Maszyna prądu stałego Równania obwodowe

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyny Elektryczne i Transformatory
1
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyny Prądu Stałego
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Budowa i zasada działania
Podstawowe zjawiska fizyczne
Schemat zastępczy
Podstawowe charakterystyki
Straty
Eksploatacja
2
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna Prądu Stałego (MPS)
Magneśnica
Twornik
3
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Budowa maszyny prądy stałego
4
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Budowa maszyny prądy stałego
5
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Zasada działania maszyny prądu stałego
Silnik
6
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Zasada działania maszyny prądu stałego
Silnik
7
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Zasada działania maszyny prądu stałego
Silnik
8
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Zasada działania maszyny prądu stałego
Prądnica
9
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Zasada działania maszyny prądu stałego
Prądnica
10
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Uzwojenia twornika
Pętlicowe
Faliste
11
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Zestyk szczotki - komutator
12
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Podstawowe równania przetwarzania energii
Siła elektromotoryczna (SEM):
E  ce  m 
E  ce  m n
Moment:
M  cm  m I a
gdzie strumień magnetyczny:
m  f I f 
13
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Podstawowe charakterystyki - SEM
300
E0
Ea
250
SEM [V]
200
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
I f [A]
14
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Podstawowe charakterystyki – moment/prąd twornika
(silnik - połączenie bocznikowe/obcowzbudne)
180
160
140
Ia [A]
120
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
12
M [Nm]
15
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Reakcja poprzeczna twornika
16
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Reakcja poprzeczna twornika
17
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Przesunięcie neutralnej osi magnetyczne
18
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Komutacja
19
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Przesunięcie szczotek do osi neutralnej
20
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Bieguny komutacyjne
21
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Uzwojenie kompensacyjne
22
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Rozkład gęstości strumienia wzdłuż obwodu maszyny
23
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Schemat zastępczy – silnik, połączenie szeregowo bocznikowe
24
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Podstawowe sposoby połączenia uzwojeń silnika prądu stałego
25
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Równania obwodowe - silnik
Bieg jałowy
Ia  0
U 0  E0
U  If Rf
Obciążenie
I  Ia  If
U  Ea  I a  R a  2utc
U  If Rf
26
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Naturalna charakterystyka mechaniczna silnika prądu stałego
(połączenie bocznikowe/obcowzbudne)
1600
1400
n [rev/min]
1200
U a  I a  R a  2u tc
Ea
n

ce  m
ce  m
1000
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
12
M [Nm]
27
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Równania obwodowe - prądnica
Bieg jałowy
Ia  0
U 0  E0
U  If Rf
Obciążenie
I  Ia  If
U  Ea  I a  Ra  2utc
U  If Rf
28
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Naturalna charakterystyka obciążenia prądnicy prądu stałego
(połączenie obcowzbudne)
250
200
Ua  Ea  I a  Ra  2utc
Ua [V]
150
Ua  cemn  Ia  Ra  2utc
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
Ia [A]
29
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Naturalna charakterystyka obciążenia prądnicy prądu stałego
(połączenie bocznikowe)
250
200
U  cemn  Ia  Ra  2utc
U [V]
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
Ia [A]
30
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Charakterystyki wewnętrzne i zewnętrzne maszyny prądu
stałego w funkcji prądu wzbudzenia
300
UM
E0
Ea
UM  Ea  I aN  Ra  2utc
E0, Ea, U [V]
250
UG
200
UG  Ea  I aN  Ra  2utc
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
I f [A]
31
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Rozruch (połączenie obcowzbudne/bocznikowe):
w pierwszej chwili – t = 0
stąd:
n0
E0
Ua  I a max  R a  2utc
maksymalny prąd twornika:
I a max
U a  2u tc

 Ra
maksymalny prąd wzbudzenia:
I f max 
U
R E1E 2
32
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Rozruch (połączenie obcowzbudne/bocznikowe):
10
9
8
ratio [-]
7
6
5
4
3
2
current
1
speed
0
0
2
4
6
8
10
12
14
time [s]
33
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Rozrusznik
34
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Regulacja prędkości obrotowej – poprzez zmianę napięcia
twornika (wzbudzenie stałe )
1600
1400
n [rev/min]
1200
1000
800
U a  I a  R a  2u tc
n
ce  m
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
300
Ua [V]
35
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Regulacja prędkości obrotowej – poprzez zmianę prądu
wzbudzenia (napięcie twornika stałe)
3000
U a  I a  R a  2u tc
n
ce  m
n [rev/min]
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
I f [A]
36
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Maszyna prądu stałego
Zmiana kierunku wirowania poprzez zmianę biegunowości
napięcia twornika i hamowanie ze zwrotem energii
1800
1200
n [rev/min]
forward
brake
(generator)
forward
motor
600
0
-12
-8
backward
motor
-4
0
-600
-1200
4
8
12
backward
brake
(generator)
-1800
M [Nm]
37
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Straty i sprawność (diagram Sankey’a)
Pout  M
Pem Ea I a
Pin  UI
2
f
I Rf
I
2
a
R
I a 2utc
PFe a
Pfrict .
Pvent .
a
38
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik szeregowy prądu stałego
Uproszczone równania przetwarzania energii
Siła elektromotoryczna (SEM):
E  ce  m 
E  ce  m n
gdzie strumień magnetyczny:
 m  f I a 
Moment:
M  cm I a2
39
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik szeregowy prądu stałego
Charakterystyki mechaniczne
40
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Silnik prądu stałego
Porównanie momentów silnika bocznikowego (1)
i szeregowego (2)
41
Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych
Dziękuję
za uwagę
42