Zjawiska zachodzące przy wirowaniu wirnika:

1. Indukcja SEM w przewodach twornika

E=Blv ;gdzie v - prędkość z jaką przewód przecina w kierunku prostopadłym linie pola magnetycznego

2. przy przepływie prądu przez przewody twornika działa na nie siła mechaniczna
   F=BIl

Siły mechaniczne działające na przewody powodują powstawanie momentu elektrostatycznego. Przy pracy prądnicowej moment skierowany jest przeciwnie do kierunku wirowania; przy pracy silnikowej moment skierowany jest zgodnie z kierunkiem wirowania i jest momentem napędowym.

Moment elektrostatyczny powstały w wirniku

M_e = CΦ_faI_t C - stała materiałowa; Φ_fa - strumień wzbudzający; I_t - prąd twornika

SEM na szczotkach

E = CΦ_faω lub E = Cφ_fan

Moment obrotowy dla jednego zwoju

m_c = ldB_xI_t = Ψ_xI_t l - czynna długość boku uzwojenia, d - średnica wirnika, Ψ_x - strumień skojarzony

Napięcie na zaciskach prądnicy

U = E - R_atI_t

Prąd i napięcie na zaciskach silnika

U = E + R_atI_t I_t = (U - E)/R_at

Prędkość obrotowa (kątowa) silnika

n = (U - R_atI_t)/C_EΦ_fa

ω = (U - R_atI_t)/C_EΦ_fa

Moc mechaniczna na wale wirnika

P_s = M_sω

Straty energii

• jałowe (niezależne od obciążeń)

• ΔP_m - mechaniczne wynikające z tarcia w łożyskach i szczotek o komutator

• ΔP_Fe - od histerezy i prądów wirowych

• ΔP_f - w rezystancji bocznikowego uzwojenia wzbudzenia

• obciążeniowe (tylko przy obciążeniu maszyny)

• ΔP_at = R_atI_t² - straty w rezystancji obwodu twornika

Sprawność maszyny

η = (P₁ - ΔP)/P₁ η = P₂/(P₂ + ΔP) P₁ - moc pobierana przez maszynę

P₂ - moc oddawana przez maszynę

Samowzbudzenie

Jeżeli istnieje magnetyzm szczątkowy, to pod wpływem niewielkiego strumienia remanencji Φ_r w obracającym się ze stałą prędkością obrotową w uzwojeniu twornika indukuje się niewielka sem E_r zwana napięciem remanencji: E_r = CΦ_rnΦ_r

Wartość sem E_r można określić z przecięcia się dwu charakterystyk: charakterystyki E = f(I_f) i charakterystyki napięciowo-prądowej obwodu wzbudzenia E = f(R_f + R), gdzie R_f - rezystancja uzwojenia; R - rezystancja rezystora regulacyjnego w obwodzie wzbudzenia

Warunki samowzbudzenia:

• istnieje magnetyzm szczątkowy

• zwrot prądu wzbudzenia jest taki aby strumień wywołany przez ten prąd wzmacniał strumień remanencji

• napięcie remanencji powinno stanowić około 2-3% sam biegu jałowego

• rezystancja obwodu: uzwojenie wzbudzenia - uzwojenie twornika powinna być niewielka

Charakterystyka biegu jałowego

zależność sem E na zaciskach prądnicy od prądu wzbudzenia I_f przy stałych obrotach oraz prądzie wzbudzenia I_t = 0 (krzywa magnesowania dla prądnicy przy stałych obrotach n)

Charakterystyki zewnętrzne prądnicy samowzbudnej i obcowzbudnej

przedstawiają napięcie na zaciskach prądnicy w funkcji obciążenia U = f(I_t) przy stałej prędkości obrotowej wirnika n

Prąd magnesujący: I_f = U/(R_f + R)

Charakterystyka regulacyjna

zależność prądu wzbudzenia I_f od prądu obciążenia I_t przy stałej prędkości obrotowej wirnika n i stałym napięciu U na zaciskach prądnicy

Silnik prądu stałego

rozróżnia się silniki samowzbudne i obcowzbudne (bocznikowe, szeregowe, bocznikowo- szeregowe)

moment silnika: M = CΦI_t

napięcie silnika: U = E + R_tI_t

prędkość obrotowa silnika: n = E/CΦ = (U - R_tI_t)/ CΦ

Silnik bocznikowy prądu stałego

Rozruch:

najprostszym sposobem uruchomienia silnika bocznikowego jest przyłączenie go bezpośrednio do sieci bez jakichkolwiek rezystorów rozruchowych (I_tmax=U/R_t=(10 ÷ 20)I_m), ale duża wartość początkowa prądu rozruchu może być niebezpieczna dla maszyny, dlatego stosuje się taki rozruch tylko dla maszyn o bardzo małych mocach. Dla większych mocy stosuje się rezystor rozruchowy którego rezystancja zmniejsza się stopniowo do zera w miarę wzrostu prędkości obrotowej.

Regulacja prędkości:

n = (U - R_tI_t)/CΦ = (U - (M/CΦ)R_t)/CΦ

1. przez zmianę napięcia doprowadzonego do silnika

1. przez zmianę spadku napięć w obwodzie twornika (regulacja rezystancji rezystora R_tr włączonego w obwód twornika szeregowo)

2. przez zmianę strumienia wzbudzenia (regulacja rezystancji rezystora R_f włączonego w obwód wzbudzenia)

Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego przy regulacji prędkości wirnika

Charakterystyki robocze silnika

Charakterystyka regulacyjna

---