Prądnice prądu stałego

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 I_w

• prąd obciążenia I

• napięcie obwodu twornika U_t

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 I_t rozpływa się na prąd obciążenia I oraz prąd wzbudzenia I_w.

I_t = I_w + 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:

δU_% = 100 * (U₀ - U_n) / U_n

Gdzie: δU_% - procentowa zmienność napięcia, U₀ - napięcie biegu jałowego, U_n - napięcie znamionowe.
Znajomość charakterystyki regulacyjnej I_w = 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(I_w), której kształt jest podobny do charakterystyk magnesowania ferromagnetyków.
Podczas wirowania twornika z prędkością n strumień wytworzony w uzwojeniu wzbudzenia Φ przenika uzwojenie twornika indukując w nim siłe elektromotoryczną E = k Φ 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 - I_t R_t

Gdzie: U - wartość napięcia na zaciskach maszyny, E - siła elektromotoryczna zaindukowana w tworniku, I_t - prąd twornika, R_t - całkowita rezystancja obwodu twornika.
Zmienność napięcia prądnicy obcowzbudnej określono:

ΔU_n = (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:

I_t = I_w = I

Ponieważ prąd wzbudzenia zależy od obciążenia, strumień magnesujący zmienia się wraz ze zmianą obciążenia. Napięcie na zaciskach maszyny ma wartość:

U = E - (R_t + R_w) - ΔU_sz

Gdzie: E = k Φ n - siła elektromotoryczna indukowana w tworniku, R_t- rezystancja twornika i uzwojeń pomocniczych, R_w - rezystancja uzwojenia wzbudzenia, ΔU_sz - 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:

Φ_w = Λ_d ( Θ_wb +/- Θ_ws)

Gdzie: Λ_d - przewodność obwodu magnetycznego w osi d - prostopadłej do osi szczotek, Θ_wb - przepływ uzwojenia bocznikowego, Θ_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 - (R_ws + R_p + R_t)I_t - ΔU_sz

I_t = I + I_wb

Gdzie: U - napięcie na zaciskach maszyny, E - wartość indukowanej siły elektromotorycznej, R_ws - rezystancja szeregowego uzwojenia wzbudzenia,R_wb - rezystancja bocznikowego uzwojenia wzbudzenia, R_p - rezystancja uzwojeń dodatkowych i doprowadzeń w obwodzie twornika, I_t - prąd twornika, I_wb - 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=I_t=I_w,

Natomiast w maszynie bocznikowej cześć prądu wytworzonego przeznaczona jest na prąd magnesujący

I=I_t-I_w

Gdzie; I - prąd obciążenia, I_t - prąd twornika, I_w - 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 l_w v

Gdzie: B - maksymalna wartość indukcji, l_w- 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 Φ n

Gdzie &Phi - 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 - I_t R_t

Gdzie: I_t - prąd twornika, R_t - całkowita rezystancja obwodu twornika.

3

---