Obwody elektryczne prądu stałego i ich charakterystyki

Nieruchomości Silniki prądu stałego zależą głównie od sposobu włączenia cewki wzbudzenia. W zależności od tego wyróżnia się silniki elektryczne:

1. niezależnie wzbudzane: cewka wzbudzenia zasilana jest z zewnętrznego źródła prądu stałego (wzbudnica lub prostownik),

2. wzbudzenie równoległe: uzwojenie wzbudzenia jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika,

3. wzbudzenie szeregowe: uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika,

4. ze wzbudzeniem mieszanym: są dwa uzwojenia wzbudzenia, jedno połączone równolegle z uzwojeniem twornika, a drugie szeregowo z nim.

Wszystkie te silniki elektryczne mają to samo urządzenie i różnią się jedynie budową cewki wzbudzenia. Uzwojenia wzbudzenia tych silników elektrycznych są wykonywane w taki sam sposób jak w odpowiednie generatory.

Niezależnie wzbudzony silnik elektryczny prądu stałego

W tym silniku elektrycznym (ryc.1, a) uzwojenie twornika jest podłączone do głównego źródła prądu stałego (sieci prądu stałego, generatora lub prostownika) o napięciu U, a uzwojenie wzbudzenia jest podłączone do źródła pomocniczego o napięciu UB. Reostat regulacyjny Rp jest zawarty w obwodzie cewki wzbudzenia, a rezystor rozruchowy Rn jest zawarty w obwodzie cewki twornika.

Reostat regulacyjny służy do regulacji prędkości twornika silnika, a reostat rozruchowy służy do ograniczenia prądu w uzwojeniu twornika podczas rozruchu. Cechą charakterystyczną silnika elektrycznego jest to, że jego prąd wzbudzenia Iv nie zależy od prądu Ii w uzwojeniu twornika (prądu obciążenia). Dlatego pomijając efekt rozmagnesowania reakcji twornika, możemy w przybliżeniu założyć, że strumień silnika F jest niezależny od obciążenia. Zależności momentu elektromagnetycznego M i prędkości n od prądu I będą liniowe (ryc. 2, a). Dlatego charakterystyka mechaniczna silnika będzie również liniowa — zależność n (M) (ryc. 2, b).

W przypadku braku reostatu o rezystancji Rn w obwodzie twornika prędkość i właściwości mechaniczne będą sztywne, to znaczy z małym kątem nachylenia do osi poziomej, ponieważ spadek napięcia IяΣRя w uzwojeniach maszyny zawartych w obwód twornika przy obciążeniu znamionowym wynosi tylko 3-5% Unom. Te cechy (linie proste 1 na ryc. 2, aib) nazywane są naturalnymi. Gdy w obwód twornika włączony zostanie opornik o rezystancji Rn, kąt nachylenia tych charakterystyk wzrasta, w wyniku czego można otrzymać rodzinę charakterystyk opornika 2, 3 i 4, odpowiadających różnym wartościom Rn1 , Rn2 i Rn3 .

Ryż. 1.Schematy ideowe silników prądu stałego z niezależnym (a) i równoległym (b) wzbudzeniem

Ryż. 2. Charakterystyki silników elektrycznych prądu stałego o wzbudzeniu niezależnym i równoległym: a — prędkość i moment obrotowy, b — mechaniczna, c — robocza Im większy opór Rn, tym większy kąt nachylenia charakterystyki reostatu, tj. jest bardziej miękki.

Reostat regulacyjny Rpv umożliwia zmianę prądu wzbudzenia silnika Iv i jego strumienia magnetycznego F. W takim przypadku zmieni się również częstotliwość obrotu n.

W obwodzie cewki wzbudzenia nie są zainstalowane żadne przełączniki i bezpieczniki, ponieważ po przerwaniu tego obwodu strumień magnetyczny silnika elektrycznego gwałtownie spada (pozostaje w nim tylko strumień magnetyzmu szczątkowego) i następuje tryb awaryjny. silnik pracuje na biegu jałowym lub jest lekko obciążony na wale, wtedy prędkość gwałtownie wzrasta (silnik się porusza). W takim przypadku prąd w uzwojeniu twornika Iya znacznie wzrasta i może dojść do rozległego pożaru. Aby tego uniknąć, zabezpieczenie musi odłączyć silnik elektryczny od źródła zasilania.

Gwałtowny wzrost prędkości obrotowej, gdy obwód cewki wzbudzenia jest przerwany, tłumaczy się tym, że w tym przypadku strumień magnetyczny Ф (do wartości strumienia Fosta z magnetyzmu szczątkowego) i e. itp. v. E i aktualna Iya wzrasta. A ponieważ przyłożone napięcie U pozostaje niezmienione, częstotliwość obrotowa n wzrośnie do e. itp. c. E nie osiągnie wartości w przybliżeniu równej U (co jest konieczne dla stanu równowagi obwodu twornika, gdzie E = U — IяΣRя.

Gdy obciążenie wału jest zbliżone do znamionowego, silnik elektryczny zatrzyma się w przypadku przerwy w obwodzie wzbudzenia, ponieważ moment elektromagnetyczny, jaki może rozwinąć silnik przy znacznym zmniejszeniu strumienia magnetycznego, maleje i staje się mniejszy od momentu obciążenia wału. W takim przypadku prąd Iya również gwałtownie wzrasta i maszynę należy odłączyć od źródła zasilania.

Należy zauważyć, że prędkość obrotowa n0 odpowiada idealnej prędkości obrotowej biegu jałowego, gdy silnik nie pobiera energii elektrycznej z sieci, a jego moment elektromagnetyczny jest równy zeru. W rzeczywistych warunkach na biegu jałowym silnik pobiera z sieci prąd jałowy I0, który jest niezbędny do kompensacji wewnętrznych strat mocy, oraz rozwija określony moment obrotowy M0, niezbędny do pokonania sił tarcia w maszynie. Dlatego w rzeczywistości prędkość biegu jałowego jest mniejsza niż n0.

Zależność prędkości obrotowej n i momentu elektromagnetycznego M od mocy P2 (rys. 2, c) z wału silnika, jak wynika z rozważanych zależności, jest liniowa. Zależności prądu uzwojenia twornika Iya i mocy P1 od P2 również są praktycznie liniowe. Prąd I i moc P1 przy P2 = 0 reprezentują prąd jałowy I0 i moc P0 zużywane na biegu jałowym. Krzywa sprawności jest charakterystyczna dla wszystkich maszyn elektrycznych.

Równoległe wzbudzenie silnika elektrycznego prądem stałym

W tym silniku elektrycznym (patrz ryc. 1, b) uzwojenia wzbudzenia i tworniki są zasilane z tego samego źródła energii elektrycznej o napięciu U. Reostat regulacyjny Rpv jest zawarty w obwodzie uzwojenia wzbudzenia i reostatu rozruchowego Rp jest zawarty w obwodzie uzwojenia na kotwicy.

W rozważanym silniku elektrycznym istnieje zasadniczo oddzielne zasilanie obwodów uzwojenia twornika i wzbudzenia, w wyniku czego prąd wzbudzenia Iv nie zależy od prądu uzwojenia twornika Iv. Dlatego silnik o wzbudzeniu równoległym będzie miał taką samą charakterystykę jak silnik o wzbudzeniu niezależnym. Jednak silnik o wzbudzeniu równoległym będzie działał normalnie tylko wtedy, gdy będzie zasilany ze źródła prądu stałego o stałym napięciu.

Gdy silnik elektryczny jest zasilany ze źródła o innym napięciu (generator lub prostownik sterowany), spadek napięcia zasilania U powoduje odpowiednie zmniejszenie prądu wzbudzenia Ic i strumienia magnetycznego Ф, co prowadzi do zwiększenia mocy twornika prąd uzwojenia Iya. Ogranicza to możliwość regulacji prędkości twornika poprzez zmianę napięcia zasilania U. Dlatego silniki elektryczne przeznaczone do zasilania z generatora lub prostownika sterowanego muszą mieć niezależne wzbudzenie.

Wzbudzenie szeregowe silnika elektrycznego prądem stałym

Aby ograniczyć prąd rozruchowy, reostat rozruchowy Rp (ryc. 3, a) jest zawarty w obwodzie uzwojenia twornika (ryc. 3, a) i regulować prędkość obrotową równolegle z uzwojeniem wzbudzenia poprzez regulację reostatu Rpv może być uwzględniony.

Ryż. 3. Schemat ideowy silnika prądu stałego ze wzbudzeniem szeregowym (a) i zależność jego strumienia magnetycznego Ф od prądu I w uzwojeniu twornika (b)

Ryż. 4. Charakterystyka silnika prądu stałego ze wzbudzeniem sekwencyjnym: a — duża prędkość i moment obrotowy, b — mechaniczny, c — robotniczy.

Cechą charakterystyczną tego silnika elektrycznego jest to, że jego prąd wzbudzenia Iv jest równy lub proporcjonalny (przy włączonym oporniku Rpv) do prądu uzwojenia twornika Iya, a zatem strumień magnetyczny F zależy od obciążenia silnika (rys. 3, B) .

Gdy prąd uzwojenia twornika Iya jest mniejszy niż (0,8-0,9) prądu znamionowego Inom, układ magnetyczny maszyny nie jest nasycony i można przyjąć, że strumień magnetyczny Ф zmienia się wprost proporcjonalnie do prądu Iia. Dlatego charakterystyka prędkości silnika elektrycznego będzie miękka - wraz ze wzrostem prądu I prędkość obrotowa n gwałtownie spadnie (ryc. 4, a). Spadek prędkości obrotowej n wynika ze wzrostu spadku napięcia IjaΣRja. w rezystancji wewnętrznej Rα. obwody uzwojenia twornika, a także ze względu na wzrost strumienia magnetycznego F.

Moment elektromagnetyczny M wraz ze wzrostem prądu Ija gwałtownie wzrośnie, ponieważ w tym przypadku strumień magnetyczny Ф również wzrośnie, to znaczy moment M będzie proporcjonalny do prądu Ija. Dlatego, gdy prąd Iya jest mniejszy niż (0,8 N-0,9) Inom, charakterystyka prędkości ma kształt hiperboli, a charakterystyka momentu ma kształt paraboli.

Przy prądach Ia> Ia zależności M i n od Ia są liniowe, ponieważ w tym trybie obwód magnetyczny będzie nasycony, a strumień magnetyczny Ф nie zmieni się, gdy zmieni się prąd Ia.

Charakterystykę mechaniczną, czyli zależność n od M (ryc. 4, b), można skonstruować na podstawie zależności n i M od Iya. Oprócz charakterystyki naturalnej 1 możliwe jest uzyskanie rodziny charakterystyk reostatu 2, 3 i 4. poprzez włączenie w obwód uzwojenia twornika reostatu o rezystancji Rp.Te charakterystyki odpowiadają różnym wartościom Rn1, Rn2 i Rn3, przy czym im wyższy Rn, tym niższa charakterystyka.

Charakterystyka mechaniczna rozpatrywanego silnika jest miękka i hiperboliczna. Przy małych obciążeniach strumień magnetyczny Ф znacznie spada, prędkość obrotowa n gwałtownie wzrasta i może przekroczyć maksymalną dopuszczalną wartość (silnik pracuje dziko). Dlatego takie silniki nie mogą być wykorzystywane do napędzania mechanizmów pracujących na biegu jałowym i przy niskim obciążeniu (różne maszyny, przenośniki itp.).

Zwykle minimalne dopuszczalne obciążenie dla silników dużej i średniej mocy wynosi (0,2…0,25) Inom. Aby zapobiec pracy silnika bez obciążenia, jest on trwale połączony z mechanizmem napędowym (sprzęgło zębate lub ślepe); niedopuszczalne jest stosowanie napędu pasowego lub sprzęgła ciernego.

Pomimo tej wady, silniki ze wzbudzeniem sekwencyjnym są szeroko stosowane, zwłaszcza gdy występują duże różnice momentu obciążenia i trudne warunki rozruchu: we wszystkich napędach trakcyjnych (lokomotywy elektryczne, lokomotywy spalinowe, pociągi elektryczne, samochody elektryczne, elektryczne wózki widłowe itp.), jak również w napędach mechanizmów dźwigowych (dźwigi, windy itp.).

Wyjaśnia to fakt, że przy miękkiej charakterystyce wzrost momentu obciążenia prowadzi do mniejszego wzrostu poboru prądu i mocy niż w silnikach o wzbudzeniu niezależnym i równoległym, dzięki czemu silniki o wzbudzeniu szeregowym lepiej znoszą przeciążenia.Ponadto silniki te mają wyższy moment rozruchowy niż silniki o wzbudzeniu równoległym i niezależnie wzbudzonym, ponieważ wraz ze wzrostem prądu uzwojenia twornika podczas rozruchu odpowiednio wzrasta również strumień magnetyczny.

Jeżeli założymy np., że krótkotrwały prąd rozruchowy może być 2 razy większy od znamionowego prądu roboczego maszyny i pominiemy skutki nasycenia, reakcji twornika i spadku napięcia w jego uzwojeniu, to w silniku o wzbudzeniu szeregowym, moment rozruchowy będzie 4 razy wyższy niż nominalny (zarówno pod względem prądu, jak i strumienia magnetycznego wzrośnie 2 razy), aw silnikach z niezależnym i równoległym wzbudzeniem — tylko 2 razy więcej.

W rzeczywistości, ze względu na nasycenie obwodu magnetycznego, strumień magnetyczny nie wzrasta proporcjonalnie do prądu, ale mimo to moment rozruchowy silnika o wzbudzeniu szeregowym, przy pozostałych parametrach równych, będzie znacznie większy niż moment rozruchowy tego samego silnika ze wzbudzeniem niezależnym lub równoległym.

Zależności n i M od mocy P2 na wale silnika (rys. 4, c), jak wynika z omówionych powyżej położeń, są nieliniowe, zależności P1, Ith i η od P2 mają taką samą postać jak dla silników z równoległym wzbudzeniem.

Silnik elektryczny prądu stałego o wzbudzeniu mieszanym

W tym silniku elektrycznym (ryc. 5, a) strumień magnetyczny Ф powstaje w wyniku wspólnego działania dwóch cewek wzbudzenia - równoległych (lub niezależnych) i szeregowych, przez które prądy wzbudzenia Iв1 i Iв2 = Iя

dlatego

gdzie Fposl — strumień magnetyczny cewki szeregowej, zależny od prądu Ia, Fpar — strumień magnetyczny cewki równoległej, który nie zależy od obciążenia (określa go prąd wzbudzenia Ic1).

Charakterystyka mechaniczna silnika elektrycznego ze wzbudzeniem mieszanym (ryc. 5, b) leży między charakterystykami silników ze wzbudzeniem równoległym (linia prosta 1) i szeregowym (krzywa 2). W zależności od stosunku sił magnetomotorycznych uzwojeń równoległych i szeregowych w trybie znamionowym, charakterystykę silnika o wzbudzeniu mieszanym można przybliżyć do charakterystyki 1 (krzywa 3 przy niskich ppm uzwojenia szeregowego) lub do charakterystyki 2 (krzywa 4 przy niskie ppm v. uzwojenie równoległe).

Ryż. 5. Schemat ideowy silnika elektrycznego o wzbudzeniu mieszanym (a) i jego właściwości mechaniczne (b)

Zaletą silnika prądu stałego ze wzbudzeniem mieszanym jest to, że mając miękką charakterystykę mechaniczną, może pracować na biegu jałowym, gdy Fposl = 0. W tym trybie częstotliwość obrotu jego twornika jest określona przez strumień magnetyczny Fpar i ma ograniczony wartość (silnik nie pracuje).