Silnik szeregowy prądu stałego

1. Wiadomości ogólne

Prądnica prądu stałego składa się z dwu zasadniczych części: nieruchomej i wirującej.

Część ruchoma-zwana stojanem (jarzmem)-jest wykonana zwykle jako odlew żeliwny. Spełnia on równocześnie rolę części obwodu magnetycznego, jak również elementu konstrukcyjnego, do którego są przymocowane bieguny główne , bieguny komutacyjne (pomocnicze), służące do poprawienia warunków komutacji, przyżąd szczotkowy i tarcze łożyskowe.

Na rdzeniach bieguna głównego są osadzone cewki zasilane prądem stałym, nazywane uzwojeniem wzbudzającym. Niemal wszystkie maszyny komutatorowe, z wyjątkiem maszyn najmniejszych są wyposażone w bieguny komutacyjne (pomocnicze). Bieguny pomocnicze stanowią elektromagnesy, których uzwojenie jest osadzone na litym lub niekiedy wykonanym z blach rdzeniu stalowym.

Część wirująca-zwana wirnikiem lub twornikiem-jest wykonana z blach odizolowanych od siebie ze względu na prądy wirowe. Żłobki wirnika w których jest umieszczone uzwojenie, są z zasady otwarte.

Na wirniku znajduje się ponadto komutator oraz bardzo często wentylator, służący do wytworzenia strumienia powietrza chłodzącego maszynę.

2. Obwód magnetyczny

Pole magnetyczne w maszynach prądu stałego wytwarzają elektromagnesy umieszczone na obwodzie magneśnicy. Strumień magnetyczny jest wytwarzany przez tzw. prąd magnesujący albo wzbudzający, płynący przez cewki uzwojenia umieszczone na elektromagnesach. Wytwarzany w maszynie strumień magnetyczny tworzy obwód zamknięty.

Na rysunku 2.1 przedstawiono obwód magnetyczny maszyny dwubiegunowej. Obwód magnetyczny, jak to widać, przebiega przez rdzeń elektromagnesu N, następnie przez szczelinę powietrzną, rdzeń twornika, drugą szczelinę powietrzną, trafia do rdzenia elektromagnesu S, po dojściu do jarzma rozdziela się na dwie gałęzie i dochodzi do rdzeni elektromagnesów.

Zwrot strumienia magnetycznego zalerzy od zwrotu prądu w uzwojeniach elektromagnesów.

3. Zasada działania silników prądu stałego

Działanie silnika polega na wykorzystaniu następującego prawa : na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła mogąca wprawić ten przewód w ruch. Jeśli siły działające na wszystkie pręty twornika zsumujemy i pomnożymy przez promień twornika, otrzymamy moment obrotowy, nazywany momentem elektromagnetycznym.

(3.1)

gdzie:

c - stała maszyny uwzględniająca cechy konstrukcyjne maszyny,

Φ - strumień magnetyczny wychodzący lub wchodzący do bieguna magnetycznego [Wb],

I - natężenie prądu wirnika.

Maszyny prądu stałego są maszynami odwracalnymi. Jeśli prądnicę prądu stałego przyłączymy do sieci prądu stałego, zasilając z sieci zarówno uzwojenie wzbudzenia jak i uzwojenie twornika, to zacznie ona pracować jak silnik.

Wszystkie zjawiska występujące w prądnicach występują również w silnikach. Różnica polega jedynie na tym że dla tego samego wirowania SEM w tworniku maszyny jest skierowana przeciwnie do płynącego w tworniku prądu i dlatego nazwano go przeciwelektromotoryczną

(3.2)

w której

gdzie:

c- wpółczynnik proporcjonalności (stała maszyny), który uwzględnia cechy cechy konstrukcyjne maszyny , tj. liczbę par biegunów, zwojów twornika, rodzaj uzwojenia itp.;

ω_m- prędkość kątowa wirnika;

Φ- strumień magnetyczny wytworzony przez jedną parę biegunów.

Jeżeli uwzględnimy że siła elektromotoryczna E jest równa napięciu zasilającemu U, pomniejszonemu o spadek napięcia R_t•I_t w tworniku:

(3.3)

to z równania (3.3) oraz (3.2) otrzymamy:

(3.4)

Prędkość kątowa silnika prądu stałego jest przy danym napięciu zasilającym w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do strumienia magnetycznego.

Wzory (3.1) i (3.4) wyznaczają tzw. charakterystyki silników prądu stałego.

Należy jeszcze omówić rozruch i pracę silnika w czasie obciążenia .

Napięcie włączone do zacisków twornika silnika prądu stałego ma do pokonania oprócz siły przeciwelektromotorycznej E również spadki napięcia na rezystancji obwodu twornika R_t. Napięcie doprowadzone do silnika określa równanie:

skąd

(3.5)

z równania tego wynika że, prąd płynący przez twornik silnika jest zależny od napięcia SEM indukowanej w tworniku oraz od rezystancji obwodu twornika R_t.

We wzorach (3.3)÷(3.5) R_t oznacza rezystancję twornika łącznie z rezystancją uzwojenia biegunów komutacyjnych, uzwojenia szeregowego i szczotek.

Silników prądu stałego za wyjątkiem bardzo małych, nie wolno przyłączać bezpośrednio do sieci. W pierwszej chwili rozruchu gdy wirnik jest nieruchomy , siła elektromotoryczna E=0 (wzór 3.2). W miarę wzrostu prędkości kątowej (obrotowej ) indukuje się siła przeciw elektromotoryczna E, a prąd maleje.

Bezpośrednie włączenie napięcia do zacisków silnika w celu jego uruchomienia spowodowałoby w pierwszej chwili prąd 10 ÷30 razy większy od prądu znamionowego, co byłoby szkodliwe dla silnika (iskrzenie komutatora). Aby zapobiec powstawaniu zbyt dużego prądu rozruchowego, przyłącza się szeregowo z uzwojeniem twornika tzw. rozrusznik o tak dobranej rezystancji R_r , aby prąd rozruchu zawierał się w granicach 1,2÷2I­_­­n.

Rezystancję rozrusznika oblicza się ze wzoru:

(3.6)

gdyż rozrusznik powiększa rezystancję gałęzi twornika.

Po osiągnięciu przez silnik prędkości zbliżonej do znamionowej - rozrusznik należy wyłączyć, a wtedy natężenie prądu w silniku (wzór 3.5 ) wynosi:

Liczbę obrotów (prędkość kątową ) silnika prądu stałego można regulować przez obniżenie napięcia twornika, przez zmianę rezystancji twornika lub zmianę strumienia .

Kierunek obrotów silnika zależy od zwrotu prądu w tworniku i zwrotu głównego pola magnetycznego silnika.

Zmiana kierunku obrotów silnika prądu stałego może być wykonana przez zmianę zwrotu prądu, bądź w uzwojeniu elektromagnesów ,bądź w uzwojeniu twornika. Kierunek obrotów silnika pozostaje bez zmiany , jeżeli zmieni się zwrot prądu zarówno w tworniku , jak iw uzwojeniu magnesującym.

4. Silnik szeregowy

Na biegunach głównych silnika można osadzić cewki wzbudzające wykonane z grubego drutu miedzianego i połączy się je szeregowo z uzwojeniem twornika, podobnie jak uzwojenie komutacyjne, otrzyma się tzw. silnik szeregowy. Schemat połączeń tego silnika przedstawiono na rysunku (4.1). Na rysunku tym A i B oznaczają zaciski twornika , G i H- bieguny komutacyjne, R opornik rozruchowy, E i F- zaciski szeregowe uzwojenia wzbudzającego.

Na schemacie przedstawionym na rysunku (4.25) widzimy, że prąd twornika przepływający przez uzwojenie elektromagnesów jest jednocześnie prądem magnesującym. Przy wszelkich zmianach obciążenia prowadzących zawsze do zmiany prądu twornika, następuje zmiana prądu magnesującego powodująca zmianę strumienia magnesującego.

W silniku szeregowym strumień magnetyczny jest zależny od wartości prądu twornika. Wobec tego aby wywołać, przepływ przez twornik odpowiedniego prądu potrzebnego do wytworzenia momentu obrotowego prędkość obrotowa musi zmaleć bardziej niż w przypadku silnika bocznikowego gdyż na wartość SEM, wywiera wpływ nie tylko zmniejszająca się prędkość obrotowa, ale jednocześnie rosnący strumień magnetyczny.

Dla silnika szeregowego można wykonać kilka charakterystyk, do których należą:

• charakterystyka zewnętrzna ω_m=f(M_m) przy U= const.

• Charakterystyka mocy pobieranej P₁=f(M_m) przy U= const.

Równania charakterystyki można łatwo wyprowadzić. Przyjmują one następującą postać:

(4.1)(4.2)(4.3)

po przekształceniach

(4.4)(4.5)

przebieg tych charakterystyk przedstawiono na rysunku(4.3)

Zależność ω_m=f(M_m)jest typu hiperbolicznego, przy zmniejszaniu się momentu do zera prędkość silnika dąży do nieskończoności. Naturalną cechą silnika szeregowego jest rozbieganie się przy zmniejszeniu momentu obciążenia. Silnik szeregowy nie może zatem pracować nie obciążony- co jest jego wadą - w napędach trakcyjnych nigdy taki przypadek nie występuje.

Charakterystyka mocy pobieranej z sieci P₁=f(M_m) ma w silniku szeregowym bardzo korzystny przebieg, gdyż duże zmiany momentu obciążenia w znacznie mniejszym stopniu wpływają na pobór mocy P₁. Na przykład zmiana momentu obciążenia M_n<M_m<4M_n powoduje zmiany w poborze mocy P_1n<P₁<2P_1n. Przeciążenie silnika szeregowego zmniejsza znacznie prędkość kątową, a w mniejszym stopniu wpływa na zwiększony pobór mocy z sieci zasilającej. Ta właściwość decyduje o powszechnym zastosowaniu tego rodzaju silników w napędach trakcyjnych.

Aby zapobiec, jak to już wyżej wspomniano, rozbieganiu się silnika szeregowego, należy łączyć silniki z napędzanymi przez nie urządzeniami w miarę trwały sposób za pomocą sprzęgieł nierozłącznych lub przekładni zębatych, a nie za pomocą przekładni pasowych. Spadnięcie lub zerwanie pasa może spowodować uszkodzenie bądź zniszczenie maszyny i stwarza niebezpieczeństwo dla obsługi. Na tabliczce znamionowej silnika szeregowego powinna być podana największa dopuszczalna prędkość obrotowa n_max nie powodująca trwałego uszkodzenia silnika.

Włączenie oporności regulowanej R_r w szereg z obwodem twornika powoduje zmianę położenia charakterystyki mechanicznej rys. 4.4 a) , b)

Przy pracy silnikowej zarówno maszyny szeregowej jak i bocznikowej zmiana oporności regulacyjnej w obwodzie twornika nie powoduje zmiany prądu twornika, jak długo oczywiście silnik pracuje przy nie zmienionym momencie obciążenia w stanie ustalonym. Moment elektromagnetyczny nie ulega wtedy zmianie, a zatem i prąd obciążenia jest stały co do wartości. Zmiana oporności obwodu twornika powoduje natomiast zmianę prędkości obrotowej. Jeżeli zmiana prędkości obrotowej powoduje zmianę momentu obciążenia, podyktowaną przez własności maszyny napędzanej, to oczywiście pociąga za sobą efekt wtórny w postaci zmiany momentu elektromagnetycznego i odpowiadającą jej zmianę prądu.

Prędkość silnika szeregowego, można regulować podobnie jak w silnikach bocznikowych.

Przez zmniejszenie napięcia doprowadzonego do zacisków twornika będziemy mogli zmniejszać prędkość obrotową silnika, a przez zmniejszenie prądu płynącego przez szeregowe uzwojenie wzbudzające będziemy mogli zwiększać prędkość obrotową. Regulacji prędkości obrotowej przez zmianę napięcia na tworniku dokonuje się najczęściej przy jednostkach służących do napędu wozów tramwajowych lub lokomotyw
elektrycznych.

Charakterystykę M=f(I) silnika szeregowego przedstawiono na rysunku (4.6). W zakresie małych obciążeń, to jest w obszarze prostoliniowej części charakterystyki magnesowania, jest ona w przybliżeniu funkcją M≈cI²_, ponieważ zależność między strumieniem i prądem jest liniowa (Φ = c I). W obszarze większych nasyceń, a więc przy obciążeniu prawie znamionowym, charakterystyka staje się prawie prostoliniowa z uwagi na bardzo małe zmiany strumienia, odpowiadające zmianom prądu. Dlatego też w tym obszarze możemy przyjąć , że M≈ cI. Położenie tej charakterystyki nie zależy od oporności włączonej w szereg z obwodem twornika.

Zaletą silnika szeregowego jest duża wartość rozwijanego momentu, szczególnie przydatna w warunkach rozruchu silnika , natomiast wadą - duża zmienność prędkości kątowej oraz możliwość rozbiegania się silników większych mocy przy niewielkich obciążeniach. Silniki szeregowe aby uniemożliwić ich rozbieganie się, mogą być stosowane w układach trwale sprzężonych z urządzeniem napędzanym.

WYKAZ LITERATURY

1. Z. Steiner : „ Maszyny i urządzenia elektryczne ”

2. W. Moroz : „ Maszyny elektryczne ”

3. T. Glinka : „ Maszyny i urządzenia elektryczne ”

4. T. Tajer : „Urządzenia i maszyny elektryczne ”

5. S. Osowski : „ Modelowanie układów dynamicznych ”

6. W. Latek : „ Teoria maszyn elektrycznych ”

SPIS TREŚCI

SILNIK SZEREGOWY PRĄDU STAŁEGO

1. Wiadomości ogólne.

2. Obwód magnetyczny.

3. Zasada działania.

4. Silnik szeregowy.

5. Wyprowadzenie równań różniczkowych.

6. Schemat silnika w simulinku.

7. 
   Charakterystyki.

12

N

S

1

3

2

1

Rysunek 2.1, Obwód magnetyczny maszyny prądu stałego

1-rzdzeń elektromagnesu,

2 - uzwojenie elektromagnesu

3 - wirnik

Rysunek 3.1, Schemat połączeń prądnicy szeregowej

1. układ połączeń

2. charakterystyka zewnętrzna

b)

a)

I

ω_m=const

U

I_Z

0

E_szcz

I_n

U_n

-

+

C2

C1

A2

A1

D2

D1

I_w

I

E

A

M

R

A

F

E

H

G

B

0

n

M

Rysunek 4.2 Charakterystyka obrotów silnika szeregowego

Rysunek 4.1 Schemat połączeń silnika szeregowego

1

1

2

1

Rysunek 4.3 charakterystyki silnika szerwgowego

1. mechaniczna

2. mocy pobieranej

dla R_r=0

B

G

H

E

F

A

Rr

M

A

dla R_r=R1

I

n

0

dla R_r=R₂ >R₁

dla R_r=R₃ >R₂

I

I

I

Rysunek 4.4 Wpływ zmiany oporności R_r w obwodzie twornika silnika szeregowego a)

na przebieg charakterystyki mechanicznej b)

B

G

H

E

F

A

Rr

M

A

a)

dla R_b2 <R_b1

dla R_b1

dla R_b=∞

I

n

0

b)

I

I

I

Rysunek 4.5 Wpływ bocznikowania obwodu wzbudzenia silnika szeregowego

a) schemat połączeń , b) charakterystyki mechaniczne;

M

I

M≈ cI

M≈cI²

M=f(I)

0

Rysunek 4.6 charakterystyka momentu silnika szeregowego

Rb

19

20

---