Silniki prądu stałego

Silniki elektryczne prądu stałego stosowane są w tych napędach elektrycznych, gdzie wymagany jest duży zakres regulacji prędkości, duża dokładność utrzymania prędkości obrotowej napędu oraz regulacja prędkości powyżej prędkości znamionowej.

Jak działają silniki prądu stałego?

Działanie silnika elektrycznego prądu stałego opiera się na zjawisko indukcji elektromagnetycznej… Z podstaw elektrotechniki wiadomo, że umieszcza się przewodnik z prądem pole magnetyczne, siła określona przez lewą regułę działa:

F = BIL,

gdzie I to prąd płynący przez drut, V to indukcja pola magnetycznego; L to długość drutu.

Kiedy drut przecina linie pola magnetycznego maszyny do wewnątrz, jest indukowany siła elektromotoryczna, który w stosunku do prądu w przewodniku jest skierowany przeciwko niemu, dlatego nazywa się go przeciwny lub przeciwny (contra-d. d. s). Energia elektryczna w silniku jest przekształcana w moc mechaniczną i jest częściowo zużywana na ogrzewanie drutu.

Strukturalnie wszystkie silniki elektryczne prądu stałego składają się z cewki indukcyjnej i twornika oddzielonych szczeliną powietrzną.

Cewka silnika elektrycznego prądu stałego służy do wytworzenia stacjonarnego pola magnetycznego maszyny i składa się z ramy, biegunów głównych i dodatkowych. Rama służy do mocowania biegunów głównych i pomocniczych oraz jest elementem obwodu magnetycznego maszyny. Na biegunach głównych znajdują się cewki wzbudzające przeznaczone do wytworzenia pola magnetycznego maszyny, na biegunach dodatkowych - specjalna cewka poprawiająca warunki komutacji.

Silnik elektryczny kotwicy prądu stałego składa się z układu magnetycznego zmontowanego z pojedynczych arkuszy, cewki roboczej umieszczonej w rowkach oraz kolektor służy do doprowadzenia stałego prądu cewki roboczej.

Kolektor to cylinder nabity na wał silnika i wybierany od znajomego przez znajomego na miedzianych płytkach. Kolektor ma występy napinające, do których końce sekcji są przylutowane tworniki cewki. Pobór prądu z kolektora odbywa się za pomocą szczotek, które zapewniają kontakt ślizgowy z kolektorem. Szczotki zamocowane w uchwytach szczotek, które utrzymują je w określonej pozycji i zapewniają niezbędny docisk szczotek do powierzchni kolektora. Szczotki i uchwyty szczotkowe są zamocowane na trawersie, połączonej z silnikiem elektrycznym korpusu.

Komutacja w silnikach elektrycznych prądu stałego

Podczas pracy silnika elektrycznego szczotki prądu stałego ślizgające się po powierzchni obracającego się kolektora przechodzą kolejno z jednej płyty kolektora na drugą. W takim przypadku równoległe sekcje uzwojenia twornika są przełączane i zmienia się w nich prąd. Zmiana prądu następuje, gdy zwój cewki jest zwarty przez szczotkę. Ten proces przełączania i związane z nim zjawiska nazywane są komutacją.

W momencie przełączenia indukuje się e w zwartej części cewki pod wpływem własnego pola magnetycznego. itp. v. samoindukcja. Wynikowy e. itp. c. powoduje dodatkowy prąd w zwarciu, co powoduje nierównomierny rozkład gęstości prądu na powierzchni styku szczotek. Ta okoliczność jest uważana za główną przyczynę wyładowań łukowych kolektora pod szczotką. Jakość komutacji ocenia się na podstawie stopnia iskrzenia poniżej krawędzi spływu szczotki i określa się na podstawie skali stopnia iskrzenia.

Metody wzbudzania silników elektrycznych prądu stałego

Wzbudzany przez maszyny elektryczne, rozumiem powstawanie w nich pola magnetycznego, niezbędnego do działania silnik elektryczny... Obwody wzbudzenia silniki elektryczne prąd stały pokazany na rysunku.

Obwody wzbudzenia silników prądu stałego: a — niezależny, b — równoległy, c — szeregowy, d — mieszany

Zgodnie z metodą wzbudzenia silniki elektryczne prądu stałego dzielą się na cztery grupy:

1. Niezależnie wzbudzony, gdzie cewka wzbudzenia NOV jest zasilana z zewnętrznego źródła prądu stałego.

2. Z równoległym wzbudzeniem (bocznikiem), w którym uzwojenie wzbudzenia SHOV jest połączone równolegle ze źródłem zasilania uzwojenia twornika.

3. Ze wzbudzeniem szeregowym (szeregowym), gdzie uzwojenie wzbudzenia IDS jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika.

4. Silniki o mieszanym wzbudzeniu (połączone), które mają szeregowe IDS i równoległe SHOV uzwojenia wzbudzenia.

Rodzaje silników prądu stałego

Silniki prądu stałego różnią się przede wszystkim charakterem wzbudzenia. Silniki mogą być o wzbudzeniu niezależnym, szeregowym i mieszanym.Równolegle podniecenie można pominąć. Nawet jeśli uzwojenie wzbudzenia jest podłączone do tej samej sieci, z której zasilany jest obwód twornika, to również w tym przypadku prąd wzbudzenia nie zależy od prądu twornika, ponieważ sieć zasilającą można uznać za sieć o nieskończonej mocy, a napięcie jest stałe.

Uzwojenie wzbudzenia jest zawsze podłączone bezpośrednio do sieci, dlatego wprowadzenie dodatkowej rezystancji w obwód twornika nie ma wpływu na tryb wzbudzenia. Specyfika tego, że istnieje z równoległym wzbudzeniem w generatorach, to nie może być tutaj.

Silniki prądu stałego małej mocy często wykorzystują wzbudzenie z magnesów trwałych. Jednocześnie obwód włączania silnika jest znacznie uproszczony, zmniejsza się zużycie miedzi. Należy jednak zauważyć, że pomimo wyłączenia uzwojenia wzbudzenia, wymiary i masa układu magnetycznego nie są mniejsze niż przy elektromagnetycznym wzbudzeniu maszyny.

O właściwościach silników w dużej mierze decyduje ich układ. podniecenie.

Im większy rozmiar silnika, tym większy naturalny moment obrotowy i odpowiednio moc. Dlatego przy większej prędkości obrotowej i tych samych wymiarach można uzyskać większą moc silnika. W związku z tym z reguły projektuje się silniki prądu stałego, zwłaszcza o małej mocy przy dużej prędkości — 1000-6000 obr./min.

Należy jednak pamiętać, że prędkość obrotowa korpusów roboczych maszyn produkcyjnych jest znacznie mniejsza. Dlatego między silnikiem a pracującą maszyną należy zainstalować skrzynię biegów.Im wyższa prędkość obrotowa silnika, tym bardziej złożona i kosztowna staje się skrzynia biegów. W instalacjach dużej mocy, gdzie skrzynia biegów jest kosztowną jednostką, silniki projektuje się na znacznie niższe obroty.

Należy również pamiętać, że mechaniczna skrzynia biegów zawsze wprowadza znaczny błąd. Dlatego w instalacjach precyzyjnych pożądane jest stosowanie silników wolnoobrotowych, które mogą być połączone z korpusami roboczymi bezpośrednio lub poprzez najprostszą przekładnię. W związku z tym pojawiły się tzw. silniki o wysokim momencie obrotowym przy niskich prędkościach obrotowych. Silniki te są szeroko stosowane w maszynach do cięcia metalu, gdzie są połączone przegubowo z korpusami wyporowymi bez żadnych połączeń pośrednich za pomocą śrub kulowych.

Silniki elektryczne różnią się także budową oznaczeniami związanymi z warunkami ich pracy. W normalnych warunkach stosuje się tzw. silniki otwarte i chronione, chłodzone powietrzem pomieszczenia, w których są instalowane.

Powietrze wtłaczane jest kanałami maszyny za pomocą wentylatora umieszczonego na wale silnika. Zamknięte silniki chłodzone zewnętrzną powierzchnią żeber lub zewnętrznym strumieniem powietrza są stosowane w środowiskach agresywnych. Wreszcie, dostępne są specjalne silniki z atmosferą wybuchową.

Szczegółowe wymagania dotyczące konstrukcji silnika przedstawiono, gdy konieczne jest zapewnienie wysokich osiągów — szybkiego przepływu procesów przyspieszania i zwalniania. W takim przypadku silnik musi mieć specjalną geometrię — małą średnicę twornika przy jego dużej długości.

Aby zmniejszyć indukcyjność uzwojenia, nie układa się go w kanałach i na powierzchni gładkiej zwory.Cewka jest mocowana za pomocą klejów, takich jak żywica epoksydowa. Przy małej indukcyjności cewki istotne jest poprawienie warunków komutacji kolektora, nie ma potrzeby stosowania dodatkowych biegunów, można zastosować kolektor o mniejszych gabarytach. Ten ostatni dodatkowo zmniejsza moment bezwładności twornika silnika.

Jeszcze większe możliwości zmniejszenia bezwładności mechanicznej daje zastosowanie wydrążonego twornika, jakim jest cylinder z materiału izolacyjnego. Na powierzchni tego cylindra znajduje się uzwojenie wykonane przez drukowanie, stemplowanie lub rysowanie na szablonie na specjalnej maszynie. Cewka jest mocowana za pomocą materiałów klejących.

Wewnątrz obracającego się cylindra do tworzenia ścieżek potrzebny jest stalowy rdzeń do przejścia strumienia magnetycznego. W silnikach z gładkimi i wydrążonymi twornikami, ze względu na zwiększenie szczelin w obwodzie magnetycznym w wyniku wprowadzenia do nich uzwojeń i materiałów izolacyjnych, znacznie wzrasta wymagana siła magnesowania do przewodzenia wymaganego strumienia magnetycznego. W związku z tym system magnetyczny okazuje się bardziej rozwinięty.

Silniki o małej bezwładności obejmują również silniki z twornikiem tarczowym. Tarcze, na które nałożone lub naklejone są uzwojenia, wykonane z cienkiego, nieodkształcającego się materiału izolacyjnego, np. szkła. Układ magnetyczny w wersji bipolarnej składa się z dwóch cęgów, z których jeden zawiera cewki wzbudzające. Ze względu na niską indukcyjność uzwojenia twornika maszyna z reguły nie ma kolektora, a prąd jest usuwany szczotkami bezpośrednio z uzwojenia.

Należy również wspomnieć o silniku liniowym, który nie zapewnia ruchu obrotowego i translacyjnego.Reprezentuje silnik, układ magnetyczny, na którym się znajduje, a bieguny są zamontowane na linii ruchu twornika i odpowiedniego korpusu roboczego maszyny. Kotwica jest zwykle zaprojektowana jako kotwa o małej bezwładności. Rozmiar i koszt silnika są duże, ponieważ do zapewnienia ruchu wzdłuż danego odcinka drogi wymagana jest znaczna liczba słupów.

Rozruch silników prądu stałego

W początkowej chwili rozruchu silnika twornik jest nieruchomy i przeciwny. itp. c. inapięcie w tworniku jest równe zeru, zatem Ip = U / Rya.

Rezystancja obwodu twornika jest niewielka, więc prąd rozruchowy przekracza 10-20 razy lub więcej wartości nominalnej. Może to spowodować znaczne wysiłki elektrodynamiczne w uzwojeniu twornika i jego nadmierne przegrzanie, przez co silnik zaczyna być używany reostaty rozruchowe — czynne rezystancje zawarte w obwodzie twornika.

Silniki do 1 kW można uruchamiać bezpośrednio.

Wartość rezystancji reostatu rozruchowego dobiera się zgodnie z dopuszczalnym prądem rozruchowym silnika. Reostat jest wykonywany etapami, aby poprawić płynność rozruchu silnika elektrycznego.

Na początku startu wprowadzana jest cała rezystancja reostatu. Wraz ze wzrostem prędkości kotwicy pojawia się kontr-e. D. s, co ogranicza prądy rozruchowe.Stopniowo usuwając krok po kroku rezystancję reostatu z obwodu twornika, napięcie dostarczane do twornika wzrasta.

Sterowanie prędkością silnika elektrycznego prądu stałego

Prędkość silnika prądu stałego:

gdzie U jest napięciem zasilania; Iya — prąd twornika; Ri jest rezystancją twornika obwodu; kc — współczynnik charakteryzujący układ magnetyczny; F jest strumieniem magnetycznym silnika elektrycznego.

Ze wzoru widać, że prędkość obrotową silnika elektrycznego prądu stałego można regulować na trzy sposoby: zmieniając strumień wzbudzenia silnika elektrycznego, zmieniając napięcie dostarczane do silnika elektrycznego oraz zmieniając rezystancję w obwodach twornika .

Pierwsze dwa sposoby sterowania są najbardziej rozpowszechnione, trzeci sposób jest rzadko stosowany: jest nieekonomiczny, a prędkość obrotowa silnika znacznie zależy od wahań obciążenia. Otrzymane właściwości mechaniczne przedstawiono na rys.

Charakterystyka mechaniczna silnika prądu stałego z różnymi metodami regulacji prędkości

Linia pogrubiona to naturalna zależność prędkości obrotowej od momentu obrotowego na wale lub, co za tym idzie, od prądu twornika. Linia prosta o naturalnych właściwościach mechanicznych odbiega nieco od poziomej linii przerywanej. To odchylenie nazywa się niestabilnością, brakiem sztywności, czasem etatyzmem. Grupa nierównoległych linii prostych I odpowiada regulacji prędkości przez wzbudzenie, równoległe linie proste II powstają w wyniku zmiany napięcia twornika, wreszcie wentylator III jest wynikiem wprowadzenia czynnej rezystancji do obwodu twornika.

Wielkość prądu wzbudzenia silnika prądu stałego można kontrolować za pomocą reostatu lub dowolnego urządzenia, którego rezystancja może zmieniać się pod względem wielkości, takiego jak tranzystor. Wraz ze wzrostem rezystancji w obwodzie prąd pola maleje, a prędkość silnika wzrasta.Kiedy strumień magnetyczny słabnie, właściwości mechaniczne są powyżej naturalnych (tj. powyżej właściwości przy braku reostatu). Wzrost prędkości obrotowej silnika prowadzi do wzrostu iskrzenia pod szczotkami. Ponadto, gdy silnik elektryczny pracuje ze strumieniem osłabionym, stabilność jego pracy maleje, zwłaszcza przy zmiennym obciążeniu wału. Dlatego granice kontroli prędkości w ten sposób nie przekraczają 1,25 — 1,3 razy wartości nominalnej.

Regulacja napięcia wymaga stałego źródła prądu, takiego jak generator lub konwerter. Podobną regulację stosuje się we wszystkich przemysłowych układach napędów elektrycznych: generator - napęd prądu stałego (G - DPT), wzmacniacz maszyny elektrycznej - silnik prądu stałego (EMU - DPT), wzmacniacz magnetyczny - silnik prądu stałego (MU - DPT), przetwornica tyrystorowa — Silnik prądu stałego (T — DPT).

Zatrzymaj silniki elektryczne prąd stały

W napędach elektrycznych z silnikami elektrycznymi prądu stałego stosowane są trzy metody hamowania: hamowanie dynamiczne, regeneracyjne i przeciwstawne.

Hamowanie dynamiczne silnika prądu stałego odbywa się przez zwarcie uzwojenia twornika silnika lub przez rezystor… W którym silnik prądu stałego zaczyna pracować jako generator, przekształcając zmagazynowaną energię mechaniczną w energię elektryczną. Energia ta jest uwalniana w postaci ciepła w rezystancji, do której zamknięte jest uzwojenie twornika. Hamowanie dynamiczne zapewnia precyzyjne hamowanie silnikiem.

Hamowanie regeneracyjne Silnik prądu stałego działa, gdy podłączony do sieci silnik elektryczny jest obracany przez mechanizm napędowy z prędkością przekraczającą idealną prędkość obrotową biegu jałowego. następnie D.itp. indukowane w uzwojeniu silnika przekroczą wartość napięcia sieciowego, prąd w uzwojeniu silnika zmieni kierunek. Silnik elektryczny przechodzi do pracy w trybie generatora, oddając energię do sieci. W tym samym czasie na jego wale pojawia się moment hamujący. Taki tryb można uzyskać w napędach mechanizmów podnoszących podczas opuszczania ładunku, a także podczas regulacji prędkości silnika i podczas procesów hamowania w napędach elektrycznych prądu stałego.

Hamowanie rekuperacyjne silnika prądu stałego jest najbardziej ekonomiczną metodą, ponieważ w tym przypadku energia elektryczna jest zwracana do sieci. W napędzie elektrycznym obrabiarek skrawających metoda ta stosowana jest do regulacji prędkości obrotowej w układach G — DPT i EMU — DPT.

Zatrzymanie przeciwnego silnika prądu stałego odbywa się poprzez zmianę biegunowości napięcia i prądu w uzwojeniu twornika. Kiedy prąd twornika oddziałuje z polem magnetycznym cewki wzbudzenia, powstaje moment hamujący, który maleje wraz ze spadkiem prędkości obrotowej silnika elektrycznego. Kiedy prędkość silnika elektrycznego spadnie do zera, silnik elektryczny musi zostać odłączony od sieci, w przeciwnym razie zacznie się obracać w przeciwnym kierunku.