód będą zamknięte. Rezystancja odbiornika ,musi być w taki sposób dobrana, by spełnione były wszelkie warunki samowzbudzenia. Prąd twornika jest równocześnie prądem wzbudzenia oraz obciążenia:
It = Iw = I
Ponieważ prąd wzbudzenia uzależniony jest od obciążenia, strumień magnesujący ulega zmianie razem ze zmianą obciążenia. Napięcie na zaciskach urządzenia posiada taką o to wartość:
U = E - (Rt + Rw) - ?Usz
Gdzie: E = k ? n - siła elektromotoryczna indukowana w tworniku, Rt- rezystancja twornika oraz uzwojeń pomocniczych, Rw - rezystancja uzwojenia wzbudzenia, ?Usz - spadek napięcia na przejściu szczotki - komutator.
Przy niewielkim obciążeniu napięcie na zaciskach urządzenia jest stosunkowo małe. Razem z wzrostem obciążenia napięcie również będzie rosło. Gdy uzyska wartość znamionową, przy dalszym wzroście obciążenia, napięcia będzie malało, gdyż będzie zwiększał się spadek napięcia na elementach obwodu i zwieszać się będzie się wpływ oddziaływania twornika.
Ze względu na złożone warunki samowzbudzenia oraz trudności przy utrzymaniu stałej wartości napięcia na zaciskach urządzenia, prądnica szeregowa nie posiada większego wykorzystania oraz używanie jej jest bardzo ograniczone.
Prądnica szeregowo - bocznikowa
Prądnica szeregowo-bocznikowa wiąże zalety prądnicy bocznikowej oraz szeregowej. Podczas wzbudzenia oraz stabilnej pracy główny wpływ na strumień magnesujący posiada uzwojenie bocznikowe. Dzięki jego wykorzystaniu - tak samo jak w prądnicy bocznikowej - ewentualne jest ustawienie napięcia biegu jałowego i płynną regulacje napięcia na zaciskach obciążonego urządzenia. Uzwojenie szeregowe wpływa na zwiększenie się przepływu wzbudzenia wraz ze wzrostem obciążenia. Wypadkowy strumień wzbudzenia jest sumą strumieni obu uzwojeń:
?w = ?d ( ?wb +/- ?ws)
Gdzie: ?d - przewodność obwodu magnetycznego w osi d - prostopadłej do osi szczotek, ?wb - przepływ uzwojenia bocznikowego, ?ws - przepływ uzwojenia szeregowego. Znak +/- uzależniony jest od tego czy przepływy z obu uzwojeń posiadają zgodny czy przeciwny zwrot. Jeżeli chodzi o przepływy godne zmienność napięcia może wynosić 0 albo nawet mieć wartość ujemną w porównaniu z zmiennością napięcia w prądnicy bocznikowej, kiedy przepływy są przeciwne zmienność napięcia jest o wiele większa.
Napięcie oraz prąd na zaciskach urządzenia ma taka o to wartość:
U = E - (Rws + Rp + Rt)It - ?Usz
It = I + Iwb
Gdzie: U - napięcie na zaciskach maszyny, E - wartość indukowanej siły elektromotorycznej, Rws - rezystancja szeregowego uzwojenia wzbudzenia,Rwb - rezystancja bocznikowego uzwojenia wzbudzenia, Rp - rezystancja uzwojeń dodatkowych i doprowadzeń w obwodzie twornika, It - prąd twornika, Iwb - prąd w bocznikowym uzwojeniu wzbudzenia, I - prąd obciążenia.
Warunki samowzbudzenia
Warunek pracy prądnicy to wirowanie twornika urządzenia i występowanie strumienia magnetycznego wyprodukowanego w uzwojeniu wzbudzenia. W prądnicach obcowzbudnych do uzwojenie wzbudzenia przyłożone jest napięcie z niezależnego źródła. W prądnicach samowzbudnych wzbudzenie uzależnione jest od występującego magnetyzmu szczątkowego. W urządzeniu szeregowym prąd twornika jest równocześnie prądem wzbudzenia:
I=It=Iw,
Natomiast w urządzeniu bocznikowym cześć prądu wyprodukowanego przeznaczona jest na prąd magnesujący
I=It-Iw
Gdzie; I - prąd obciążenia, It - prąd twornika, Iw - prąd wzbudzenia.
Koniecznym warunkiem wzbudzenia prądnicy jest:
* występowanie magnetyzmu szczątkowego,
* zapewnienie takiego połączenia układu, by strumień szczątkowy był wzmacniany przez pojawiający się strumień magnetyczny wyprodukowany w uzwojeniu wzbudzenia,
* zapewnienie odpowiedniej wartości rezystancji wzbudzenia,
* pojawianie się ogromnej wartości siły elektromotorycznej, występowanie możliwości nie wzbudzenia się urządzenia przy za małej prędkości obrotowej,
* wirnik musi wirować z szybkością większą aniżeli minimalna.
W urządzeniu, które choć raz było wzbudzone występuje szczątkowy strumień magnetyczny. W trakcie długiego postoju jego wartość będzie malała. Po nadaniu wirnikowi szybkości obrotowej pod jego wpływem w tworniku indukuje się szczątkowa siła elektromotoryczna. Jeśli gałąź twornika oraz gałąź wzbudzenia utworzą obwód zamknięty to będzie płynął prąd, którego wartość uzależniona będzie od rezystancji wypadkowej całego obwodu. Strumień jaki powstanie na skutek przepływu tego prądu musi powiększać strumień szczątkowy.
Zasada działanie prądnicy prądu stałego
Zasadę działanie prądnicy prądu stałego da się bardzo prosto wytłumaczyć na zasadzie przewodnika przemieszczającego się w niezmiennym w czasie polu magnetycznym. Kiedy wirnik urządzenia pod wpływem zewnętrznego momentu napędowego wiruje w uzwojeniu twornika indukuje się siła elektromotoryczna (tzw. siła elektromotoryczna rotacji) która ma wartość:
e= B lw v
Gdzie: B - największa wartość indukcji, lw- całkowita długość przewodów przemieszczających się w polu magnetycznym, v - prędkość liniowa przewodów.
Napięcie na zaciskach urządzenia jest sumą sił elektromotorycznych zaindukowanych w kolejnych cewkach wirnika które połączone są szeregowo. Osi cewek są wzajemnie przesunięte w przestrzeni oraz wszystkie z nich są w innych warunkach magnetycznych, w związku z tym napięcie na zaciskach twornika jest sumą wartości chwilowych sił elektromotorycznych indukowanej we wszystkich cewkach.
Wartość siły elektromotorycznej, jaka będzie indukowana w uzwojeniu twornika będzie wynosiła:
E = k ? n
Gdzie :Phi - strumień magnetyczny wzbudzenia, n - prędkość obrotowa wirnika [obr/min], k = N p / a 60 - stała konstrukcyjna urządzenia. Podczas pracy prądnicowej napięcie na zaciskach urządzenia U jest mniejsze od siły elektromotorycznej o wielkość spadków napięć na wszelkich fragmentach obwodu:
U = E - It Rt
Gdzie: It - prąd twornika, Rt - całkowita rezystancja obwodu twornika.
Zgodnie z regulaminem serwisu www.bryk.pl prawa autorskie do niniejszego materiału posiada Wydawnictwo GREG. W związku z tym, rozpowszechnianie niniejszego materiału w wersji oryginalnej albo w postaci opracowania, utrwalanie lub kopiowanie materiału w celu rozpowszechnienia w szczególności zamieszczanie na innym serwerze, przekazywanie drogą elektroniczną i wykorzystywanie materiału w inny sposób niż dla celów własnej edukacji bez zgody Wydawnictwa GREG podlega grzywnie, karze ograniczenia wolności lub pozbawienia wolności.
Polecamy prace o podobnej tematyce
* AC/DC - prąd zmienny czy prąd stały?
* Prąd stały, prąd indukcyjny
* Wykorzystanie silnika prądu stałego
* Silnik prądu stałego-zasada działania
* Silnik elektryczny prądu stałego
Polecamy na dziś
1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
2. Silnik prądu stałego-zasada działania
3. Kondensator
4. Elektroliza
5. Prądnice prądu stałego
6. Zastosowanie elektromagnesów
7. Rodzaje silników elektrycznych
8. Zasada działania prądnicy i silnika
9. Mierniki, budowa i funkcja
10. Zasada działania transformatora
Maszyna elektryczne, którą jest napędzana może pracować jako prądnica. Po wprowadzeniu w ruch wirnika maszyny oraz zapewnieniu warunków wzbudzenia, maszynę można traktować jako elektromechaniczny przetwornik energii mechanicznej w elektryczną. Dla każdej prądnicy prądu stałego należy określić parametry:
· prędkość obrotową n
· prąd wzbudzenia Iw
· prąd obciążenia I
· napięcie obwodu twornika Ut
Prądnice najczęściej pracują ze stałą prędkością i dlatego podstawowe charakterystyki oraz analiza stanów maszyny przedstawiane są przy założeniu n=const. Do określenia podstawowych właściwości maszyn można posłużyć się trzema typami charakterystyk: obciążenia, zewnętrzna, regulacji. Ze względu na budowę oraz właściwości dynamiczne prądnice prądu stałego rozpatrywane są ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika. Rozróżniamy prądnice: obcowzbudne, szeregowe, bocznikowe i szeregowo-bocznikowe. Sposób rysowania schematów maszyn prądu stałego oraz oznakowywania początków i końców uzwojeń są ściśle określone przez polskie normy. Przyjęto, że uzwojenia wzbudzenia - obce, szeregowe i bocznikowe - należy rysować w osi prostopadłej do osi szczotek, natomiast pozostałe uzwojenia np.: pomocnicze, komutacyjne i kompensacyjne - w tej samej osi, co szczotki.
Zwrot napięcia na zaciskach prądnicy jest zależny od kierunku wirowania i orientacji pola magnetycznego w maszynie. Zwyczajowo przyjmuje się, że jeżeli wirnik wiruje prawoskrętnie to prąd w obwodzie twornika ma kierunek od B do A, a o w obwodzie wzbudzenia od C do D.
Praca równoległa prądnic prądu stałego
Prądnice prądu stałego mogą pracować równolegle lub sieci. Podstawowym warunkiem prawidłowej pracy jest zachowanie takiej samej biegunowości na zaciskach każdej z maszyn. Przy przyłączeniu nowej prądnicy należy zachować warunki zgodnej biegunowości i równych poziomów napięć. Jeżeli przyłączając, do pracującej już prądnicy kolejną, nie chcemy nazbyt dużego i szybkiego wzrostu prądu wyrównawczego oraz wahań napięcia należy, na prądnicy biegnącej jałowo ustawić napięcie równe, co do wartości napięciu prądnicy już pracującej. Wartość napięcia reguluję się poprzez zmianę prądu wzbudzenia. Po prawidłowym włączeniu prądnicy należy zwiększać prąd wzbudzenia, tak, aby przejęła on na siebie część obciążenia. Jeżeli prąd wzbudzenia jednej z prądnic będzie zbyt mały może ona zacząć pracować jako silnik. Szczególnie wrażliwe są na to prądnice szeregowo-bocznikowe. Aby przeciwdziałać temu zjawisku można zastosować bezpośrednie połączenie elektryczne zacisków tworników poprzez użycie dodatkowego przewodu wyrównawczego.
Jeżeli zachodzi konieczność wyłączenia prądnicy, należy zmniejszyć w niej prąd wzbudzenia, zwiększając jednocześnie go w innych prądnicach, tak, aby żądana maszyna pracowała na biegu jałowym. Wyłączenie tej maszyny nie powinno spowodować niestabilnych zachowań sieci.
Typy prądnic prądu stałego
Prądnica bocznikowa
Prądnica bocznikowa jest prądnicą samo wzbudną. Prądnica będzie pracować poprawnie, jeżeli wirnik prądnicy zostanie wprawiony w ruch oraz zostaną zachowane warunki samowzbudzenia. Prądnice można obciążać dopiero po zakończeniu procesu samowzbudzenia. W bocznikowej prądnicy prądu stałego podobnie jak w bocznikowym silniku, uzwojenie twornika jest połączone równolegle z uzwojeniem wzbudzenia. W czasie stabilnej pracy maszyny, prąd twornika It rozpływa się na prąd obciążenia I oraz prąd wzbudzenia Iw.
It = Iw + I
Porównując charakterystyki zewnętrzne prądnicy bocznikowej i obcowzbudnej, można zauważyć, że napięcie prądnicy bocznikowej maleje szybciej, a największy prąd, jakim można obciążyć maszynę jest nieznacznie większy od znamionowego. Jest to spowodowane tym, że wraz ze spadkiem napięcia w obwodzie twornika, prąd wzbudzenia i napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia maleją, a co za tym idzie istniejący strumień także maleje. Zmienność napięcia określona jest zależnością:
?U% = 100 * (U0 - Un) / Un
Gdzie: ?U% - procentowa zmienność napięcia, U0 - napięcie biegu jałowego, Un - napięcie znamionowe.
Znajomość charakterystyki regulacyjnej Iw = f (I), pozwala na utrzymanie stałej wartości napięcia na zaciskach maszyny przy zmianie prądu obciążenia.
Zaletą prądnicy bocznikowej jest stosunkowo mały prąd zwarcia.
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. Gwałtowna zmiana prądu w obwodzie wzbudzenia, spowodowana np. rozwarciem zestyków spowoduje zaindukowanie się siły elektromotorycznej, której zbyt duża wartość może być niebezpieczna dla maszyny, może doprowadzić do uszkodzenia izolacji.
Podstawę przy określaniu właściwości prądnicy stanowi charakterystyka biegu jałowego U0=f(Iw), której kształt jest podobny do charakterystyk magnesowania ferromagnetyków.
Podczas wirowania twornika z prędkością n strumień wytworzony w uzwojeniu wzbudzenia ? przenika uzwojenie twornika indukując w nim siłe elektromotoryczną E = k ? n, gdzie k - stała konstrukcyjna maszyny. Napięcie na zaciskach twornika zależy od wartości indukowanej w nim siły oraz prądu twornika. Przy wzroście obciążenia zwiększa się wpływ oddziaływania twornika oraz wartość spadku napięcia na rezystancji własnej uzwojeń twornika i przewodów doprowadzeń. W trakcie stabilnej pracy, na zaciskach prądnicy pojawi się napięcie:
U = E - It Rt
Gdzie: U - wartość napięcia na zaciskach maszyny, E - siła elektromotoryczna zaindukowana w tworniku, It - prąd twornika, Rt - całkowita rezystancja obwodu twornika.
Zmienność napięcia prądnicy obcowzbudnej określono:
?Un = (E - U) / U
Cechą prądnic obcowzbudnych jest stosunkowo duża wartość prądu zwarcia, która jest ograniczana tylko rezystancją obwodu twornika tj. rezystancją uzwojeń twornika, rezystancją uzwojeń dodatkowych połączonych szeregowo z twornikiem, rezystancją doprowadzeń i rezystancją przejścia szczotka komutator.
Ponieważ siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do wartości prędkości obrotowej, prądnice obcowzbudne są często wykorzystywane jako przetwornik prędkości obrotowej w sygnał elektryczny.
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
Ponieważ prąd wzbudzenia zależy od obciążenia, strumień magnesujący zmienia się wraz ze zmianą obciążenia. Napięcie na zaciskach maszyny ma wartość:
U = E - (Rt + Rw) - ?Usz
Gdzie: E = k ? n - siła elektromotoryczna indukowana w tworniku, Rt- rezystancja twornika i uzwojeń pomocniczych, Rw - rezystancja uzwojenia wzbudzenia, ?Usz - spadek napięcia na przejściu szczotki - komutator.
Przy mały obciążeniu napięcie na zaciskach maszyny jest stosunkowo niewielkie. Wraz ze wzrostem obciążenia napięcie także rośnie. Po osiągnięciu wartości znamionowej, przy dalszym wzroście obciążenia, napięcia maleje, ponieważ zwiększają się spadki napięcia na elementach obwodu oraz zwiększa się wpływ oddziaływania twornika.
Ze względu na złożone warunki samowzbudzenia i trudności przy utrzymaniu stałej wartości napięcia na zaciskach maszyny, prądnica szeregowa nie ma szerokiego zastosowania i użycie jest znacznie ograniczone.
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:
?w = ?d ( ?wb +/- ?ws)
Gdzie: ?d - przewodność obwodu magnetycznego w osi d - prostopadłej do osi szczotek, ?wb - przepływ uzwojenia bocznikowego, ?ws - przepływ uzwojenia szeregowego. Znak +/- zależny jest czy przepływy z obu uzwojeń mają zgodny czy przeciwny zwrot. W przypadku przepływów zgodnych zmienność napięcia może być zerowa lub nawet ujemna w porównaniu z zmiennością napięcia w prądnicy bocznikowej, gdy przepływy są przeciwne zmienność napięcia jest o wiele większa.
Napięcie i prąd na zaciskach maszyny mają wartość:
U = E - (Rws + Rp + Rt)It - ?Usz
It = I + Iwb
Gdzie: U - napięcie na zaciskach maszyny, E - wartość indukowanej siły elektromotorycznej, Rws - rezystancja szeregowego uzwojenia wzbudzenia,Rwb - rezystancja bocznikowego uzwojenia wzbudzenia, Rp - rezystancja uzwojeń dodatkowych i doprowadzeń w obwodzie twornika, It - prąd twornika, Iwb - prąd w bocznikowym uzwojeniu wzbudzenia, I - prąd obciążenia.
Warunki samowzbudzenia
Warunkiem pracy prądnicy jest wirowanie twornika maszyny oraz istnienie strumienia magnetycznego wytworzonego w uzwojeniu wzbudzenia. W prądnicach obcowzbudnych do uzwojenie wzbudzenia przyłożone jest napięcie z niezależnego źródła. W prądnicach samowzbudnych wzbudzenie zależy od istniejącego magnetyzmu szczątkowego. W maszynie szeregowej prąd twornika jest jednocześnie prądem wzbudzenia:
I=It=Iw,
Natomiast w maszynie bocznikowej cześć prądu wytworzonego przeznaczona jest na prąd magnesujący
I=It-Iw
Gdzie; I - prąd obciążenia, It - prąd twornika, Iw - prąd wzbudzenia.
Niezbędnymi warunkami wzbudzenia prądnicy są:
· istnienie magnetyzmu szczątkowego,
· zapewnienie takiego połączenia układu, aby strumień szczątkowy był wzmacniany przez powstający strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu wzbudzenia,
· zapewnienie odpowiedniej wartości rezystancji wzbudzenia,
· wystąpienie dostatecznie dużej wartości siły elektromotorycznej, istnieje możliwość nie wzbudzenia się maszyny przy zbyt małej prędkości obrotowej,
· wirnik musi wirować z prędkością większą niż minimalna.
W maszynie, która choć raz był wzbudzona istnieje szczątkowy strumień magnetyczny. W trakcie długiego postoju jego wartość maleje. Po nadaniu wirnikowi prędkości obrotowej pod jego wpływem w tworniku indukuje się szczątkowa siła elektromotoryczna. Jeżeli gałąź twornika i gałąź wzbudzenia tworzą obwód zamknięty to popłynie prąd, którego wartość zależy od rezystancji wypadkowej całego obwodu. Strumień powstały w wyniku przepływu tego prądu powinien zwiększać strumień szczątkowy.
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.
Napięcie na zaciskach maszyny jest sumą sił elektromotorycznych zaindukowanych w poszczególnych cewkach wirnika połączonych szeregowo. Osi cewek są wzajemnie przesunięte w przestrzeni i każda z nich znajduje się w innych warunkach magnetycznych, dlatego napięcie na zaciskach twornika jest sumą wartości chwilowych sił elektromotorycznych indukowanej w każdej z cewek.
Wartość siły elektromotorycznej, jaka zaindukuje się w uzwojeniu twornika wynosi:
E = k ? n
Gdzie ? - strumień magnetyczny wzbudzenia, n - prędkość obrotowa wirnika [obr/min], k = N p / a 60 - stała konstrukcyjna maszyny. W czasie pracy prądnicowej napięcie na zaciskach maszyny U jest mniejsze od siły elektromotorycznej o wielkość spadków napięć na wszystkich elementach obwodu:
U = E - It Rt
Gdzie: It - prąd twornika, Rt - całkowita rezystancja obwodu twornika.
SILNIK ELEKTRYCZNY, maszyna przetwarzająca energię elektr. na energię mech., zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnet. i prądu elektr. (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się silnik elektryczny prądu stałego oraz silniki elektryczny prądu przemiennego. Silnik elektryczny prądu stałego ma na osi wirnika pierścień złożony z izolowanych działek (tzw. komutator) łączonych z zaciskami uzwojeń twornika; po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd nieruchomo osadzone szczotki elektr. (z drobnoziarnistych tworzyw z węgla uszlachetnionego) dociskane do powierzchni komutatora przez sprężynki. Działanie pola magnet., wytworzonego przez elektromagnesy stojana, na prąd elektr. w obwodzie: para szczotek, działki komutatora i uzwojenie twornika, powoduje ruch obrotowy wirnika; kierunek obrotów zależy od kierunku prądu w uzwojeniu twornika. Zależnie od sposobu połączenia uzwojenia twornika z uzwojeniem elektromagnesu wzbudzającego pole magnet., silniki elektryczne prądu stałego dzieli się na szeregowe, równoległe i szeregowo-równoległe. W silnikach elektrycznych szeregowych prędkość obrotowa zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia; mają skłonność do rozbiegania się po odłączeniu obciążenia; są stosowane w trakcji elektr. i dźwignicach. W silnikach elektrycznych równol. prędkość obrotowa jest niezależna od obciążenia; są stosowane np. do napędzania obrabiarek. Silniki elektryczne szeregowo-równoległe są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i dużych momentach obrotowych. Silniki prądu przemiennego dzielą się na 1- i 3-fazowe, a zależnie od zasady działania na indukcyjne (indukcyjna maszyna), synchroniczne (synchroniczna maszyna) i komutatorowe (komutatorowa maszyna). W silnikach elektrycznych 3-fazowych indukcyjnych prąd 3-fazowy płynący przez uzwojenia stojana wytwarza pole wirujące; pole to przecina przewody uzwojenia wirnika, indukując w nich prądy zgodnie z regułą Lenza, a w rezultacie powoduje ruch obrotowy wirnika; wirnik obraca się wolniej niż pole wirujące, gdyż w uzwojeniach wirnika indukuje się napięcie tylko wtedy, kiedy istnieje ruch pola wirującego względem tych uzwojeń; różnica prędkości nazywa się poślizgiem; silnikach elektrycznych indukcyjne stosowane są do napędzania maszyn o nie regulowanej prędkości obrotowej. Najtańsze i najczęściej stosowane w przemyśle są odznaczające się najprostszą budową silniki indukcyjne klatkowe (zwarte); wirnik tych silników ma uzwojenie w kształcie klatki, wykonanej jako odlew aluminiowy lub zespół prętów zwartych na swych czołach pierścieniami. Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od silników elektrycznych indukcyjnych budową wirnika, który jest wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika; liczba biegunów elektromagnesów odpowiada liczbie biegunów pola wirującego stojana; ponieważ moment obrotowy jest wynikiem wzajemnego oddziaływania na siebie biegunów magnet. elektromagnesów i pola wirującego, obroty wirnika są synchroniczne z obrotami pola i mają stałą prędkość; stosowane do napędzania maszyn szybkoobrotowych o stałej prędkości obrotowej, np. sprężarek. Silniki elektryczne synchroniczne mogą być stosowane jako silniki skokowe (krokowe, impulsowe); impulsowe zasilanie powoduje nieciągły, skokowy ruch wirnika (obrót) silnika o określony kąt (zwykle kilka do kilkudziesięciu stopni); silnik taki wykonuje do kilku tysięcy skoków na sekundę; jest stosowany w układach regulacji automatycznej z cyfrowym sygnałem sterującym, w zegarach (jako siłownik precyzyjny), do ustawiania głowic w pamięciach dyskowych komputerów itp. Silniki elektryczne komutatorowe (szeregowe i równoległe), podobnie jak silniki elektryczne prądu stałego, mają wirnik z komutatorem, do którego doprowadza się prąd przemienny za pomocą szczotek. Osobną grupę stanowią silniki elektryczne uniwersalne, które mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym; stosowane do napędzania sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych itp. Odrębnym rodzajem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, przetwarzający energię elektr. bezpośrednio na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy składa się z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika zwykłego silnika elektrycznego, lecz rozwiniętymi w linię prostą; częścią ruchomą silnika może być zarówno induktor, jak i bieżnik. Głównymi zaletami tego rodzaju silnika są: brak styczności mech. między induktorem a bieżnikiem, idealnie cicha praca, dobre chłodzenie, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, łatwość sterowania, możliwość uzyskiwania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, możliwość prostego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o większej mocy. Rozróżnia się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, prądu przemiennego, synchroniczne, asynchroniczne, oscylacyjne itp.; do najnowszych konstrukcji należą silniki o poprzecznym strumieniu magnet. (tzw. transverse-flux motor) nadające się zwł. do napędzania szybkich pojazdów poruszających się na poduszce powietrznej lub magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe stosuje się gł. w automatyce, w napędach specjalnych oraz w trakcji elektrycznej. Współczesne silniki elektryczne budowane są na moce od części wata do kilkudziesięciu megawatów, przy sprawności od 60 do 95%, współczynnik mocy silnika elektrycznego prądu przemiennego wynosi 0,65 0,95. Pierwszy model silnika elektrycznego zbudował 1831 M. Faraday (tarcza Faradaya), zaś pierwszy silnik elektryczny (z komutatorem) o praktycznym zastosowaniu do napędu łódki 1834 M.H. Jacobi; decydującym krokiem w rozwoju silnika elektrycznego było zbudowanie 1887 przez J.N. Teslę (wykorzystującego prace inż. i fizyka G. Ferrarisa) 2-fazowego silnika indukcyjnego; 1889 90 silnik 3-fazowy z wirnikiem klatkowym zbudował M. Doliwo-Dobrowolski; 1902 E. Danielson zbudował silnik synchroniczny, którego prędkość obrotowa ściśle zależała od częstotliwości prądu zasilającego; w tym samym roku A. Zahden uzyskał patent na silnik liniowy, działający wg zasady stosowanej obecnie.
SILNIK PRĄDU STAŁEGO
silnik elektr. przystosowany do zasilania prądem stałym; maszyna przetwarzająca energię elektr. prądu stałego na energię mechaniczną na zasadzie indukcji elektromagnet., polegającej na wytwarzaniu siły elektromotorycznej w przewodnikach znajdujących się w zmiennym polu magnet. Pole magnet. wytwarzane jest w nieruchomej części s.p.s. zw. stojanem; wewnątrz stojana umieszczony jest wirnik (twornik), na powierzchni którego, równolegle do osi, umieszczone jest w specjalnych żłobkach uzwojenie z izolowanych przewodów miedzianych. Zarówno stojan jak i wirnik zasilane są z sieci prądem elektr.; przewody obracającego się wirnika przecinają linie sił pola magnet. biegunów stojana, w wyniku czego w tych przewodach indukuje się siła elektromotoryczna skierowana przeciwnie do przyłożonego doń napięcia (stąd zw. siłą przeciwelektromotoryczną). Ze względu na sposób wzbudzenia s.p.s. dzieli się na: s. szeregowe, o uzwojeniach cewek wzbudzających stojana połączonych szeregowo z uzwojeniem twornika - stosowane gł. w trakcji elektr. (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów itp.; s. bocznikowe, o uzwojeniu cewek wzbudzających stojana przyłączonym do sieci równolegle do obwodu twornika - o najszerszym praktycznie zastosowaniu spośród s.p.s., gł. w napędach obrabiarek; s. szeregowo-bocznikowe, o wzbudzeniu mieszanym uzyskiwanym poprzez dwa różnie podłączone uzwojenia wzbudzające - stosowane zazwyczaj jako silniki dużych mocy do napędu walcarek, pras itp. oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych; s. obcowzbudne o oddzielnych źródłach zasilania obwodu wzbudzenia i obwodu twornika - stosowane gł. w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów; silnik szeregowy może, jako jedyny s.p.s., być zasilany również prądem przemiennym jednofazowym; silniki takie zw. są silnikami uniwersalnymi, a możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania twornika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia; stosowane w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, wiertarkach ręcznych.
SILNIK ELEKTRYCZNY, maszyna przetwarzająca energię elektr. na energię mech., zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnet. i prądu elektr. (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się silnik elektryczny prądu stałego oraz silniki elektryczny prądu przemiennego.
Silnik elektryczny prądu stałego ma na osi wirnika pierścień złożony z izolowanych działek (tzw. komutator) łączonych z zaciskami uzwojeń twornika; po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd nieruchomo osadzone szczotki elektr. (z drobnoziarnistych tworzyw z węgla uszlachetnionego) dociskane do powierzchni komutatora przez sprężynki. Działanie pola magnet., wytworzonego przez elektromagnesy stojana, na prąd elektr. w obwodzie: para szczotek, działki komutatora i uzwojenie twornika, powoduje ruch obrotowy wirnika; kierunek obrotów zależy od kierunku prądu w uzwojeniu twornika. Zależnie od sposobu połączenia uzwojenia twornika z uzwojeniem elektromagnesu wzbudzającego pole magnet., silniki elektryczne prądu stałego dzieli się na szeregowe, równoległe i szeregowo-równoległe. W silnikach elektrycznych szeregowych prędkość obrotowa zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia; mają skłonność do „rozbiegania się” po odłączeniu obciążenia; są stosowane w trakcji elektr. i dźwignicach. W silnikach elektrycznych równol. prędkość obrotowa jest niezależna od obciążenia; są stosowane np. do napędzania obrabiarek. Silniki elektryczne szeregowo-równoległe są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i dużych momentach obrotowych.