Silniki prądu stałego

Maszyny prądu stałego

Silniki – zamiana energii elektrycznej na mechaniczną

Prądnice – zamiana energii mechanicznej na elektryczną

Często dane urządzenie może pracować zamiennie.

Zenobie Gramme – przypadkowo wynalazł silnik prądu stałego

Zasadniczo maszyny prądu stałego wykorzystują mechaniczny

komutator. Rosnącą popularnością cieszą się maszyny o komutacji

elektronicznej.

Budowa silników prądu stałego • stojan z magnesem trwałym (dwa magnesy zwrócone do siebie

biegunami różnoimiennymi – stałe pole między nimi);

• wirnik z uzwojeniem twornika – prostokątna ramka z drutu

zawieszona na osi (w rzeczywistym silniku – wiele zwojnic);

• szczotki – doprowadzające prąd do uzwojenia twornika;

• komutator – pierścień ze stykami – wyprowadzenia z ramki

(uzwojenia twornika);

• wyjścia do zasilania.

Budowa silników prądu stałego

Jeżeli indukcja magnetyczna stojana nie zależy od obrotów

wirnika, to:

• moment obrotowy silnika jest największy, gdy silnik nie

obraca się i maleje wraz ze wzrostem obrotów,

• obroty silnika zależą od momentu obciążającego silnik, ale

przy małej rezystancji wirnika zależność ta jest niewielka i

silnik ma prawie stałe obroty w zakresie – od biegu luzem do

obciążenia znamionowego,

• obroty silnika nieobciążonego zależą od wielkości indukcji

magnetycznej B (im większa indukcja, tym mniejsze obroty

biegu jałowego)

Silnik obcowzbudny Opisany poprzednio silnik z

magnesami trwałymi w stojanie

lub z elektromagnesem, którego

uzwojenie zasilane jest z

oddzielnego źródła zasilania

(obce, tzn. zewnętrzne

wzbudzenie strumienia

magnetycznego).

Indukcja magnetyczna niezależna od obrotów wirnika.

Szybko reagują na zmianę napięcia zasilania.

Silnik obcowzbudny

Charakterystyki mechaniczne

nbj – prędkość obrotowa biegu jałowego

Silnik samowzbudny szeregowy

Uzwojenie stojana połączone

szeregowo z uzwojeniem

wirnika.

Prąd obu uzwojeń wzrasta wraz

ze wzrostem obciążenia.

Zmniejszanie obciążenia zwiększa prędkość obrotową (zagrożenie

tzw. rozbiegnięciem) – nie wolno włączać bez obciążenia!

Silnik uniwersalny – może być zasilany napięciem przemiennym.

Charakteryzuje się bardzo dużym momentem rozruchowym, co

zdecydowało o użyciu silnika w trakcji miejskiej i kolejowej oraz

w urządzeniach dźwigowych.

Silnik samowzbudny równoległy

(bocznikowy)

Uzwojenie stojana połączone

równolegle z uzwojeniem

wirnika.

Prąd uzwojenia stojana

niezależny od prądu wirnika

(stała indukcja stojana).

Prędkość obrotowa słabo zależna od obciążenia.

Możliwość precyzyjnego kontrolowania prędkości.

Użyteczny w aplikacjach wymagających płynnej, o dużym

zakresie regulacji prędkości obrotowej przy zachowaniu

sztywności charakterystyki mechanicznej .

Silnik szeregowo-równoległy

(szeregowo-bocznikowy)

Uzwojenie stojana podzielone na

część równoległą i szeregową z

uzwojeniem wirnika.

Brak zjawiska rozbiegania się.

Może mieć duży moment rozruchowy i stałą prędkość.

Typowo przy rozruchu pracuje jako bocznikowo-szeregowy

(moment), a po uruchomieniu zwiera się uzwojenie szeregowe i

silnik pracuje jako bocznikowy (precyzyjna kontrola prędkości).

Stosuje się do napędu walców, wind w ciężkich warunkach pracy.

Sterowanie silnikiem

Prędkość silnika prądu stałego reguluje się przez zmianę

napięcia przyłożonego do uzwojeń.

• zestaw przełączanych rezystorów

• przełączanie silników (lokomotywy)

• sterowanie modulacyjne

• PWM

• PFM

Sterowanie oporowe

Tramwaj Konstal 105Na/805Na – rozrusznik

Przełączanie silników

Lokomotywa Et22

Każda konfiguracja jest

dodatkowo wyposażona w

zestaw oporników

rozruchowych.

Sterowanie stycznikami

przez wał grupowy

(w jednostkach trakcyjnych

wał kułakowy)

Bocznikowanie uzwojeń

wzbudzenia

Osłabianie strumienia magnetycznego

– regulacja w górę – od nN do 3nN

– w silniku szeregowym – rezystancja równolegle z obwodem

wzbudzenia lub odłączanie zwojów (rys.)

– w silniku bocznikowym – szeregowo z obwodem wzbudzenia

Obwód główny elektrowozu

(przykład)

Sterowanie impulsowe

Low-side High-side

Diody – ochrona przed zniszczeniem wyłączonego tranzystora

(„rozładowanie” uzwojenia)

Sterowanie kierunkiem obrotów

Możliwość hamowania silnikiem.

Dedykowany układ scalony

tpic108 – nowoczesny układ drivera PWM

Silniki bezszczotkowe

BLDC – BrushLess DC

Komutacja mechaniczna zastąpiona elektroniczną.

Silniki bezszczotkowe

Silniki bezszczotkowe – sterowanie

Napięcia i prądy poszczególnych faz silnika

Silniki bezszczotkowe

Sterowanie prądem – momentem napędowym silnika

BLDC – sterowanie bezczujnikowe