Silniki prądu stałego

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