6.  Maszyny prądu stałego

6.1 Budowa, właściwości i zastosowanie

      Maszyny prądu stałego odznaczają się najbardziej zróżnicowanymi właściwościami użytkowymi i regulacyjnymi. Mają zastosowanie zarówno jako silniki, jak i prądnice, a także w charakterze hamulców. Silniki przetwarzają dostarczoną energię elektryczną na energie mechaniczną, prądnice natomiast zamieniają energię mechaniczną maszyny napędzanej na energię elektryczną. Zjawisko przeciwdziałania momentu elektromagnetycznego momentowi maszyny napędzanej, jakie występuje w prądnicy, można wykorzystać do elektrycznego hamowania.

      Umożliwiają płynną regulację prędkości obrotowej napędów w szerokich granicach oraz rozruch pod dużym obciążeniem. Z tych względów są powszechnie stosowane w przemyśle ciężkim, górnictwie, w napędach maszyn wyciągowych i maszyn walcowniczych. Maszyny trakcyjne mają zwykle od kilku do kilkunastu kW. Najmniejsze maszyny mają zastosowanie jako elementy układów sterowania i automatyki.

      Prędkości maszyn są bardzo różne: silniki największych mocy są na ogół wolnoobrotowe, z kolei w mikromaszynach występują prędkości do kilkunastu tysięcy obr./min.

Maszyna prądu stałego zbudowana jest z następujących głównych elementów (rys. 11):

a) stojana składającego się:

    - z jarzma z nabiegunnikami,

    - z biegunów głównych z uzwojeniami wzbudzającymi,

    - biegunów komutacyjnych z uzwojeniami komutacyjnymi,

    - uzwojeń kompensacyjnych,

    - trzymadła szczotkowego oraz

    - tarcz łożyskowych,

b) wirnika (najczęściej jest twornikiem), w którego skład wchodzą:

    - rdzeń wykonany z pakietu blach ( ze względu na prądy wirowe),

    - uzwojenia wirnika, umieszczone w żłobkach rdzenia na jego obwodzie oraz

    - komutator z układem szczotek, osadzony na wale wirnika, składający się z odizolowanych od

      siebie wycinków wykonanych z miedzi.

Rys. 11 Maszyna komutatorowa prądu stałego

Oznaczenia: 1 - jarzmo stojana, 2 - biegun główny, 3 - nabiegunniki, 4 - uzwojenie wzbudzenia,

5 - biegun komutacyjny, 6 - uzwojenie biegunów komutacyjnych, 7 - uzwojenie kompensacyjne,

8 - twornik, 9 - uzwojenie twornika, 10 - komutator, 11 - szczotki

      Maszyna prądu stałego, w której pole magnetyczne jest wytwarzane przez elektromagnes, może być maszyną:

   - obcowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego źródła (innego niż

     uzwojenie twornika), lub

  - samowzbudną, w której uzwojenie wzbudzające jest zasilane z tego samego źródła co uzwojenie

    twornika  (prądnice).

6.2 Właściwości maszyn prądu stałego

      Jeżeli w uzwojeniu twornika znajduje się N prętów i określona liczba gałęzi równoległych, to siła elektromotoryczna wzbudzana w tworniku wynosi:

Elektromagnetyczny moment obrotowy można wyrazić zależnością: N ∙ m

Oznaczenia:

Φ - strumień magnetyczny jednego bieguna,

N - liczba prętów uzwojenia twornika,

a - liczba gałęzi równoległych uzwojenia twornika.

p - liczba par biegunów,

n - prędkość obrotowa,

I_a-  prąd twornika

6.3 Rodzaje maszyn prądu stałego, zastosowanie

Ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzającego i uzwojenia twornika, rozróżnia się maszyny:

— obcowzbudne - do napędu maszyn i urządzeń o dużym zakresie nastawiania prędkości obrotowej,

— silniki bocznikowe - do napędu maszyn i urządzeń o małym zakresie nastawiania prędkości

    obrotowej,

— silniki szeregowe - do napędu pojazdów , dźwignic oraz urządzeń wymagających dużego momentu

    rozruchowego przy rozruchu,

— silniki bocznikowo-szeregowe - napęd urządzeń o dużym momencie bezwładności i dużych

    obciążeniach udarowych, wymagających dużego momentu obrotowego przy rozruchu oraz dużego

    zakresu nastawiania prędkości obrotowej.

      W większych maszynach prądu stałego znajdują sie również tzw. uzwojenia pomocnic ze połączone szeregowo  z uzwojeniem twornika, służące do poprawy warunków pracy maszyny. Są to:

  - uzwojenia komutacyjne,

  - uzwojenia kompensacyjne.

6.4 Oznaczenia zacisków i końcówek uzwojeń (początek - koniec):

wg. PN--EN 60034-8:2005

1) uzwojenie twornika - A1 - A2,

2) uzwojenie biegunów komutacyjnych - B1 - B2,

3) uzwojenie kompensacyjne - C1 - C2,

4) uzwojenie wzbudzające szeregowe - D1 - D2,

5) uzwojenie wzbudzające bocznikowe - E1 - E2,

6) uzwojenie obcowzbudne - F1 - F2,

7) uzwojenie pomocnicze w osi podłużnej - H1 - H2,

8) uzwojenie pomocnicze w osi poprzecznej - I1 -I2.

6.5 Silniki prądu stałego

6.5.1 Rodzaje silników i ich właściwości

      Silniki prądu stałego charakteryzują się dobrymi właściwościami ruchowymi np. dużym zakresem prędkości obrotowej i dużym momentem obrotowym przy rozruchu. Ich własności użytkowe zależą od liczby i sposobu połączenia uzwojeń wzbudzających. Na rys. 12 pokazano uproszczone schematy połączeń uzwojeń silników prądu stałego.

      Sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia względem twornika decyduje o właściwościach maszyny prądu stałego.

Rys. 12 Rodzaje połączeń silników prądu stałego:

a) obcowzbudnego, b) bocznikowego, c) szeregowego, d) bocznikowo-szeregowego.

      Uzwojenie biegunów komutacyjnych (pomocniczych) połączone jest szeregowo na stałe z twornikiem, a punkt połączenia nie jest wyprowadzony na zewnątrz silnika. Po połączeniu silnika do zasilania poprzez szczotki i uzwojenie wirnika płynie prąd. Uzwojenie to znajduje się w polu magnetycznym uzwojenia stojana, które oddziałując siłą elektrodynamiczną na pręty uzwojenia twornika powoduje wprowadzenie wirnika w ruch obrotowy. Zastosowanie przekształtników umożliwia zasilanie i regulację silników prądu stałego z sieci prądu przemiennego, co zwiększa ich konkurencyjność dla urządzeń napędowych z silnikami prądu przemiennego.

6.5.2 Rozruch silników prądu stałego

      W chwili rozruchu prędkość silnika ω = 0, a więc siła elektromotoryczna E = 0. Prąd twornika włączonego bezpośrednio na napięcie znamionowe jest wielokrotnie większy od znamionowego, co doprowadziłoby do zniszczenia silnika. Prąd rozruchowy można ograniczyć przez zmniejszenie napięcia zasilającego, lub włączenie , na czas rozruchu, rezystora R_r, zwanego rozrusznikiem.

Sposoby rozruchu silnika

   a) Rozruch za pomocą bezpośredniego włączenia do sieci - może być stosowany tylko do silników

       małych, o mocy znamionowej nie większej niż 1 kW.

   b) Rozruch za pomocą rozrusznika oporowego włączonego szeregowo w obwodzie twornika -  może

       być prowadzony przy wymaganym momencie oraz prądzie rozruchowym.    

   c) Rozruch silnika obcowzbudnego za pomocą regulowanego napięcia twornika jest powszechnie

       stosowany dzięki rozwojowi sterowanych układów półprzewodnikowych.

   d) Rozruch silnika szeregowego następuje także za pomocą rozrusznika oporowego lub za pomocą

       regulowanego napięcia zasilania.

      Elektromagnetyczny moment obrotowy przy rozruchu, zależny od wymagań napędowych i rezystancji rozrusznika; typowy silnik jest przystosowany przez wytwórcę do momentu rozruchowego nie mniejszego niż ,:

   a) silnik obcowzbudny                - 1,8 M_N

   b) silnik bocznikowy                   - 1,8 M_N

   c) silnik bocznikowo-szeregowy   - 2,0 M_N  

   d) silnik szeregowy                     - 2,5 M_N

Prąd twornika:

Prąd rozruchu silnika:

Całkowitą rezystancję rozrusznika oblicza się ze wzoru: 

gdzie:

 I_roz - dopuszczalny prąd twornika przy wymaganym rodzaju rozruchu,

  U_N - napięcie znamionowe,

∑R_a - suma rezystancji silnika w obwodzie twornika.

6.5.3 Regulacja prędkości obrotowej - za pomocą napięcia w obwodzie twornika, prądu w uzwojeniach wzbudzających strumień główny, rezystancji w obwodzie twornika (dla silników małej mocy). Prędkość obrotowa silnika prądu stałego z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika R_r  jest wyrażona wzorem:

Wynika stąd, że prędkość obrotową silnika prądu stałego można regulować przez zmianę:

- napięcie zasilania twornika U,

- rezystancji w obwodzie twornika R_r oraz

- strumienia Φ.

Rys. 13 Nastawianie prędkości obrotowej silnika prądu stałego

Oznaczenia: M - moment obrotowy, P - moc, U_a - napięcie twornika,

I_a - prąd twornika, Φ - strumień magnetyczny główny

      Sposób regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego dobiera się w należności od wymagań układu napędowego. Z tego względu rozróżnia się trzy rodzaje nastawiania lub regulacji prędkości obrotowej:

I.  gdy regulacja następuje od obrotów minimalnych   n_min do n_N, za pomocą napięcia lub rezystancji

    w obwodzie twornika przy stałym elektromagnetycznym momencie obrotowym,

II. gdy regulacja następuje od obrotów znamionowych n_N do n_I  za pomocą zmniejszania strumienia

   magnetycznego przy stałej mocy znamionowej. Prędkość obrotowa n_I> n_N,

III. gdy regulacja następuje od prędkości obrotowej  n_I  do  n max za pomocą zmniejszania strumienia

    Φ przy jednoczesnym zmniejszaniu prądu twornika. W celu osiągnięcia większej prędkości

    obrotowej od znamionowej przy napięciu U_N i rezystancji zewnętrznej w obwodzie twornika R_r = 0

    należy strumień magnetyczny zmniejszyć według wzoru:

Zmniejszenie strumienia magnetycznego uzyskuje się:

- w silniku obcowzbudnym - przez obniżenie napięcia wzbudzenia.

- w silniku bocznikowym oraz bocznikowo-szeregowym - za pomocą nastawnika oporowego

  włączonego

  szeregowo z uzwojeniem wzbudzającym bocznikowym.

- silnikach szeregowych - za pomocą nastawnika oporowego włączonego równolegle z uzwojeniem

  wzbudzającym

6.5.4 Hamowanie silnika

      Hamowanie elektryczne urządzenia napędzanego za pomocą maszyny prądu stałego  występuje przy jej pracy prądnicowej. Wytwarzana wówczas energia może być zwracana do sieci (hamowanie odzyskowe) lub wytracana w zamkniętym obwodzie twornika (hamowanie dynamiczne). Hamowanie dynamiczne stosuje się zarówno w silnikach obcowzbudnych,  bocznikowych jak i szeregowych.

      Hamowanie elektryczne silnika może wystąpić również na skutek zmiany kierunku elektromagnetycznego momentu obrotoweg (np. przez zmianę zwrotu prądu w uzwojeniu twornika). Jest to tzw. hamowanie przy przeciwwłączeniu,  Polega ono na nagłej zmianie biegunowości napięcia na zaciskach twornika i jednoczesnym włączeniu opornika w szereg z twornikiem. Ten rodzaj hamowania stosuje się do wszystkich rodzajów silników prądu stałego.

6.5.5  Zmiana kierunku wirowania - stosuje się przez zmianę kierunku prądu w uzwojeniu twornika (lub w uzwojeniach wzbudzających główne pole magnetyczne).

6.5.6 Prądy w uzwojeniach silników prądu stałego:

    a) silnik obcowzbudny

      - prąd w obwodzie twornika  I_a= I 

      - prąd w obwodzie wzbudzającym I_f = U_f / R_f

    b) silnik bocznikowy

      - prąd w obwodzie twornika  I_a=  I - I_f

      - prąd w obwodzie wzbudzającym  I_f = U_f / R_f

    c) silnik bocznikowo-szeregowy

      - prąd w obwodzie twornika   I_a= I  lub I_a= I  - I_f

      - prąd w obwodzie wzbudzającym I_f = U_f / R_f  lub  I_f = U_f / R_f

    d) silnik szeregowy

      - prąd w obwodzie twornika I_a= I_f = I