Rodzaje silników prądu stałego

Silnik prądu stałego

 -silnik elektryczny zasilany prądem stałym służący do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną.Jako maszyna elektryczna prądu stałego może pracować zamiennie jako silnik lub prądnica. W tym drugim przypadku wirnik napędzany jest energią mechaniczną dostarczona z zewnątrz, a na zaciskach uzwojenia twornika odbierana jest wytworzona energia elektryczna.Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe, to znaczy takie, w których uzwojenie twornika zasilane jest prądem poprzez komutator. Jednak istnieje wiele silników prądu stałego które nie posiadają komutatora lub też komutacja przebiega na drodze elektronicznej.

Silnik prądu stałego

Budowa i zasada działania

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać.
Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego obracając się wokół osi. W wyniku swojej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zero a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

 

Budowa silnika prądu stałego

 Przekrój silnika prądu stałego

Rodzaje silników prądu stałego

*silnik szeregowy

*silnik bocznikowy

*silnik szeregowo-bocznikowy 

 

Rodzaje silników prądu zmiennego (Silniki synchroniczne)

Silnik synchroniczny to silnik, w którym prędkość wirowania wirnika jest synchroniczna z prędkością wirowania pola magnetycznego.

Budowa

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie stojana, wytwarzające kołowe pole wirujące. Różnice występują w wirnikach tych silników. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik wykonany jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek, z źródła prądu stałego lub przemiennego. Wirniki te wykonuje się w dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami jawnymi.

Każdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeniu bieguna Poprzez nadawanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom uzyskuje się odpowiedni rozkład indukcji na obwodzie wirnika.

Wirniki z biegunami jawnymi stosuje się zwykle w maszynach dużych mocy i ze względu na konstrukcję (znacznie ograniczona wytrzymałość mechaniczna na siły odśrodkowe). W maszynach osiągających niezbyt duże prędkości obrotowe. Najczęstsze zastosowania tej konstrukcji to silniki i wolnoobrotowe prądnice napędzane turbinami wodnymi(hydrogeneratory)

 

Czterobiegunowy wirnik jawny 

 Uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w wyfrezowanych w stalowym korpusie żłobkach i zabezpiecza się przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (około 2/3 obwodu).

Wirniki takie są droższe od jawnobiegunowych, ale ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną są stosowane w maszynach osiągających większe prędkości obrotowe. Konstrukcja ta znajduje zastosowanie np. w szybkoobrotowych prądnicach (turbogeneratorach) osiągających z reguły prędkość 3000 obr/min napędzanych turbinami parowymi lub wodnymi.

dwubiegunowy wirnik cylindryczny (o biegunach utajonych)

 Ostatnio jednak coraz częściej stosuje się maszyny z wzbudzeniem magnetoelektrycznym w których wirnik zamiast uzwojenia ma zamontowane magnesy trwałe.

 Specjalne magnesy wykonane z odpowiednich stopów metali zamontowane są na powierzchni wirnika. Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się relatywnie dużą wartość momentu obrotowego przy stosunkowo małym momencie bezwładności wirnika.

 czterobiegunowy wirnik z magnesami przyklejonymi promieniowo

 

Zasada działania

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirująca parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się juz pokrywać z osią stojana a więc siły działające między biegunami spowodują powstanie momentu mechanicznego, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym). Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Jeżeli jednak moment obciążenia będzie większy niż maksymalny moment elektromagnetyczny silnika (jeżeli kąt pomiędzy osią stojana i wirnika przekroczyłby 90°), wówczas maszyna wypadnie z synchronizmu i po pewnym czasie zatrzyma się.

 Rozruch
 Jedna z wad silnika synchronicznego jest fakt, że nie potrafi on samoczynnie wystartować z miejsca po  zasileniu uzwojeń stojana z sieci. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które  wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt dużą częstotliwość zmian  tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć z miejsca

 Wartość średnia momentu rozruchowego wirnika silnika synchronicznego jest równa zero.

Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedna z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędziłaby wirnik silnika synchronicznego. Rolę takiej maszyny mógłby pełnić dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego dla silników asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Silnik synchroniczny startując tak jak silnik asynchroniczny, osiąga prędkość zbliżoną do prędkości synchronicznej. Jeżeli po osiągnięciu takiej prędkości zasili się obwód wzbudzenia prądem stałym pozwoli to wirnikowi wejść w synchronizm i dalej poruszać się z prędkością synchroniczną.
 Obecnie najlepszym rozwiązanie służącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników) które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.

Rodzaje silników prądu zmiennego (Silniki asynchroniczne)

Silniki prądu zmiennego to maszyny przetwarzające energię elektryczną w energię mechaniczną. Ze względu na rodzaj prądu zasilającego dzielą się na silniki jedno- lub trójfazowe, natomiast ze względu na zasadę działania dzielą się na silniki indukcyjne (asynchroniczne), synchroniczne oraz komutatorowe.

Silnik asynchroniczny

Silniki asynchroniczne

Są to najczęściej wykorzystywane silniki. Składają się one z dwóch podstawowych części jakimi są stojan (nieruchoma część)  oraz wirnik (część ruchoma). Zmienny prąd wielofazowy w uzwojeniu stojana powoduje wytworzenie zmiennego pola magnetycznego wirującego wokół wirnika. Dzięki temu powstaje moment obrotowy, odpowiedzialny za ruch wirnika.

Rodzaje silników asynchroniczny

* Silnik klatkowy

                                                                         Budowa silnika klatkowego

                            Budowa wirnika silnika klatkowego

* Silnik pierścieniowy 

Budowa wirnika silnika klatkowego

Rozruch silników asynchronicznych

Rozruch silników asynchronicznych możemy przeprowadzić na kilka sposobów. Podstawowe metody rozruchu to:

* Rozruch bezpośredni

Rozruch silnika jest możliwy, jeżeli powstający w chwili rozruchu moment elektromagnetyczny jest większy niż moment obciążenia. Najprostszym sposobem dokonania rozruchu silnika indukcyjnego jest podłączenie uzwojeń stojana do 3-fazowego źródła zasilania (w przypadku silnika 3-fazowego), jest to tzw. rozruch bezpośredni. W tym przypadku pobierany prąd rozruchu jest wielokrotnie większy niż prąd znamionowy (do 8 razy), co powoduje nagrzewanie się uzwojeń a także może spowodować spadki napięcia sieci zasilającej. Wartość powstającego momentu elektromagnetycznego nie jest zbyt duża, dlatego, aby silnik mógł wystartować nie może być zbytnio obciążony. Ze względu na te ograniczenia rozruch bezpośredni stosuje się dla silników o małych mocach (do kilkunastu kW).

* Rozruch gwiazda-trójkąt

Połączenie w gwiazdę polega na połączeniu końców wszystkich trzech uzwojeń do jednego wspólnego punktu, a pozostałych trzech końców do kolejnych faz sieci zasilającej. W ten sposób każde z uzwojeń stojana podłączone jest jednym końcem do przewodu neutralnego N, a drugim do przewodu fazowego (L1, L2 lub L3). Na każdym z tych uzwojeń występuje zatem napięcie fazowe (czyli w naszych warunkach wynosi ono 230V). Zwykle nie stosuje się połączenie punktu wspólnego wszystkich uzwojeń z punktem neutralnym N ponieważ nie jest ono konieczne.

Połączenie w gwiazdę

Połączenie w trójkąt polega na połączeniu końca  uzwojenia danej fazy z początkami uzwojenia fazy następnej (punkt U2 łączony z V1, V2 z W1 a  W2 z U1). Połączone w ten sposób uzwojenia tworzą zamknięty obwód, a jego wygląd przypomina trójkąt. Punkty wspólne uzwojeń łączone są następnie do kolejnych faz sieci zasilającej. W tym połączeniu wcale nie wykorzystuje się punktu neutralnego. Przy połączeniu w trójkąt na każdym z uzwojeń panuje napięcie międzyfazowe (które w naszych warunkach wynosi 400V).

Połączenie w trójkąt

Przy połączeniu uzwojeń silnika w trójkąt, prąd pobierany przez silnik z sieci jest 3-krotnie większy niż prąd pobierany przy połączeniu w gwiazdę. Także moment elektromagnetyczny a więc i moc silnika w tym przypadku  są 3-krotnie większe. Stosując przełącznik gwiazda – trójkąt możemy wystartować silnik połączony w gwiazdę, przez co będzie mniejszy pobór prądu z sieci zasilającej, a następnie po osiągnięciu przez silnik odpowiedniej prędkości obrotowej przełączyć uzwojenia stojana w trójkąt, tak, aby silnik mógł zapewnić pożądaną przez nas moc. W starszych rozwiązaniach przełączenie zwykle dokonywane było ręcznie przez operator, obecnie stosuje się specjalizowane do tego celu układy styczników i przekaźników dokonujące automatycznego przełączenia po nastawionym wcześniej czasie.

* Rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika

Jak już wspomniano wcześniej, w przypadku silnika pierścieniowego w celach rozruchowych można stosować dodatkowe rezystory przyłączane do uzwojeń wirnika co  powoduje spadek prądu wirnika, a zatem również spadek prądu pobieranego z sieci. Wadą tego rozwiązania, podobnie jak w przypadku rozruchu gwiazda - trójkąt jest mniejszy moment rozruchowy silnika, poza tym jak już wspomniano wcześniej, ze względu na skomplikowana budowę i koszty utrzymania konstrukcja ta jest obecnie rzadko stosowana.

 *Zastosowanie “softstartu”

 Ostatnio coraz częściej, do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych stosuje się specjalizowane urządzenia, nazywane układami „soft - start” (miękkiego rozruchu), które mają za zadanie redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas rozruchu,  wpływających na żywotność silników i jakość ich pracy. Ich zasada działania opiera się na, płynnej regulacji napięcia podawanego na uzwojenia (lub jedno z uzwojeń) W roli elementów sterujących stosuje się najczęściej tyrystory. Zwykle urządzenia takie umożliwiają kontrole i możliwość nastawienia wielu parametrów takich jak czas rozruchu, wartość początkowego momentu rozruchowego,  kolejności faz i czy temperaturę przegrzania.