E. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO

1. Zasada działania, budowa.

Jarzmo stajana spełnia funkcje obwodu magnetycznego oraz elementu konstrukcyjnego.

Stojan jest magneśnicą - wytwarzane jest w nim pole magnetyczne

Pole magnetyczne wytwarzane jest przez elektromagnes, którego uzwojenie umieszczone jest na biegunach głównych.

Wirnik jest najczęściej twornikiem w skład którego wchodzą: rdzeń, uzwojenie twornika oraz komutator.

Komutator służy do dostarczenia lub odbioru energii elektrycznej z wirnika. Jest elementem przełączającym poszczególne uzwojenia wirnika.

Zasada działania:

Przy pracy prądnicowej, jeżeli wirnik maszyny napędzimy z zewnątrz zasilając uzwojenie wzbudzenia ze źródła prądu stałego to w poszczególnych zwojach uzwojenia wirnika indukować się będą napięcia przemienne. Każdy zwój obracając się wraz z wirnikiem będzie znajdował się na przemian w polu północnego i południowego bieguna stojana. Niezależnie od położenia wirnika pod danym biegunem szczotka ma stały znak mimo ciągłej zmiany biegunowości napięcia w zwojach i zwrotu prądu. Maszyna prądu stałego może pracować również jako silnik.

Typy maszyn prądu stałego:

2. SEM i moment obrotowy.

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu (niezależnie od rodzaju pracy):
gdzie: k_n - stała maszyny. Jeżeli maszyna pracuje jako prądnica to jej prąd w uzwojeniach płynie w kierunku zgodnym z kierunkiem sem, moc oddawana jest dodatnia:
gdzie R_t - rezystancja obwodu twornika. Jeżeli maszyna pracuje jako silnik to prąd płynie w kierunku przeciwnym do sem:
. Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu twornika prądnicy jest równoważona przez spadek napięcia na odbiornikach i spadek napięcia na rezystancji obwodu twornika. W silniku natomiast napięcie doprowadzone jest równoważone przez spadek napięcia na rezystancji obwodu twornika i siłę elektromotoryczną często nazywaną przeciwelektromotoryczną.

Moment obrotowy:
jest to moment jaki działa na wirnik maszyny niezależnie od tego czy pracuje ona jako silnik czy prądnica. W silniku moment działa w kierunku zgodnym z kierunkiem wirowania wirnika, w prądnicy w kierunku przeciwnym.

3. Okład prądu, oddziaływanie (reakcja) twornika i jej kompensacja.

Okład prądu twornika:
, gdzie: z - liczba prętów uzwojenia, I_A - prąd twornika, τ_p - podziałka biegunowa, p - liczba par biegunów. Wyrażenie „zI_A” oznacza całkowity prąd płynący w całym obwodzie twornika, więc okład prądu oznacza prąd płynący w jednostce długości obwodu twornika. Okład prądu twornika wywołuje przepływ twornika Θ_A. skierowany w osi szczotek.

Pole magnetyczne wytworzone przez magnes trwały lub elektromagnes nie jest jedynym polem wytworzonym w maszynie. Nazywa się je polem magnetycznym głównym. Obraz tego pola oraz rozkład indukcji przedstawia rys A). pod biegunami indukcja ma stałą wartość, w strefie neutralnej indukcja jest równa zeru. Rozkład taki występuje tylko przy pracy maszyny bez obciążenia. Jeżeli maszyna jest obciążona, w uzwojeniu wirnika płynie prąd i wytwarza się pole magnetyczne wokół tych uzwojeń rys B). z rysunku widać, że strumień twornika skierowany jest prostopadle do strumienia głównego. Strumień twornika nakłada się na strumień główny tworząc strumień wypadkowy. Zniekształcenie głównego pola magnetycznego przez pole magnetyczne twornika nazywa się oddziaływaniem twornika rys. C). wskutek oddziaływania twornika:

- zmienia się rozkład indukcji magnetycznej pod biegunami

- indukcja jest równa zeru nie w osi neutralnej maszyny, lecz w punkcie przesuniętym w stosunku do niej o pewien kąt.

- zmniejsza się wypadkowy strumień w maszynie nasyconej.

Aby przeciwdziałać skutkom przesunięcia osi neutralnej wykonuje się bieguny komutacyjne umieszczone pomiędzy biegunami głównymi. Działanie tych biegunów musi być proporcjonalne do prądu wirnika dlatego ich uzwojenia połączone są szeregowo z uzwojeniami wirnika. Bieguny komutacyjne nie likwidują zniekształceń pola magnetycznego pod biegunami głównymi. Aby zlikwidować działanie twornika w strefie biegunów głównych w nabiegunnikach biegunów głównych umieszcza się uzwojenie kompensujące połączone szeregowo z uzwojeniem twornika, przy czym kierunek prądu musi przeciwny do kierunku prądu twornika pod danym biegunem.

4. Komutacja, kompensacja SEM samoindukcji w zwoju komutatorowym, powodu iskrzenia i sposoby poprawy komutacji.

Komutacja jest to proces zmiany kierunku prądu w zezwoju i występujący przy tym zespół zjawisk mechanicznych, elektromagnetycznych, elektrochemicznych, termicznych. Zła komutacja wywołuje iskrzenie, które może być przyczyną zniszczenia szczotek i komutatora. Przyczyny iskrzenia szczotek:

- mechaniczne: nierówności, zanieczyszczenia powierzchni, złe przyleganie szczotek, drgania szczotek

- elektryczne: gęstość prądu na styku między szczotką a komutatorem

Podstawą do oceny komutacji jest krzywa komutacji przedstawiająca przebieg prądu w okresie komutacji. Najkorzystniejsza jest komutacji prostoliniowa (1), w czasie której zmiana prądu w zezwoju przebiega liniowo. Na początku komutacji prąd ma wartość I_a po komutacji - I_a czyli zmiana prądu wynosi 2I_a. Zmiana ta powoduje indukowanie się siły elektromotorycznej samoindukcji
. Siła ta dążąc do podtrzymania zwrotu prądu powoduje komutacje opóźnioną (2). Komutacja opóźniona cechuje się tym że w połowie okresu komutacji prąd jest większy od zera. Komutacja ta jest bardzo niekorzystna, gdyż może pociągnąć za sobą łuk elektryczny powodujący zwarcie komutatora. Ponieważ ciężko jest uzyskać komutacje liniową wobec tego aby zapobiec komutacji opóźnionej należy doprowadzić do komutacji przyspieszonej (3), czyli takiej przy której zmiana prądu w cewce nastąpi w pierwszej połowie okresu komutacji. Wartość jej powinna przewyższać wartość potrzebną do skompensowania SEM samoindukcji oraz dodatkowej SEM wywołanej oddziaływaniem twornika. W celu poprawy warunków komutacji stosuje szczotki o znacznej rezystancji przejścia.

5. Rodzaje uzwojeń tworników, warunki symetrii.

- uzwojenie pętlicowe:

Początek i koniec każdego zezwoju przyłącza się do dwu sąsiednich wycinków komutatora. Łączy się bezpośrednio w szereg ze sobą zwoje leżące obok siebie na obwodzie twornika.

W uzwojeniu pętlicowym liczba par gałęzi równoległych jest równa liczbie biegunów.

- uzwojenie faliste:

Początek i koniec każdego zezwoju nie są połączone do sąsiednich wycinków komutatora lecz do wycinków znacznie odległych od siebie. Uzwojenie faliste proste ma zawsze dwie gałęzie równoległe, natomiast w wielokrotnym liczba gałęzi nie zależy od liczby biegunów

Każdy zezwój powinien mieć taką samą rozpiętość, aby dwa jego boki były obejmowane przez taki sam strumień magnetyczny. Rozpiętość powinna być równa podziałce biegunowej τ. Najczęściej rozpiętość zezwoju określa się jako poskok żłobkowy Y, który mierzy się liczbą odległości międzyżłobkowych, między dwoma bokami jednego zezwoju.

Aby maszyna prądu stałego mogła normalnie pracować między połączeniami równoległymi uzwojenia nie mogą płynąć żadne prądy wyrównawcze (w każdej chwili napięcia indukowane powinny być sobie równe). Uzwojenie musi spełniać warunki symetrii:

- w każdej gałęzi równoległej musi być taka sama liczba boków

- każdemu bokowi jednej gałęzi musi odpowiadać bok każdej innej gałęzi o takim samym indukowanym w nim napięciu przy takiej samej indukcji.

- odpowiednie boki wszystkich gałęzi równoległych powinny być rozmieszczone w jednakowych polach

Ponadto muszą być spełnione dodatkowe warunki mechaniczne, magnetyczne i elektryczne. Szczotki umieszcza się tak aby zwierały one zezwój wtedy kiedy nie indukuje się w nim napięcie - znajduje się w strefie neutralnej. Strefa neutralna jest to strefa między biegunami gdzie indukcja magnetyczna jest równa zeru.

6. Prądnica obcowzbudna, schemat i charakterystyki.

Prądnica obcowzbudna jest maszyną, w której obwód wzbudzenia zasilany jest z obcego źródła.

- charakterystyka biegu jałowego - zależność napięcia na zaciskach maszyny od prądu wzbudzenia w stanie jałowym przy stałej prędkości obrotowej. E_r - napięcie remanentu jest to napięcie indukowane przez strumień pozostałości magnetycznej. Ma ono istotne znaczenie przy wzbudzaniu się prądnicy bocznikowe.

- charakterystyka obciążenia - zależność napięcia na zaciskach prądnicy od prądu wzbudzenia przy stałym prądzie twornika oraz znamionowej prędkości obrotowej.

- charakterystyka regulacji - zależność prądu wzbudzenia od prądu obciążenia

- charakterystyka zewnętrzna - zależność napięcia od prądu obciążenia przy znamionowej prędkości obrotowej i stałym prądzie twornika.

Zmienność napięcia jest to zmiana napięcia przy zmianie obciążenia od stanu jałowego do znamionowego:

7. Prądnica samowzbudna bocznikowa, schemat, proces samowzbudzenia i charakterystyki.

W prądnicy bocznikowej uzwojenie wzbudzenia jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika

Proces samowzbudzenia. Jeżeli w obwodzie magnetycznym istnieje magnetyzm szczątkowy to po uruchomieniu maszyny w uzwojeniu twornika indukuje się napięcie remanentu. Wytwarza ono prąd w obwodzie twornika i uzwojeniu wzbudzenia. Jeżeli prąd w obwodzie wzbudzenia działa wzmacniająco na strumień remanentu to proces samowzbudzenia może się rozpocząć i maszyna wzbudzi się do pełnego napięcia.

Przyczyny niedowzbudzenia prądnicy bocznikowej:

- brak magnetyzmu szczątkowego

- niewłaściwy kierunek wirowania

- niewłaściwe połączenie obw. wzbudzenia z obw. twornika

- przerwa w obwodzie twornika lub wzbudzenia

- zbyt duża rezystancja obwodu wzbudzenia

Charakterystyki jałowa i obciążenia analogiczne do prądnicy obcowzbudnej.

Charakterystyka zewnętrzna:

Zwarcie prądnicy obcowzbudnej nie jest niebezpieczne ponieważ prąd zwarcia jest mniejszy od znamionowego. Prąd maksymalny jest 2-3 razy większy od znamionowego.

8. Prądnica szeregowo-bocznikowa, praca równoległa.

Prądnica szeregowo-bocznikowa na dwa uzwojenia: bocznikowe i szeregowe. Zaletą jest, że nie wymaga oddzielnego źródła zasilania dla obwodu wzbudzenia. Wadą natomiast silne zmniejszenie się napięcia przy wzroście obciążenia.

Decydujący wpływ na właściwości maszyny ma przepływ uzwojenia bocznikowego, który jest znacznie większy od przepływu uzwojenia szeregowego. Rozróżniamy maszyny z dozwojeniem zgodnym i niezgodnym.

Zmienność napięcia dla dozwojenia zgodnego jest równa zero lub ujemna. Dla dozwojenia jest duża.

Praca równoległa - przyłączenia prądnicy prądu stałego polega na uzgodnieniu biegunowości i wyrównaniu wartości napięć. Zadania podczas pracy sprowadzają się do regulacji napięcia i zmiany rozpływu mocy.

Przyłączenie prądnicy do pracującej już prądnicy polega na ustawieniu napięcia prądnicy biegnącej jałowo równej wartości napięcia sieci. Po przyłączeniu wzbudzonej prądnicy będzie ona dalej biegła jałowo. Aby przejęła ona część obciążenia należy stopniowo zwiększać jej wzbudzenie. Aby napięcie sieci pozostało stałe należy równocześnie zmniejszać wzbudzenia pierwszej prądnicy.

9. Silniki: bocznikowy, szeregowy i szeregowo-bocznikowy, schematy, charakterystyki robocze, rozruch i regulacja prędkości obrotowej.

- silnik bocznikowy:

Rozruch silnika bocznikowego dokonuje się przy użyciu rozrusznika. Dodatkowy opornik powoduje zmniejszenie się prądu i momentu silnika. Aby moment zmniejszył się w określonych granicach podczas rozruchu włącza się kolejne sekcje rozrusznika przechodząc na kolejne charakterystyki aż do zwarcia rozrusznika.

Regulacja prędkości:

- włączenie dodatkowej rezystancji w obwód twornika - regulacja w dół

- zmiana strumienia - włączenie w szereg z obwodem wzbudzenia dodatkowej rezystancji - regulacja w górę

- zmiana napięcia zasilania twornika - regulacja od zera do większej od znamionowej

- silnik szeregowy:

Uzwojenie wzbudzenia jest szeregowo połączone z uzwojeniem twornika. Prąd pobierany z sieci jest jednocześnie prądem twornika i wirnika.

Zaletą silnika jest wytwarzanie dużego momentu rozruchowego.

Wadą jest możliwość rozbiegania silnika. Przy małym obciążeniu prędkość obrotowa jest bardzo duża co prowadzi do uszkodzenia maszyny (rozbiegania).

Rozruch silnika szeregowy należy dokonywać tylko przy obciążeniu z wykorzystaniem rozrusznika wpiętego w obwód twornika powodującego stopniową regulacje prądu rozruchowego.

Regulacja prędkości:

- włączenie dodatkowej rezystancji w obwód twornika - regulacja w dół.

- bocznikowanie obwodu wzbudzenia powoduje przy określonej wartości prądu obciążenia zmniejszenie strumienia i wzrost prędkości obrotowej.

- silnik szeregowo-bocznikowy:

Charakteryzuje się właściwościami zbliżonymi do silnika bocznikowego lub szeregowego w zależności od udziałów przepływów bocznikowego i szeregowego.

Rozruch silników przeprowadza się stosując rozrusznik rezystorowy. Stopniowe zwieranie rozrusznika umożliwia regulacje prądu rozruchowego.

Regulacje prędkości obrotowej realizujemy przez:

- zmianę napięcia zasilania twornika

- zmianę rezystancji w obwodzie twornika

- zmianę strumienia

10. Hamowanie maszynami prądu stałego.

- hamowanie prądnicowe ze zwrotem energii do sieci:

Maszyna może przejść w stan pracy hamulcowej gdy nadamy jej prędkość większą od prędkości przy idealnym biegu jałowym. Zakres prędkości można rozszerzyć w dół przez zwiększenie prądu wzbudzenia, lub przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika.

- hamowanie przeciwwłączeniem:

Realizujemy przez napędzanie wirnika w kierunku przeciwnym do tego który występuje w danym układzie lub przez przełączenie obwodu twornika. Prądy w obwodzie twornika będą wtedy bardzo duże. Aby je ograniczyć włącza się rezystancje w obwód twornika.

- hamowanie dynamiczne:

Należy odłączyć obwód twornika od sieci i przyłączyć go do odpowiednio dopranego rezystora pozostawiając obwód wzbudzenia przyłączony do sieci. Im mniejsza jest rezystancja odbiornika tym większy jest prąd hamowania.

---