Maszyny prądu stałego. Silniki komutatorowe jednofazowe. Silnik bocznikowy, Skrypty z Projektechanika i budowa maszyn

Pobierz Maszyny prądu stałego. Silniki komutatorowe jednofazowe. Silnik bocznikowy i więcej Skrypty w PDF z Projektechanika i budowa maszyn tylko na Docsity! 2. Transformatory i maszyny elektryczne 111 2.9. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO Budowę typowej maszyny prądu stałego przedstawiono schematycznie na rysunku 2.59. W stojanie, wykonanym najczęściej z odlewu żeliwnego lub staliwa, są umieszczone bieguny główne z uzwojeniem wzbudzającym (zasilanym prądem stałym - w układzie zależnym od rodzaju maszyny); mogą też być bieguny pomocnicze z uzwojeniem oraz uzwojenie kompensacyjne w nabiegunnikach biegunów głównych. Na blachowanym wirniku (tworniku) znajduje się uzwojenie prądu stałego (zamknięte, bębnowe, przeważnie dwuwarstwowe). Końce każdego zezwoju są dołączone do odpowiednich wycinków komutatora, z którym współpracują szczotki. Rys. 2.59. Przekrój dwubiegunowej maszyny prądu stałego: l - biegun główny, la - nabiegunnik, 2 - jarzmo stojana, 3 - uzwojenie 5 wzbudzające, 4 - jarzmo wirnika, 5 - uzwojenie wirnika ułożone w żłobkach, 6 - komutatar, 7 - szczotka, 8 - biegun pomocniczy z uzwojeniem (w maszynach średniej i dużej mocy), 9 - uzwojenie kompensacyjne ułożone w żłobkach, w nabiegunniku (w maszynach dużej mocy) Pola magnetyczne stojana i wirnika są stałe i nieruchome, przy tym - dla uzyskania dużego momentu elektromagnetycznego - przesunięte względem siebie o kąt elektryczny 2 π . Osiąga się to właśnie w wyniku działania ruchomego zestyku komutator-szczotki. Istota leży w zapewnieniu przeciwnego zwrotu prądu w czynnych bokach uzwojenia twornika, położonych po przeciwnych stronach - stykających się ze szczotką - wycinków komutatora (rys. 2.60). Szczotki przylegające do sąsiednich wycinków komutatora zwierają zezwoje, których końce są dołączone do tych wycinków. Zwierane zezwoje powinny znajdować się w strefie neutralnej (indukcja równa zeru), aby nie indukowały się w nich napięcia. W czasie przemieszczania się wycinków komutatora pod szczotkami, w zwieranych zezwojach ulega zmianie zwrot prądu. Proces przełączania zezwojów twornika przez zestyk komutator-szczotki nosi nazwę komutacji. Komutacja ma złożony charakter. Składają się na nią zjawiska natury mechanicznej, elektromagnetycznej, elektrochemicznej i termicznej. Zła komutacja, objawiająca się iskrzeniem, może spowodować zniszczenie szczotek i komutatora. 112 Zasady energoelektryki Rys. 2.60. Model fizyczny i wykres przestrzenny strumieni magnetycznych maszyny dwubiegunowej prądu stałego Przepływ twornika zniekształca pole w maszynie. Zjawisko to określa się jako oddziały- wanie twornika. Skutki oddziaływania twornika (strumienia poprzecznego) są następujące: - przesunięcie strefy neutralnej (rys. 2.60), a stąd gorsza komutacja; - odmagnesowywanie jednej połówki i domagnesowywanie drugiej połówki nabiegunnika, a stąd wzrost maksymalnego napięcia między wycinkami komutatora oraz zmniejszenie sem twornika (w wyniku nasycenia magnetycznego jednej połówki nabiegunnika); - wzrost strat w żelazie wirnika. Niekorzystnemu przesunięciu osi neutralnej przeciwdziała się przez umieszczenie biegunów pomocniczych (komutacyjnych), a zniekształceniu pola w strefie biegunów głównych - przez wykonanie uzwojenia kompensacyjnego (rys. 2.59). Uzwojenia: biegunów pomocniczych i kompensacyjne, łączy się szeregowo z uzwojeniem twornika. Końcówki (zaciski) uzwojenia twornika oznacza się symbolami Al i A2, przy czym napięcie między Al i A2 jest dodatnie. Końcówki uzwojenia biegunów pomocniczych oznacza się symbolami Bl i B2, a uzwojenia kompensacyjnego - symbolami C1 i C2; zwrot prądu względem wskaźników cyfrowych końcówek tych uzwojeń jest w nich taki sam, jak w uzwojeniu twornika. Końcówki uzwojenia wzbudzającego: szeregowego (łączonego szeregowo z uzwojeniem twornika) oznacza się symbolami Dl i D2, bocznikowego (łączonego równolegle z uzwojeniem twornika) - symbolami El i E2, zasilanego z obcego (innego) źródła - symbolami F1 i F2; zwrot prądu względem wskaźników cyfrowych końcówek tych uzwojeń jest następujący: od l do 2 - przy prawym kierunku obrotów wirnika, a od 2 do l - przy lewym. Kierunek obrotów określa się patrząc od strony wału napędowego (zwykle - przeciwległej komutatorowi). Normalnym kierunkiem obrotów wału prądnicy jest kierunek lewy, a silnika - prawy. 2. Transformatory i maszyny elektryczne 115 Rys. 2.62. Schemat zastępczy maszyny prądu stałego (praca silnikowa) Schemat zastępczy układu elektrycznego maszyny prądu stałego, przy pracy ustalonej, przedstawiono na rysunku 2.62; strzałkowanie Ia i ∆USK odpowiada pracy silnikowej (przy pracy prądnicowej - przeciwne). Można przyjmować stałą wartość spadku napięcia na zestyku szczotki-komutator ∆USK (zwykle 2 V na parę szczotek), ponieważ zależność rezystancji tego zestyku RSK od prądu Ia jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna. W rozważaniach typu jakościowego można ∆USK pomijać. Zależnie od wymaganej dokładności modelu, uwzględnia się nieliniowość charakterystyki magnesowania, oddziały- wanie twornika oraz zmiany rezystancji twornika wraz ze zmianami prądu (zjawiska cieplne). W przybliżeniu, wpływ prądu twornika la na strumień podłużny Φ można opisać wzorem aaww IC −=−= Φ∆ΦΦΦ , (2.198) gdzie: Φw - strumień wywołany przez prąd wzbudzający (zgodnie z charakterystyką magne- sowania maszyny), Ca - stała, zaś wpływ prądu twornika Ia na łączną rezystancję uzwojeń: twornika, biegunów komu- tacyjnych i kompensacyjnego Ra - wzorem 2 aRazaza ICRRRR −=−= ∆ , (2.199) gdzie: Raz - rezystancja Ra w stanie zimnym (prąd ustalony Ia = 0 ), CR - stała. Rys. 2.63. Wpływ rezystancji dodatkowej Rwd , dołączonej do uzwojenia wzbudzającego prądnicy bocznikowej, na sem w stanie jałowym Eo 116 Zasady energoelektryki Prądnice bocznikowe, szeregowo-bocznikowe i szeregowe są nazywane samowzbudnymi, ponieważ ich normalną pracę poprzedza proces samowzbudzenia. Zapoczątkowanie tego procesu uwarunkowane jest istnieniem magnetyzmu szczątkowego, a jego dalszy, prawidło- wy przebieg wymaga właściwego przyłączenia końcówek uzwojenia wzbudzającego, aby strumień pochodzący od prądu wzbudzającego miał ten sam zwrot, co strumień szczątkowy. Z uzwojeniem wzbudzającym bocznikowym nie może być też połączona szeregowo zbyt duża rezystancja dodatkowa Rwd , co wyjaśniono na rysunku 2.63. Jeśli strumień wytworzony przez uzwojenie wzbudzenia ma zwrot przeciwny niż strumień szczątkowy, to prądnica bocznikowa ulega rozmagnesowaniu. Jeśli prądnica bocznikowa wzbudza się, ale biegunowość napięcia na jej zaciskach jest niewłaściwa, to aby zmienić tę biegunowość należy: zmienić jednocześnie kierunek wirowania i przełączyć uzwojenie wzbudzające (zamienić miejsca połączenie jego końców z zaciskami twornika), albo zmienić zwrot strumienia szczątkowego („przemagnesować” maszynę zasilając odpowiednio uzwojenie wzbudzenia z obcego źródła). Podstawową charakterystyką prądnic jest charakterystyka zewnętrzna U = f(Ia). Kształt krzywych charakterystyki zewnętrznej prądnicy obcowzbudnej oraz bocznikowej (rys. 2.64) uzasadniają teoretycznie następujące zależności: aa IREU −= , (2.200) EEE ∆ 0 −= , (2.201) gdzie: E0 - sem w stanie jałowym, ∆E - zmiana sem spowodowana oddziaływaniem twornika oraz zmianą prądu wzbu- dzenia (w prądnicy bocznikowej efekt spadku napięcia na rezystancji Ra ). Rys. 2.64. Charakterystyki zewnętrzne prądnic: l - obcowzbudnej, 2 - bocznikowej (o równych sem w stanie jałowym) Obniżanie się napięcia przy rosnącym obciążeniu prądnicy obcowzbudnej wynika z rosnącego spadku napięcia na rezystancji uzwojenia twornika i malejącej sem (efekt zmniejszania się strumienia wypadkowego spowodowanego silniejszym oddziaływaniem twornika). Na obniżanie się napięcia przy rosnącym obciążeniu prądnicy bocznikowej wpływa dodatkowo malenie sem wskutek zmniejszania się strumienia wzbudzającego przy malejącym prądzie w uzwojeniu wzbudzającym, zasilanym malejącym napięciem twornika. Ustalony prąd zwarcia nie jest dla prądnicy bocznikowej groźny. 2. Transformatory i maszyny elektryczne 117 Podstawową charakterystyką roboczą silników prądu stałego jest charakterystyka mechaniczna ω = f(M); istotne znaczenie mają też zależności ω = f(Ia) i M = f(Ia). Analitycznie, w postaci uproszczonej, uzyskuje się te zależności na podstawie wzorów (2.196), (2.197) i równania obwodu twornika ( ) aadwsa IRRREU +++= , (2.202) gdzie: U - napięcie sieci, E - napięcie indukowane (sem) twornika, Rws - rezystancja szeregowego uzwojenia wzbudzającego (w silniku szeregowym i szeregowo-bocznikowym), Rad - dodatkowa rezystancja w obwodzie twornika. Dla silników obcowzbudnych i bocznikowych, szukane zależności można wyrazić następująco: ( ) a ada I C RR C U ΦΦ ω +−= , (2.203) ( ) M C RR C U ada 22 ΦΦ ω +−= . (2.204) Dla silnika szeregowego, przyjmując proporcjonalność strumienia wzbudzającego i prądu twornika, otrzymuje się zależności: 2 1 aICM = , (2.205) ( ) 11 C RRR IC U adwsa a ++ −=ω , (2.206) ( ) 11 C RRR MC U adwsa ++−=ω , (2.207) przy czym wartość C1 zależy od stopnia osłabienia wzbudzenia, związanego z wartością rezystancji bocznikującej uzwojenia wzbudzające. W dokładniejszych rozważaniach należałoby również wziąć pod uwagę zależność C1 od Ia (ze względu na nasycenie żelaza w osi podłużnej maszyny) oraz zależności (2.198) i (2.199), związane z oddziaływaniem twornika i nagrzewaniem jego uzwojeń. Otrzymane wyżej wzory wyrażają wpływ różnych wielkości na właściwości ruchowe i regulacyjne silników prądu stałego. Poprzez zmiany napięcia zasilającego, strumienia wzbudzającego lub rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika można zmieniać (regu- lować) prędkość ustaloną silnika obciążonego określonym momentem oraz wywoływać zmiany momentu i prądu przy określonej prędkości - w trakcie rozruchu bądź hamowania. Na rys. 2.65 i 2.66 przedstawiono charakterystyki mechaniczne silników obcowzbudnych, bocznikowych i szeregowych, obrazujące wpływ podanych wielkości na pracę napędu. Fragmenty wykresów wykonane liniami przerywanymi odpowiadają pracy hamulcowej. Charakterystyki mechaniczne pokazane na rys. 2.65a odnoszą się do pracy silnikowej (linie ciągłe) i do hamowania prądnicowego (linie przerywane), przy czym wykres 1 przedstawia tę samą charakterystykę naturalną dla silnika obcowzbudnego i bocznikowego, wykresy 2 i 3 obrazują charakterystyki silnika obcowzbudnego przy regulacji prędkości „w dół”, a wykresy 4 i 5 - charakterystyki silnika obcowzbudnego i bocznikowego przy regulacji prędkości „w górę” (silnikiem bocznikowym można regulować prędkość tylko „w górę”). 120 Zasady energoelektryki Wartość rezystancji rozruchowej zmienia się skokowo, więc i prąd twornika w chwilach przełączania rezystorów zmienia się skokowo (pomijając indukcyjność obwodu twornika). Na rysunku 2.67 objaśniono rozruch rezystorowy silników: bocznikowego i szeregowego, przy stałych wartościach granicznych prądu (tuż po i tuż przed przełączeniami rezystorów), nazywanych: I1 - prądem maksymalnym, I2 - prądem przełączania. Trzeba zaznaczyć, że prąd przełączania musi być większy od prądu znamionowego In . Ponieważ moment silnika - tak bocznikowego, jak szeregowego - jest funkcją prądu, więc stałym wartościom granicznym prądu: I1 i I2 , odpowiadają stałe wartości graniczne momentu rozruchowego (tuż po i tuż przed przełączeniami rezystorów), nazywane: Mr.max - momentem rozruchowym maksymalnym, Mr.min - momentem rozruchowym minimalnym. Wykresy rozruchowych charakterystyk mechanicznych ω = f(M) mają zatem podobny przebieg do pokazanych na rysunku 2.67 charakterystyk obciążeniowych ω = f(Ia). Wprowadza się następujące pojęcia: - nierównomierności rozruchu, ściśle: współczynnika nierównomierności rozruchu min. max. r r M M =ε , (2.208) - prądowego współczynnika nierównomierności rozruchu 2 1 I I i =ε . (2.209) W przypadku silnika bocznikowego, strumień podłużny ma praktycznie stałą wartość (wpływ oddziaływania twornika jest albo nieduży, albo skompensowany), stąd εi = ε . Pomijając ewentualne niewielkie zakrzywienie charakterystyk obciążeniowych silnika bocznikowego, można wyprowadzić proste wzory na wartości rezystorów tzw. rozrusznika szeregowego do tego silnika. Na rysunku 2.68a przedstawiono schemat obwodu twornika silnika bocznikowego z rozrusznikiem szeregowym, składającym się z rezystorów: r1 , r2 , ... , rm , nazywanych sekcjami, przy czym m jest liczbą stopni rozruchu. Na rys. 2.68bc pokazano komplet charakterystyk obciążeniowych, wykorzystywanych przy rozruchu 3-stopniowym (m = 3), a na rys. 2.68c - dwie charakterystyki o numerach k i k - 1 (2 < k ≤ m), którym odpowiadają całkowite rezystancje obwodu twornika Rk i Rk – 1 = Rk – rk . Zastosowana „antynumeracja” rezystorów i prędkości przełączania, w porównaniu z kolejnością wykorzystania charakterystyk w czasie rozruchu, tj. kolejnością zwierania zestyków Łk' (k' = 1, ... , m, m + 1), pozwala uzyskać prostszy zapis zależności. „Antynumerom” sekcji rozruchowych k = m, ... , 1 odpowiadają numery stopni rozruchowych k' = m – k + 1 = 1, ... , m (charakterystyce naturalnej można przypisać wartości: k = 0, k' = m + 1; charakterystyce dla „fikcyjnej” rezystancji Rm + 1 - wartości: k = m + 1, k' = 0). W chwili przejścia z sekcji k do sekcji k - 1 nie zmienia się prędkość ωk , więc i napięcie indukowane Ek się nie zmienia, a zatem k k R EU I − =2 , 1 1 − − = k k R EU I i 12 1 − == k k R R I Iε . Wynikają stąd następujące zależności: ac k kk RRR 1 εε == − , 1 −= kk rr ε , gdy k = 2, ... , m , (2.210) 2. Transformatory i maszyny elektryczne 121 oraz acRR 1 ε= , acRr )1(1 −= ε , (2.211) gdzie: Rac - całkowita rezystancja uzwojeń obwodu twornika, tzn. uzwojenia twornika oraz - jeśli są - uzwojeń biegunów komutacyjnych i uzwojenia kompen- sacyjnego. Gdy wartość Rac nie jest znana, to można ją wyznaczyć w przybliżeniu (wychodząc z założenia, że silnik ma największą sprawność przy obciążeniu bliskim znamionowemu), ze wzoru ( )n n n ac I U R η−= 1 5,0 , (2.212) gdzie: Un - napięcie znamionowe silnika bocznikowego, In - prąd znamionowy silnika bocznikowego, ηn - sprawność znamionowa silnika bocznikowego. Rys. 2.68. Rozruch rezystorowy silnika bocznikowego prądu stałego: a) schemat obwodu twornika z rozrusznikiem szeregowym, b) charakterystyki obciążeniowe, wykorzystywane przy rozruchu 3-stopniowym i dodatkowa charakterystyka dla „fikcyjnej” rezystancji Rm+1 = Rm + rm+1 , c) charakterystyki obciążeniowe o numerach: k i (k-l); k = 2, ... , m 122 Zasady energoelektryki Ponieważ 1 I U RR nmacm == ε i 2 1 1 I U RR nmacm == + + ε , więc 1 2 1 +== m ac n m ac n IR U IR Uε . (2.213) Przełączenia sekcji rozrusznika zachodzą przy prędkościach ( ) ( ) , , ... , 1' ; 1 , .... , ; 1 1 1 1 '0 )1( 0 1 0 2 0 mkmkmk R R U IR kkm k k n k k +−== −=−=      −=      −= −+−− − εωεωωωω (2.214) gdzie ω 0 - prędkość idealnego stanu jałowego. Stosując układy energoelektroniczne (przekształtniki tyrystorowe) można, oprócz regulacji prędkości w stanach ustalonych, uzyskać płynną regulację momentu i prądu silników podczas rozruchu i hamowania. Straty energii przy stosowaniu tych układów są wielokrotnie mniejsze niż w układach klasycznych (rezystorowych). W samej maszynie prądu stałego występują straty mocy w obwodzie twornika (obciąże- niowe), w uzwojeniu bocznikowym lub obcowzbudnym (wzbudzenia), w żelazie wirnika i mechaniczne. Schemat zastępczy pokazany na rys. 2.62 nie uwzględnia dwóch ostatnich. 2.10. SILNIKI KOMUTATOROWE JEDNOFAZOWE Spośród maszyn komutatorowych prądu przemiennego najczęściej stosowane są w praktyce dwa rodzaje silników jednofazowych: szeregowe i repulsyjne. Pod względem konstrukcyjnym różnią się one od silników prądu stałego wykonaniem stojana z blach (a nie z odlewu); w silnikach repulsyjnych można poza tym zmieniać położenie szczotek. Istotną sprawą jest indukowanie się, przy prądzie przemiennym, w uzwojeniu twornika zarówno napięć rotacji, jak i transformacji. Napięcie rotacji indukowane w zezwoju jest największe wtedy, gdy jego oś jest prostopadła do kierunku strumienia wzbudzającego; napięcie transformacji indukowane w zezwoju jest największe wtedy, gdy jego oś pokrywa się z kierunkiem strumienia wzbudzającego - zatem w silnikach komutatorowych największe napięcie transformacji występuje w zezwojach położonych w tzw. strefie neutralnej, co wpływa niekorzystnie na warunki komutacji. Strumień wzbudzający i prąd twornika w silniku komutatorowym jednofazowym zmieniają się sinusoidalnie. Jego moment obrotowy jest więc zmienny w czasie i przez moment elektromagnetyczny silnika rozumie się średnią wartość tego przebiegu czasowego. Moment elektromagnetyczny jest największy wtedy, gdy między przebiegami czasowymi strumienia wzbudzającego i prądu twornika nie występuje przesunięcie fazowe. Silnik jednofazowy szeregowy ma uzwojenie wzbudzające połączone szeregowo z uzwojeniem twornika - podobnie jak silnik szeregowy prądu stałego. Strumień główny i prąd twornika są więc praktycznie w fazie (niewielkie przesunięcie pochodzi od przepływu, wytwarzanego przez zezwoje zwierane przez szczotki), toteż moment silnika jest duży, co wyjaśniono na rysunku 2.69. Charakterystyki mechaniczne są podobne do charakterystyk występujących przy prądzie stałym (rys. 2.66b). 2. Transformatory i maszyny elektryczne 125 2.11. UKŁADY WIELOMASZYNOWE Postęp w wytwarzaniu elementów i konstrukcji układów energoelektronicznych wpływa ograniczająco na stosowanie elektrycznych układów wielomaszynowych. Zamiast przetwornic elektromaszynowych instaluje się obecnie przekształtniki diodowo-tyrystorowe. Wiele stosowanych dawniej wielomaszynowych układów napędowych zastępują z powodzeniem zespoły złożone z przekształtników tyrystorowych i silnika. Spośród tych elektrycznych układów wielomaszynowych, które do tej pory nie utraciły znaczenia, warto wymienić następujące: układ Leonarda (rys. 2.73), wał elektryczny (rys. 2.74), układ szeregowo połączonych silników szeregowych prądu stałego (rys. 2.75), laboratoryjne układy pracy zwrotnej (rys. 2.76). Układ Leonarda jest stosowany w napędach dźwignic, maszyn papierniczych, obrabiarek; wał elektryczny - w napędach mechanizmów jazdy dźwignic o dużych rozpiętościach (suwnice bramowe), urządzeń hydrotechnicznych (jazy, śluzy, mosty zwodzone), przenośników wielosilnikowych. Połączenie szeregowe silników szeregowych prądu stałego występuje w napędach osi wózków lokomotyw elektrycznych. Przednia oś wózka jest w czasie ruszania lokomotywy odciążona i dlatego, by zapobiec zerwaniu przyczepności kół z szynami jezdnymi, korzystnie jest obniżyć moment silnika napędzającego tę oś, co osiąga się przez osłabienie wzbudzenia. Rys. 2.73. Układ Leonarda: a) schemat podstawowy (możliwe różne sposoby zasilania i regulacji prądu uzwojeń wzbudzających), b) charakterystyki mechaniczne przy różnych prądach wzbudzających (linie przerywane - hamowanie prądnicowe); 1 - silnik przetwornicy, indukcyjny lub synchroniczny, 2 - prądnica przetwornicy, obcowzbudna, 3 - silnik napędowy, obcowzbudny (lub grupa silników pracujących w identycznych warunkach) Rys. 2.74. Układ pracy współbieżnej (wał elektryczny) z maszynami pomocniczymi indukcyjnymi: a) schemat, b) zależność maksymalnego momentu wyrównawczego maszyn pomocniczych od poślizgu (Mm, sm - moment maksymalny i poślizg krytyczny maszyn pomocniczych); 1 i 2 - główne silniki napędowe, klatkowe lub pierścieniowe, 3 i 4 - maszyny pomocnicze pierścieniowe 126 Zasady energoelektryki Rys. 2.75. Para silników szeregowych prądu stałego, w układzie elektrycznym szeregowym, z osłabianiem wzbudzenia silnika mniej obciążonego: a) schemat, b) charakterystyki mechaniczne silników przy pracy współbieżnej i równym oraz różnym obciążeniu (sem silnika z osłabionym wzbudzeniem jest mniejsza i jego charakterystyka leży niżej niż charakterystyka drugiego silnika) Rys. 2.76. Układ pracy zwrotnej do badania maszyn bocznikowych prądu stałego: a) schemat, b) kierunek przepływu energii w układzie; 1 - silnik napędzający prądnicę dodawczą, 2 - prądnica dodawcza, 3 i 4 - maszyny badane Za układy wielomaszynowe można też uważać układy napędowe z wieloma silnikami elektrycznymi, nie związanymi ze sobą elektrycznie, tylko - mechanicznie. Zagadnienia napędu elektrycznego maszyn roboczych i pojazdów są omawiane szczegółowo w ramach przedmiotów specjalistycznych.