Szczotkowany silnik elektryczny prądu stałego

Szczotkowany silnik elektryczny prądu stałego to wewnętrznie komutowany silnik elektryczny przeznaczony do pracy ze źródła prądu stałego i wykorzystujący szczotkę elektryczną do kontaktu .

Silniki szczotkowe były pierwszym ważnym komercyjnie zastosowaniem energii elektrycznej do napędzania energii mechanicznej, a systemy dystrybucji prądu stałego były używane przez ponad 100 lat do napędzania silników w budynkach komercyjnych i przemysłowych. Szczotkowane silniki prądu stałego mogą zmieniać prędkość, zmieniając napięcie robocze lub siłę pola magnetycznego. W zależności od połączeń pola z zasilaniem, charakterystykę prędkości i momentu obrotowego silnika szczotkowego można zmieniać, aby zapewnić stałą prędkość lub prędkość odwrotnie proporcjonalną do obciążenia mechanicznego. Silniki szczotkowe są nadal używane w napędach elektrycznych, dźwigach, maszynach papierniczych i walcowniach stali. Ponieważ szczotki zużywają się i wymagają wymiany, bezszczotkowe silniki prądu stałego wykorzystujące urządzenia energoelektroniczne wyparły silniki szczotkowe z wielu zastosowań.

Prosty dwubiegunowy silnik prądu stałego

Poniższa grafika ilustruje prosty, dwubiegunowy, szczotkowany silnik prądu stałego.

Obroty silnika prądu stałego

Prosty silnik elektryczny prądu stałego. Gdy cewka jest zasilana, wokół twornika wytwarzane jest pole magnetyczne . Lewa strona twornika jest odpychana od lewego magnesu i przyciągana w prawo, powodując obrót.

Zwora nadal się obraca.

Gdy zwora zostanie wyrównana poziomo, moment obrotowy wynosi zero. W tym momencie komutator odwraca kierunek prądu płynącego przez cewkę, odwracając pole magnetyczne.

Następnie proces się powtarza.

Miniaturowe silniki elektryczne o różnych rozmiarach

Kiedy prąd przepływa przez cewkę nawiniętą wokół rdzenia z miękkiego żelaza umieszczonego wewnątrz zewnętrznego pola magnetycznego, strona bieguna dodatniego jest poddawana działaniu siły skierowanej do góry, podczas gdy druga strona jest poddawana działaniu siły skierowanej w dół. Zgodnie z regułą lewej ręki Fleminga , siły powodują obrót cewki, powodując jej obrót. Aby silnik obracał się w stałym kierunku, komutatory „prądu stałego” odwracają kierunek prądu co pół cyklu (w silniku dwubiegunowym), powodując w ten sposób dalsze obracanie się silnika w tym samym kierunku.

Problem z pokazanym powyżej silnikiem polega na tym, że gdy płaszczyzna cewki jest równoległa do pola magnetycznego — tj. gdy bieguny wirnika znajdują się pod kątem 90 stopni względem biegunów stojana — moment obrotowy wynosi zero. Na powyższych zdjęciach dzieje się tak, gdy rdzeń cewki jest ustawiony poziomo — pozycja, którą ma osiągnąć na przedostatnim zdjęciu po prawej stronie. Silnik nie byłby w stanie uruchomić się w tej pozycji. Jednak po uruchomieniu nadal obracałby się w tej pozycji według pędu.

Z tym prostym projektem masztu wiąże się drugi problem. W pozycji zerowego momentu obrotowego obie szczotki komutatora stykają się (mostkują) obie płyty komutatora, co powoduje zwarcie. Przewody zasilające są zwarte ze sobą przez płytki komutatora, a cewka jest również zwarta przez obie szczotki (cewka jest zwarta dwukrotnie, raz przez każdą szczotkę niezależnie). Zauważ, że ten problem jest niezależny od powyższego problemu z brakiem uruchamiania; nawet gdyby w tej pozycji w cewce płynął duży prąd, nadal występowałby zerowy moment obrotowy. Problem polega na tym, że to zwarcie bezużytecznie zużywa energię, nie wytwarzając żadnego ruchu (ani nawet żadnego prądu cewki). W niskoprądowej demonstracji zasilanej baterią to zwarcie nie jest ogólnie uważane za szkodliwe. Jeśli jednak silnik dwubiegunowy został zaprojektowany do rzeczywistej pracy z mocą wyjściową kilkuset watów, to zwarcie mogłoby spowodować poważne przegrzanie komutatora, uszkodzenie szczotek i potencjalne przyspawanie szczotek — jeśli były metalowe — do komutatora. Często używane szczotki węglowe nie spawają. W każdym razie takie zwarcie jest bardzo marnotrawstwem, szybko wyczerpuje baterie i jako minimum wymaga zaprojektowania komponentów zasilacza zgodnie z dużo wyższymi standardami niż byłoby to potrzebne do uruchomienia silnika bez zwarcia.

Wnętrze bardzo małego silnika prądu stałego, jakie można znaleźć w zabawce.

Prostym rozwiązaniem jest umieszczenie między płytkami komutatora szczeliny szerszej niż końce szczotek. Zwiększa to zakres zerowego momentu obrotowego pozycji kątowych, ale eliminuje problem zwarcia; jeśli silnik zostanie uruchomiony przez siłę zewnętrzną, będzie się obracał. Dzięki tej modyfikacji można go również skutecznie wyłączyć, po prostu przeciągając (zatrzymując) go w położeniu w zakresie kąta zerowego momentu obrotowego (tj. Komutatora bezdotykowego). Ten projekt jest czasami spotykany w domowych silnikach hobbystycznych, np. na targi naukowe, a takie projekty można znaleźć w niektórych opublikowanych książkach o projektach naukowych. Wyraźną wadą tego prostego rozwiązania jest to, że silnik przechodzi teraz znaczny łuk obrotu dwa razy na obrót, a moment obrotowy jest pulsacyjny. Może to działać w przypadku wentylatorów elektrycznych lub utrzymywania obracającego się koła zamachowego, ale istnieje wiele zastosowań, nawet tam, gdzie uruchamianie i zatrzymywanie nie są konieczne, dla których jest to całkowicie nieodpowiednie, na przykład napędzanie kabestanu transportu taśmy lub inne podobne przypadki, w których przyspieszanie i zwalnianie często i szybko jest wymogiem. Inną wadą jest to, że ponieważ cewki mają indukcyjność własną , płynący w nich prąd nie może nagle ustać. Prąd próbuje przeskoczyć szczelinę otwarcia między segmentem komutatora a szczotką, powodując wyładowanie łukowe.

Nawet w przypadku wentylatorów i kół zamachowych wyraźne słabości pozostające w tym projekcie — zwłaszcza to, że nie uruchamia się on sam ze wszystkich pozycji — sprawiają, że jest on niepraktyczny do użytku roboczego, zwłaszcza biorąc pod uwagę lepsze istniejące alternatywy. W przeciwieństwie do powyższego silnika demonstracyjnego, silniki prądu stałego są zwykle projektowane z więcej niż dwoma biegunami, mogą uruchamiać się z dowolnej pozycji i nie mają żadnej pozycji, w której prąd może płynąć bez wytwarzania energii elektromotorycznej przez pewną cewkę. Wiele popularnych małych szczotkowanych silników prądu stałego stosowanych w zabawkach i małych urządzeniach konsumenckich, najprostszych masowo produkowanych silnikach prądu stałego, jakie można znaleźć, ma tworniki trójbiegunowe. Szczotki mogą teraz mostkować dwa sąsiednie segmenty komutatora bez powodowania zwarcia. Te trójbiegunowe tworniki mają również tę zaletę, że prąd ze szczotek przepływa przez dwie cewki szeregowo lub tylko przez jedną cewkę. Począwszy od prądu w pojedynczej cewce o połowę wartości nominalnej (w wyniku przepływu przez dwie cewki szeregowo), wzrasta on do wartości nominalnej, a następnie spada do połowy tej wartości. Następnie sekwencja jest kontynuowana z prądem w odwrotnym kierunku. Skutkuje to bliższym krokowym przybliżeniem do idealnego sinusoidalnego prądu cewki, wytwarzając bardziej równomierny moment obrotowy niż w przypadku silnika dwubiegunowego, w którym prąd w każdej cewce jest bliższy fali prostokątnej. Ponieważ zmiany prądu są o połowę mniejsze niż w porównywalnym silniku dwubiegunowym, wyładowania łukowe na szczotkach są w konsekwencji mniejsze.

Jeśli wał silnika prądu stałego jest obracany przez siłę zewnętrzną, silnik będzie działał jak generator i wytwarzał siłę elektromotoryczną (EMF). Podczas normalnej pracy obracający się silnik wytwarza napięcie, znane jako przeciw-EMF (CEMF) lub wsteczne pole elektromagnetyczne, ponieważ przeciwstawia się ono napięciu przyłożonemu do silnika. Back EMF jest powodem, dla którego silnik podczas swobodnego biegu nie wydaje się mieć tak samo niskiej rezystancji elektrycznej jak drut zawarty w jego uzwojeniu. Jest to ta sama siła elektromotoryczna, która jest wytwarzana, gdy silnik jest używany jako generator (na przykład, gdy obciążenie elektryczne, takie jak żarówka, jest umieszczane na zaciskach silnika, a wał silnika jest napędzany zewnętrznym momentem obrotowym). Dlatego całkowity spadek napięcia na silniku składa się ze spadku napięcia CEMF i pasożytniczego spadku napięcia wynikającego z wewnętrznej rezystancji uzwojeń twornika. Prąd płynący przez silnik wyraża się następującym równaniem:

${\ Displaystyle I = {\ Frac {V _ {\ tekst {zastosowany}} -V _ {\ tekst {cemf}}} {R _ {\ tekst {armaturę}}}}}$

Moc mechaniczna wytwarzana przez silnik wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle P = ja \ cdot V _ {\ tekst {cemf}}}$

Gdy nieobciążony silnik prądu stałego obraca się, generuje on wsteczną siłę elektromotoryczną, która jest odporna na prąd dostarczany do silnika. Prąd płynący przez silnik spada wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, a wolno obracający się silnik ma bardzo mały prąd. Dopiero po przyłożeniu obciążenia do silnika, które spowalnia wirnik, pobór prądu przez silnik wzrasta.

Płaszczyzna komutacyjna

W dynamie płaszczyzna przechodząca przez środki obszarów styku, w której para szczotek styka się z komutatorem i jest równoległa do osi obrotu twornika, nazywana jest płaszczyzną komutacji . Na tym schemacie płaszczyzna komutacji jest pokazana tylko dla jednej ze szczotek, zakładając, że druga szczotka zetknęła się po drugiej stronie komutatora z promieniową symetrią, 180 stopni od pokazanej szczotki.

Kompensacja zniekształceń pola stojana

W prawdziwym dynamo pole nigdy nie jest idealnie jednorodne. Zamiast tego, gdy wirnik się obraca, indukuje efekty pola, które przeciągają i zniekształcają linie magnetyczne zewnętrznego nieobrotowego stojana.

Przesadny przykład zniekształcenia pola przez wirnik.

Opiłki żelaza pokazują zniekształcone pole w poprzek wirnika.

Im szybciej obraca się wirnik, tym większy stopień zniekształcenia pola. Ponieważ dynamo działa najskuteczniej, gdy pole wirnika jest ustawione pod kątem prostym do pola stojana, konieczne jest opóźnienie lub przyspieszenie pozycji szczotki, aby ustawić pole wirnika we właściwym położeniu, aby znajdowało się pod kątem prostym do zniekształconego pola.

Wyśrodkowane położenie płaszczyzny komutacji, jeśli nie wystąpiły efekty zniekształcenia pola.

Rzeczywiste położenie płaszczyzny komutacji w celu skompensowania zniekształceń pola.

Te efekty polowe są odwracane, gdy kierunek wirowania jest odwrócony. Dlatego trudno jest zbudować wydajne odwracalne komutowane dynamo, ponieważ dla uzyskania największego natężenia pola konieczne jest przesunięcie szczotek na przeciwną stronę normalnej płaszczyzny neutralnej.

Efekt można uznać za nieco podobny do przyspieszenia rozrządu w silniku spalinowym. Generalnie dynamo, które zostało zaprojektowane do pracy z określoną stałą prędkością, będzie miało szczotki na stałe zamocowane w celu wyrównania pola w celu uzyskania najwyższej wydajności przy tej prędkości.

Maszyny prądu stałego z uzwojonymi stojanami kompensują odkształcenia za pomocą komutujących uzwojeń pola i uzwojeń kompensacyjnych .

Warianty konstrukcji silnika

Silniki prądu stałego

Szczotkowe silniki prądu stałego są zbudowane z uzwojonych wirników i stojanów uzwojonych lub z magnesami trwałymi.

Stojany rany

• A, Shunt
• B, seria
• C, związek
• f, Cewka polowa

Cewki polowe tradycyjnie istniały w czterech podstawowych formatach: oddzielnie wzbudzane (sepex), szeregowo uzwojone, bocznikowo -uzwojeniowe oraz kombinacja dwóch ostatnich; rana złożona.

W silniku szeregowym cewki wzbudzenia są połączone elektrycznie szeregowo z cewkami twornika (poprzez szczotki). W silniku bocznikowym cewki wzbudzenia są połączone równolegle lub „bocznikowane” z cewkami twornika. W silniku z oddzielnym wzbudzeniem (sepex) cewki wzbudzenia są zasilane z niezależnego źródła, takiego jak silnik-generator , a zmiany prądu twornika nie mają wpływu na prąd wzbudzenia. System sepex był czasami używany w silnikach trakcyjnych prądu stałego w celu ułatwienia kontroli poślizgu kół .

Silniki z magnesami trwałymi

Typy z magnesami trwałymi mają pewne zalety w zakresie wydajności w porównaniu z typami prądu stałego, wzbudzonymi, synchronicznymi i stały się dominujące w zastosowaniach o ułamkowej mocy. Są mniejsze, lżejsze, bardziej wydajne i niezawodne niż inne jednostronnie zasilane maszyny elektryczne .

Pierwotnie wszystkie duże przemysłowe silniki prądu stałego wykorzystywały uzwojone magnesy polowe lub wirnikowe. Magnesy trwałe tradycyjnie były przydatne tylko w małych silnikach, ponieważ trudno było znaleźć materiał zdolny do utrzymania pola o dużej sile. Dopiero niedawno postęp w technologii materiałowej umożliwił stworzenie magnesów trwałych o dużej intensywności, takich jak magnesy neodymowe , umożliwiając opracowanie kompaktowych silników o dużej mocy bez dodatkowej objętości cewek polowych i środków wzbudzających. Ale ponieważ te wysokowydajne magnesy trwałe są coraz częściej stosowane w silnikach elektrycznych lub układach generatorów, pojawiają się inne problemy (patrz Generator synchroniczny z magnesami trwałymi ).

Silniki osiowe

Główny artykuł: silnik o strumieniu osiowym

Tradycyjnie pole było przykładane promieniowo — do i od osi obrotu silnika. Jednak w niektórych projektach pole przepływa wzdłuż osi silnika, a wirnik przecina linie pola podczas obracania się. Pozwala to na znacznie silniejsze pola magnetyczne, szczególnie w przypadku zastosowania układów halbacha . To z kolei daje moc silnikowi przy niższych prędkościach. Jednak skupiona gęstość strumienia nie może wzrosnąć w stosunku do ograniczonej resztkowej gęstości strumienia magnesu trwałego pomimo dużej koercji i podobnie jak we wszystkich maszynach elektrycznych, gęstość strumienia nasycenia rdzenia magnetycznego jest ograniczeniem projektowym.

Kontrola prędkości

Ogólnie rzecz biorąc, prędkość obrotowa silnika prądu stałego jest proporcjonalna do pola elektromagnetycznego w jego cewce (= napięcie przyłożone do niego minus napięcie utracone na jego rezystancji), a moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu. Kontrolę prędkości można osiągnąć poprzez zmienne zaczepy akumulatora, zmienne napięcie zasilania, rezystory lub elementy sterujące elektroniczne. Przykład symulacji można znaleźć tutaj i. Kierunek uzwojonego silnika prądu stałego można zmienić, odwracając połączenia pola lub twornika, ale nie oba. Zwykle odbywa się to za pomocą specjalnego zestawu styczników (styczników kierunkowych). Efektywne napięcie można zmieniać, wkładając rezystor szeregowy lub elektronicznie sterowane urządzenie przełączające wykonane z tyrystorów , tranzystorów lub dawniej rtęciowych prostowników łukowych .

Szeregowo-równoległy

Sterowanie szeregowo-równoległe było standardową metodą sterowania silnikami trakcyjnymi kolei przed pojawieniem się energoelektroniki . Lokomotywa elektryczna lub pociąg zwykle mają cztery silniki, które można pogrupować na trzy różne sposoby:

• Wszystkie cztery w szeregu (każdy silnik otrzymuje jedną czwartą napięcia sieciowego), najniższa prędkość
• Dwie równoległe grupy po dwie połączone szeregowo (każdy silnik otrzymuje połowę napięcia sieciowego)
• Wszystkie cztery równolegle (każdy silnik otrzymuje pełne napięcie sieciowe), najwyższa prędkość

Zapewniło to trzy prędkości jazdy przy minimalnych stratach oporu. Dodatkową kontrolę przy ruszaniu i przyspieszaniu zapewniały opory. System ten został zastąpiony elektronicznymi systemami sterowania.

Osłabienie pola

Prędkość silnika prądu stałego można zwiększyć przez osłabienie pola. Zmniejszenie natężenia pola odbywa się poprzez wstawienie rezystancji szeregowo z polem bocznikowym lub wstawienie rezystancji wokół połączonego szeregowo uzwojenia wzbudzenia, aby zmniejszyć prąd w uzwojeniu wzbudzenia. Kiedy pole jest osłabione, back-emf zmniejsza się, więc większy prąd przepływa przez uzwojenie twornika, co zwiększa prędkość. Osłabienia pola nie stosuje się samodzielnie, ale w połączeniu z innymi metodami, takimi jak sterowanie szeregowo-równoległe.

Siekacz

W obwodzie znanym jako chopper średnie napięcie przykładane do silnika zmienia się poprzez bardzo szybkie przełączanie napięcia zasilania. Ponieważ stosunek „włączenia” do „wyłączenia” zmienia się w celu zmiany średniego przyłożonego napięcia, zmienia się prędkość silnika. Procent czasu „włączenia” pomnożony przez napięcie zasilania daje średnie napięcie przyłożone do silnika. Dlatego przy zasilaniu 100 V i czasie „włączenia” 25% średnie napięcie na silniku wyniesie 25 V. W czasie „wyłączenia” indukcyjność twornika powoduje, że prąd płynie przez diodę zwaną „diodą zwrotną”. ", równolegle z silnikiem. W tym momencie cyklu prąd zasilania będzie równy zeru, a zatem średni prąd silnika będzie zawsze wyższy niż prąd zasilania, chyba że procent czasu „włączenia” wynosi 100%. Przy 100% czasie „włączenia” prąd zasilania i silnika są równe. Szybkie przełączanie marnuje mniej energii niż rezystory szeregowe. Ta metoda jest również nazywana modulacją szerokości impulsu (PWM) i często jest kontrolowana przez mikroprocesor. Filtr wyjściowy jest czasami instalowany w celu wygładzenia średniego napięcia przykładanego do silnika i zmniejszenia hałasu silnika.

Ponieważ silnik prądu stałego z uzwojeniem szeregowym rozwija najwyższy moment obrotowy przy niskiej prędkości, jest często używany w zastosowaniach trakcyjnych , takich jak lokomotywy elektryczne i tramwaje . Innym zastosowaniem są rozruszniki do silników benzynowych i małych silników Diesla. Silników szeregowych nie wolno nigdy używać w aplikacjach, w których napęd może ulec awarii (takich jak napędy pasowe). Gdy silnik przyspiesza, prąd twornika (a tym samym pola) maleje. Zmniejszenie pola powoduje, że silnik przyspiesza, aw skrajnych przypadkach może nawet ulec samozniszczeniu, chociaż jest to znacznie mniejszy problem w silnikach chłodzonych wentylatorem (z wentylatorami z własnym napędem). Może to stanowić problem w przypadku silników kolejowych w przypadku utraty przyczepności, ponieważ silniki, o ile nie zostaną szybko opanowane, mogą osiągać prędkości znacznie wyższe niż w normalnych warunkach. Może to nie tylko powodować problemy dla samych silników i przekładni, ale ze względu na różnicę prędkości między szynami a kołami może również spowodować poważne uszkodzenia szyn i bieżników kół, ponieważ szybko się nagrzewają i stygną. Osłabienie pola jest stosowane w niektórych elektronicznych elementach sterujących w celu zwiększenia maksymalnej prędkości pojazdu elektrycznego. Najprostsza forma wykorzystuje stycznik i rezystor osłabiający pole; sterowanie elektroniczne monitoruje prąd silnika i przełącza rezystor osłabiający pole w obwód, gdy prąd silnika spadnie poniżej ustawionej wartości (będzie to wtedy, gdy silnik osiągnie pełną prędkość projektową). Gdy rezystor znajdzie się w obwodzie, silnik zwiększy prędkość powyżej swojej normalnej prędkości przy napięciu znamionowym. Gdy prąd silnika wzrośnie, układ sterowania odłączy rezystor i udostępniony zostanie moment obrotowy przy niskiej prędkości.

Warda Leonarda

Sterowanie Ward Leonard jest zwykle używane do sterowania bocznikowym lub złożonym silnikiem prądu stałego i opracowywane jako metoda dostarczania silnika o regulowanej prędkości z zasilania prądem przemiennym, chociaż nie jest pozbawione zalet w schematach prądu stałego. Zasilanie prądem zmiennym służy do napędzania silnika prądu przemiennego, zwykle silnika indukcyjnego, który napędza generator prądu stałego lub dynamo . Wyjście prądu stałego z twornika jest bezpośrednio podłączone do twornika silnika prądu stałego (czasami, ale nie zawsze, o identycznej konstrukcji). Uzwojenia pola bocznikowego obu maszyn prądu stałego są niezależnie wzbudzane przez zmienne rezystory. Wyjątkowo dobrą kontrolę prędkości od zatrzymania do pełnej prędkości oraz stały moment obrotowy można uzyskać poprzez zmianę prądu wzbudzenia generatora i/lub silnika. Ta metoda sterowania była de facto metodą od jej rozwoju, aż do wyparcia jej przez układy tyrystorowe półprzewodnikowe . Znalazł zastosowanie w prawie każdym środowisku, w którym wymagana była dobra kontrola prędkości, od wind pasażerskich po przekładnię wyciągową dużych wyrobisk górniczych, a nawet maszyny do procesów przemysłowych i dźwigi elektryczne. Jego główną wadą było to, że do wdrożenia schematu potrzebne były trzy maszyny (pięć w bardzo dużych instalacjach, ponieważ maszyny prądu stałego były często powielane i sterowane przez tandemowy rezystor zmienny). W wielu zastosowaniach zespół silnik-prądnica często pozostawał włączony na stałe, aby uniknąć opóźnień, które w przeciwnym razie byłyby spowodowane uruchomieniem go zgodnie z wymaganiami. Chociaż elektroniczne (tyrystorowe) sterowniki zastąpiły większość małych i średnich systemów Warda-Leonarda, niektóre bardzo duże (tysiące koni mechanicznych) pozostają w użyciu. Prądy polowe są znacznie niższe niż prądy twornika, co pozwala średniej wielkości tyrystorowi sterować znacznie większym silnikiem, niż mógłby sterować bezpośrednio. Na przykład w jednej instalacji jednostka tyrystorowa 300 A kontroluje pole generatora. Prąd wyjściowy generatora przekracza 15 000 amperów, co byłoby zbyt drogie (i nieefektywne) do bezpośredniego sterowania tyrystorami.

Moment obrotowy i prędkość silnika prądu stałego

prędkości i momentu obrotowego silnika prądu stałego różnią się w zależności od trzech różnych źródeł magnesowania, oddzielnie wzbudzonego pola, pola samowzbudnego lub pola stałego, które są wykorzystywane selektywnie do sterowania silnikiem w zakresie obciążenia mechanicznego. Samowzbudne silniki polowe mogą być szeregowe, bocznikowe lub połączone z uzwojeniem twornika.

Podstawowe właściwości

Definiować

• E _b , siła przeciwelektromotoryczna ( V )
• I _a , prąd twornika ( A )
• k _b , stała równania licznika EMF
• k _n , stała równania prędkości
• k _T , stała równania momentu obrotowego
• n , częstotliwość twornika ( rpm )
• Rm _, rezystancja silnika ( Ω )
• T , moment obrotowy silnika ( Nm )
• V _m , napięcie wejściowe silnika (V)
• Φ , całkowity strumień maszyny ( Wb )
• Współczynnik Cartera ( k _{C ) jest parametrem często} używanym do oszacowania efektywnej podziałki żłobków w tworniku silnika z otwartymi (lub półzamkniętymi) żłobkami.

Równanie licznika EMF

Siła elektromotoryczna silnika prądu stałego jest proporcjonalna do iloczynu całkowitej siły strumienia maszyny i prędkości twornika:

mi _b = k _b Φ n

Równanie bilansu napięć

Napięcie wejściowe silnika prądu stałego musi pokonać przeciwną siłę elektromotoryczną, jak również spadek napięcia wytworzony przez prąd twornika na rezystancji silnika, to znaczy połączony opór szczotek, uzwojenia twornika i szeregowego uzwojenia pola, jeśli występuje:

V _m = mi _b + R _m ja _za

Równanie momentu obrotowego

Moment obrotowy silnika prądu stałego jest proporcjonalny do iloczynu prądu twornika i całkowitej siły strumienia maszyny:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} T & = {\ Frac {1} {2 \ pi}} k_ {b} I_ {a} \ Phi \ \&=k_{T}I_{a}\Phi \end{aligned}}}$

Gdzie

k _T = kb _{_} / 2π

Równanie prędkości

Od

n = mi _b / k _b Φ i

V _m = mi _b + R _m ja _za

mamy

$\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} n & = {\ Frac {V_ {m} -R_ {m} I_ {a }}{k_{b}\Phi }}\\&=k_{n}{\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{\Phi }}\end{wyrównane}}}$

Gdzie

k _n = 1 / k _b

Charakterystyka momentu i prędkości

Silnik z bocznikiem

Gdy wysokooporowe uzwojenie wzbudzenia silnika bocznikowego jest połączone równolegle ze zworą, Vm _, Rm _i Ř są stałe, tak że regulacja prędkości bez obciążenia do pełnego obciążenia rzadko przekracza 5%. Kontrolę prędkości uzyskuje się na trzy sposoby:

• Zmiana napięcia pola
• Osłabienie pola
• Zmienna rezystancja w obwodzie polowym.

Silnik z uzwojeniem szeregowym

Główny artykuł: silnik uniwersalny

Silnik szeregowy reaguje na zwiększone obciążenie zwalnianiem; prąd wzrasta, a moment obrotowy rośnie proporcjonalnie do kwadratu prądu, ponieważ ten sam prąd płynie zarówno w uzwojeniu twornika, jak i wzbudzenia. Jeśli silnik jest zablokowany, prąd jest ograniczony tylko przez całkowitą rezystancję uzwojeń, a moment obrotowy może być bardzo wysoki, ale istnieje niebezpieczeństwo przegrzania uzwojeń. Silniki szeregowe były szeroko stosowane jako silniki trakcyjne w transporcie szynowym wszelkiego rodzaju, ale są wycofywane na rzecz silników indukcyjnych AC zasilanych z falownika . Licznik EMF wspomaga rezystancję twornika w celu ograniczenia prądu przepływającego przez twornik. Kiedy zasilanie jest podawane do silnika po raz pierwszy, twornik się nie obraca, licznik EMF wynosi zero, a jedynym czynnikiem ograniczającym prąd twornika jest rezystancja twornika. Ponieważ spodziewany prąd płynący przez twornik jest bardzo duży, pojawia się potrzeba zastosowania dodatkowej rezystancji szeregowo ze zworą, aby ograniczyć prąd, dopóki obrót silnika nie będzie w stanie wytworzyć licznika EMF. W miarę narastania obrotów silnika rezystancja jest stopniowo odcinana.

Najbardziej godną uwagi cechą silnika prądu stałego z uzwojeniem szeregowym jest to, że jego prędkość jest prawie całkowicie zależna od momentu obrotowego wymaganego do napędzania obciążenia. To odpowiada dużym obciążeniom bezwładnościowym, ponieważ silnik przyspiesza od maksymalnego momentu obrotowego, a moment obrotowy zmniejsza się stopniowo wraz ze wzrostem prędkości.

Ponieważ prędkość silnika szeregowego może być niebezpiecznie wysoka, silniki szeregowe są często wyposażone w przekładnię lub bezpośrednio podłączone do obciążenia.

Silnik z magnesami trwałymi

Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi charakteryzuje się liniową zależnością między momentem utknięcia, gdy moment obrotowy jest maksymalny przy zatrzymanym wale, a prędkością bez obciążenia, przy braku przyłożonego momentu obrotowego wału, a maksymalną prędkością wyjściową. Istnieje kwadratowa zależność mocy między tymi dwoma punktami osi prędkości.

Ochrona

Aby przedłużyć żywotność silnika prądu stałego, stosuje się urządzenia zabezpieczające i sterowniki silnika , które chronią go przed uszkodzeniami mechanicznymi, nadmierną wilgocią, dużymi naprężeniami dielektrycznymi oraz wysoką temperaturą lub przeciążeniem termicznym. Te urządzenia zabezpieczające wykrywają warunki usterki silnika i albo aktywują alarm, aby powiadomić operatora, albo automatycznie odłączają zasilanie silnika, gdy wystąpi usterka. przekaźnikami termicznymi . Bimetalowe termiczne zabezpieczenia przeciążeniowe są osadzone w uzwojeniach silnika i wykonane z dwóch różnych metali. Są one zaprojektowane w taki sposób, że paski bimetaliczne wyginają się w przeciwnych kierunkach po osiągnięciu zadanej temperatury, aby otworzyć obwód sterujący i odłączyć silnik od zasilania. Grzałki to zewnętrzne termiczne zabezpieczenia przeciążeniowe, połączone szeregowo z uzwojeniami silnika i zamontowane w styczniku silnikowym . Podgrzewacze tygli lutowniczych topią się w stanie przeciążenia, co powoduje wyłączenie zasilania silnika w obwodzie sterowania silnika. Grzejniki bimetaliczne działają w taki sam sposób, jak wbudowane ochraniacze bimetaliczne. Bezpieczniki i wyłączniki automatyczne to zabezpieczenia nadprądowe lub przeciwzwarciowe . Przekaźniki ziemnozwarciowe zapewniają również ochronę nadprądową. Monitorują prąd elektryczny pomiędzy uzwojeniami silnika a masą układu uziemiającego . W generatorach silnikowych przekaźniki prądu wstecznego zapobiegają rozładowaniu akumulatora i napędzaniu generatora. Ponieważ utrata pola silnika prądu stałego może spowodować niebezpieczną ucieczkę lub nadmierną prędkość, przekaźniki utraty pola są połączone równolegle z polem silnika w celu wykrycia prądu pola. Gdy prąd wzbudzenia spadnie poniżej wartości zadanej, przekaźnik wyłączy zasilanie twornika silnika. Stan zablokowanego wirnika uniemożliwia przyspieszenie silnika po zainicjowaniu sekwencji rozruchu. Przekaźniki odległościowe chronią silniki przed usterkami związanymi z zablokowaniem wirnika. Zabezpieczenie silnika podnapięciowego jest zwykle wbudowane w sterowniki silnika lub rozruszniki. Ponadto silniki mogą być chronione przed przepięciami lub przepięciami za pomocą transformatorów izolujących , urządzeń do kondycjonowania mocy , MOV , ograniczników i filtrów harmonicznych. Warunki środowiskowe, takie jak kurz, wybuchowe opary, woda i wysokie temperatury otoczenia, mogą niekorzystnie wpływać na działanie silnika prądu stałego. Aby chronić silnik przed tymi warunkami środowiskowymi, National Electrical Manufacturers Association (NEMA) i International Electrotechnical Commission (IEC) opracowały znormalizowane projekty obudów silników oparte na ochronie środowiska przed zanieczyszczeniami. Na etapie projektowania można również zastosować nowoczesne oprogramowanie, takie jak Motor-CAD , które pomaga zwiększyć sprawność cieplną silnika.

Rozruszniki silników prądu stałego

Przeciw-emf wspomaga rezystancję twornika w celu ograniczenia prądu przepływającego przez twornik. Kiedy zasilanie jest podawane do silnika po raz pierwszy, zwora nie obraca się. W tym momencie przeciw-emf wynosi zero, a jedynym czynnikiem ograniczającym prąd twornika jest rezystancja twornika i indukcyjność. Zwykle rezystancja twornika silnika jest mniejsza niż 1 Ω; dlatego prąd płynący przez twornik byłby bardzo duży po przyłożeniu mocy. Prąd ten może powodować nadmierny spadek napięcia wpływający na inne urządzenia w obwodzie, a nawet wyzwalać urządzenia zabezpieczające przed przeciążeniem.

Dlatego powstaje potrzeba dodatkowego opornika szeregowo ze zworą, aby ograniczyć prąd, dopóki obrót silnika nie będzie w stanie wytworzyć przeciw-emf. W miarę narastania obrotów silnika rezystancja jest stopniowo odcinana.

Reostat z ręcznym uruchamianiem

1917 Ręczny rezystor rozruchowy silnika prądu stałego z funkcjami wyzwalania beznapięciowego i przeciążeniowego .

Kiedy po raz pierwszy opracowano technologię silników elektrycznych i silników prądu stałego, znaczna część sprzętu była stale obsługiwana przez operatora przeszkolonego w zakresie zarządzania systemami silnikowymi. Pierwsze systemy zarządzania silnikami były prawie całkowicie ręczne, z obsługą uruchamiania i zatrzymywania silników, czyszczenia sprzętu, naprawy wszelkich awarii mechanicznych i tak dalej.

Pierwsze rozruszniki silników prądu stałego były również całkowicie ręczne, jak pokazano na tym obrazku. Zwykle operator potrzebował około dziesięciu sekund, aby powoli przesuwać reostat przez styki, aby stopniowo zwiększać moc wejściową do prędkości roboczej. Były dwie różne klasy tych reostatów, jedna używana tylko do rozruchu, a druga do rozruchu i regulacji prędkości. Reostat rozruchowy był tańszy, ale miał mniejsze elementy rezystancyjne, które przepaliłyby się, gdyby wymagało to uruchomienia silnika ze stałą zmniejszoną prędkością.

Ten rozrusznik zawiera beznapięciową funkcję podtrzymywania magnetycznego, która powoduje, że opornik sprężynuje do pozycji wyłączonej w przypadku utraty zasilania, dzięki czemu silnik nie podejmuje później próby ponownego uruchomienia w pozycji pełnego napięcia. Posiada również nadprądowe , które wyłącza dźwignię w przypadku wykrycia nadmiernego prądu powyżej ustawionej wartości.

Rozrusznik za trzy punkty

Przychodzące przewody zasilające są nazywane L1 i L2. Jak sama nazwa wskazuje, są tylko trzy połączenia z rozrusznikiem, jedno do zasilania, jedno do twornika i jedno do pola. Połączenia z twornikiem nazywane są A1 i A2. Końce cewki pola (wzbudzenia) nazywane są F1 i F2. Aby kontrolować prędkość, reostat pola jest połączony szeregowo z polem bocznikowym. Jedna strona linki jest podłączona do ramienia rozrusznika. Ramię jest obciążone sprężyną, więc powróci do pozycji „Off”, jeśli nie zostanie przytrzymane w żadnej innej pozycji.

• Na pierwszym stopniu ramienia do pola bocznikowego przykładane jest pełne napięcie sieciowe. Ponieważ reostat pola jest zwykle ustawiony na minimalną rezystancję, prędkość silnika nie będzie nadmierna; dodatkowo silnik rozwinie duży moment rozruchowy.
• Rozrusznik łączy również elektromagnes szeregowo z polem bocznikowym. Utrzyma ramię w miejscu, gdy ramię zetknie się z magnesem.
• Tymczasem napięcie to jest przykładane do pola bocznikowego, a rezystancja początkowa ogranicza prąd do twornika.
• Gdy silnik nabiera prędkości, powstaje przeciw-emf; ramię jest przesuwane powoli do krótkiego.

Startujący za cztery punkty

Rozrusznik czteropunktowy eliminuje wadę rozrusznika trzypunktowego. Oprócz tych samych trzech punktów, które były używane z rozrusznikiem trzypunktowym, druga strona linii, L1, jest czwartym punktem przekazywanym rozrusznikowi, gdy ramię jest przesunięte z pozycji „Off”. Cewka magnesu trzymającego jest połączona w poprzek linii. Magnes trzymający i rezystory rozruchowe działają identycznie jak w rozruszniku trzypunktowym.

• Możliwość przypadkowego otwarcia obwodu pola jest dość odległa. Czteropunktowy rozrusznik zapewnia beznapięciową ochronę silnika. W przypadku awarii zasilania silnik zostaje odłączony od sieci.

Szacowanie parametrów i statystyk

• W kilku badaniach zaproponowano albo nieinteligentne estymatory, które zależą od modelu, takie jak rozszerzony filtr Kalmana (EKF) i obserwator Luenbergera, albo estymatory inteligentne, takie jak kaskadowa sieć neuronowa (CFNN) i quasi-Newton BFGS wsteczna propagacja.

Zobacz też

• Prąd przemienny
• Bezszczotkowy silnik elektryczny prądu stałego

Bibliografia

• Algier, PL (1949). „§7-277 do §7-287„ Silniki komutatorowe prądu przemiennego ”w rozdziale 7 - Generatory i silniki prądu przemiennego”. W Knowlton, AE (red.). Standardowy podręcznik dla inżynierów elektryków (wyd. 8). McGraw-Hill. s. 826–831.
• Hameyer, Kay (2001). „§5.2„ Równania podstawowe ”w sekcji 5 - Maszyna prądu stałego” . Maszyna elektryczna I: podstawy, konstrukcja, funkcja, działanie . RWTH Aachen University Instytut Maszyn Elektrycznych.
• Lynn, C. (1949). „§8-144 do §8-165„ Charakterystyka i regulacja silnika ”w rozdziale 8 - Generatory i silniki prądu stałego”. W Knowlton, AE (red.). Standardowy podręcznik dla inżynierów elektryków (wyd. 8). McGraw-Hill. s. 826–831.
• MIT CIPD (2009). „Zrozumienie charakterystyki silnika prądu stałego” . Projektowanie z silnikami prądu stałego . MIT, mech. Inżynieria, CIPD . Źródło 2008-12-11 .

Linki zewnętrzne

• Jak działają silniki elektryczne (pobrane z archiwum internetowego w dniu 2014/31/01)