Silnik prądu stałego

Silnik prądu stałego został wynaleziony przed innymi typami maszyn, które przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. Chociaż silniki prądu przemiennego stały się ostatnio najbardziej popularne, istnieją aplikacje, w których nie ma alternatywy dla silników prądu stałego.

Silnik prądu stałego i przemiennego

Historia wynalazku

Silnik elektryczny Jacobiego.

Aby zrozumieć zasadę działania silników elektrycznych prądu stałego (silników prądu stałego), zwracamy się do historii ich powstania. Tak więc pierwszy eksperymentalny dowód na to, że energię elektryczną można przekształcić w energię mechaniczną, zademonstrował Michael Faraday. W 1821 r. przeprowadził eksperyment z przewodnikiem wpuszczonym do naczynia wypełnionego rtęcią, na dnie którego znajdował się magnes trwały. Po przyłożeniu prądu do przewodnika zaczął się on obracać wokół magnesu, demonstrując swoją reakcję na pole magnetyczne obecne w naczyniu. Eksperyment Faradaya nie znalazł praktycznego zastosowania, ale dowiódł możliwości tworzenia maszyn elektrycznych i dał początek rozwojowi elektromechaniki.

Pierwszy silnik elektryczny prądu stałego, który opierał się na zasadzie obrotu części ruchomej (wirnika), został stworzony przez rosyjskiego fizyka mechanicznego Borisa Semenovicha Jacobiego w 1834 roku. To urządzenie działało w następujący sposób:


Opisana zasada została zastosowana w silniku, który Jacobi zainstalował na łodzi z 12 pasażerami w 1839 roku. Statek poruszał się szarpiąc z prędkością 3 km/h pod prąd (według innych źródeł - 4,5 km/h), ale z powodzeniem przekroczył rzekę i wylądował na brzegu. Jako źródło zasilania zastosowano baterię z 320 ogniwami galwanicznymi, a ruch odbywał się za pomocą kół łopatkowych.

Dalsze badanie tego problemu doprowadziło naukowców do rozwiązania wielu pytań dotyczących tego, które źródła zasilania najlepiej wykorzystać, jak poprawić jego wydajność i zoptymalizować jego wymiary.

W 1886 roku Frank Julian Sprague po raz pierwszy zaprojektował silnik elektryczny na prąd stały, podobny konstrukcyjnie do tych używanych dzisiaj. Realizował zasadę samowzbudzenia i zasadę odwracalności maszyny elektrycznej. Do tego czasu wszystkie silniki tego typu przeszły na zasilanie z bardziej odpowiedniego źródła - generatora prądu stałego.

Zespół szczotkowo-zbieracza zapewnia połączenie elektryczne obwodu wirnika z obwodami znajdującymi się w nieruchomej części maszyny

Urządzenie i zasada działania

W nowoczesnych DPT stosuje się tę samą zasadę oddziaływania naładowanego przewodnika z polem magnetycznym. Wraz z udoskonalaniem technologii urządzenie jest uzupełniane tylko o niektóre elementy poprawiające wydajność. Na przykład, obecnie magnesy trwałe są używane tylko w silnikach małej mocy, ponieważ w dużych maszynach zajmowałyby zbyt dużo miejsca.

Podstawowa zasada

Pierwsze prototypy silników tego typu były zauważalnie prostsze od nowoczesnych urządzeń. Ich prymitywne urządzenie składało się tylko ze stojana złożonego z dwóch magnesów i twornika z uzwojeniami, do którego przyłożono prąd. Po zapoznaniu się z zasadą oddziaływania pól magnetycznych konstruktorzy wyznaczyli następujący algorytm pracy silnika:

  1. Zasilacz wytwarza pole elektromagnetyczne na uzwojeniach twornika.
  2. Bieguny pola elektromagnetycznego są odpychane od tych samych biegunów pola magnesu trwałego.
  3. Zwora wraz z wałem, na którym jest zamocowana, obraca się zgodnie z odpychającym polem uzwojenia.

Algorytm ten teoretycznie działał idealnie, ale w praktyce twórcy pierwszych silników stanęli przed konkretnymi problemami, które uniemożliwiały działanie maszyny:

  • Martwa pozycja, z której nie można uruchomić silnika - gdy bieguny są dokładnie zorientowane przed sobą.
  • Niemożność startu z powodu silnego oporu lub słabego odpychania kijów.
  • Wirnik zatrzymuje się po jednym obrocie. Wynika to z faktu, że po przejściu połowy koła przyciąganie magnesu nie przyspieszyło, ale spowolniło obrót wirnika.

Rozwiązanie pierwszego problemu znaleziono dość szybko - w tym celu zaproponowano użycie więcej niż dwóch magnesów. Później do urządzenia silnikowego włączono kilka uzwojeń i zespół kolektor-szczotka, który w pewnym momencie zasilał tylko jedną parę uzwojeń.

Układ zasilania prądem kolektor-szczotka rozwiązuje również problem hamowania wirnika - przełączanie biegunowości następuje do momentu, gdy obroty wirnika zaczynają zwalniać. Oznacza to, że podczas jednego obrotu silnika dochodzi do co najmniej dwóch odwróceń biegunowości.

Problem niskich prądów rozruchowych omówiono poniżej w osobnym rozdziale.

Projekt

Tak więc magnes trwały jest przymocowany do obudowy silnika, tworząc z nim stojan, wewnątrz którego znajduje się wirnik. Po doprowadzeniu mocy do uzwojenia twornika powstaje pole elektromagnetyczne, które oddziałuje z polem magnetycznym stojana, co prowadzi do obrotu wirnika, który jest sztywno zamontowany na wale. Aby przenieść prąd elektryczny ze źródła do twornika, silnik jest wyposażony w zespół kolektor-szczotka, składający się z:

  1. Kolektor. Jest to pierścień odbierający prąd składający się z kilku sekcji oddzielonych materiałem dielektrycznym, połączonych z uzwojeniami twornika i montowanych bezpośrednio na wale silnika.
  2. Pędzle grafitowe. Zamykają one obwód między kolektorem a źródłem prądu za pomocą szczotek, które są dociskane sprężynami dociskowymi do płytek stykowych kolektora.

Uzwojenia twornika są połączone jednym końcem ze sobą, a drugim końcem z sekcjami kolektora, tworząc w ten sposób obwód, którym prąd płynie w następujący sposób: szczotka wejściowa -> uzwojenie wirnika -> szczotka wyjściowa.

Podany schemat obwodu (ryc. 3) pokazuje zasadę działania prymitywnego silnika prądu stałego z kolektorem dwóch sekcji:

  1. W tym przykładzie rozważymy początkową pozycję wirnika, jak pokazano na schemacie. Tak więc po doprowadzeniu zasilania do dolnej szczotki, oznaczonej „+”, prąd przepływa przez uzwojenie i wytwarza wokół niego pole elektromagnetyczne.
  2. Zgodnie z zasadą świderka biegun północny kotwicy jest uformowany w lewej dolnej części, a biegun południowy w prawym górnym rogu. Znajdując się w pobliżu biegunów stojana o tej samej nazwie, zaczynają się odpychać, wprawiając w ten sposób wirnik w ruch, który trwa, dopóki przeciwne bieguny nie znajdą się w minimalnej odległości od siebie, to znaczy osiągną końcowe położenie (ryc. 1).
  3. Konstrukcja kolektora na tym etapie spowoduje odwrócenie polaryzacji na uzwojeniach twornika. W wyniku tego bieguny pól magnetycznych ponownie znajdą się w bliskiej odległości i zaczną się odpychać.
  4. Wirnik wykonuje pełny obrót, a kolektor ponownie odwraca polaryzację, kontynuując swój ruch.

Części silnika prądu stałego

Tutaj, jak już wspomniano, demonstrowana jest zasada działania prymitywnego prototypu. Prawdziwe silniki wykorzystują więcej niż dwa magnesy, a komutator składa się z większej liczby podkładek stykowych, co zapewnia płynny obrót.

W silnikach dużej mocy zastosowanie magnesów trwałych nie jest możliwe ze względu na ich duże rozmiary. Alternatywą dla nich jest system kilku przewodzących prętów, z których każdy ma własne uzwojenie połączone z szynami zasilającymi. Polacy o tej samej nazwie włączani są do sieci szeregowo. Na korpusie może znajdować się od 1 do 4 par biegunów, a ich liczba musi odpowiadać liczbie szczotek zbierających prąd na kolektorze.

Silniki elektryczne zaprojektowane do dużej mocy mają szereg zalet funkcjonalnych w stosunku do swoich „lżejszych” odpowiedników. Na przykład lokalny układ szczotek zbierających prąd obraca je pod pewnym kątem względem wału, aby skompensować hamowanie wału, zwane „reakcją twornika”.

Prądy rozruchowe

Stopniowe wyposażanie wirnika silnika w dodatkowe elementy, które zapewniają jego nieprzerwaną pracę i wykluczają hamowanie sektorowe, pojawia się problem jego rozruchu. Ale wszystko to zwiększa wagę wirnika - biorąc pod uwagę opór wału, trudniej jest go wypchnąć z jego miejsca. Pierwszym rozwiązaniem tego problemu, które przychodzi na myśl, może być zwiększenie prądu dostarczanego na starcie, ale może to prowadzić do przykrych konsekwencji:

  • wyłącznik linii nie wytrzyma prądu i wyłączy się;
  • druty nawojowe spalą się z przeciążenia;
  • sektory przełączające na kolektorze będą spawane przed przegrzaniem.

Dlatego taką decyzję można nazwać raczej ryzykownym półśrodkiem.

Ogólnie rzecz biorąc, problem ten jest główną wadą silników prądu stałego, ale obejmuje ich główną zaletę, dzięki której są one niezbędne w niektórych obszarach. Ta zaleta polega na bezpośrednim przeniesieniu momentu obrotowego zaraz po uruchomieniu - wał (jeśli zacznie się poruszać) będzie się kręcić przy każdym obciążeniu. Silniki prądu przemiennego nie są do tego zdolne.

Jak dotąd ten problem nie został całkowicie rozwiązany. Do tej pory do uruchamiania takich silników stosuje się automatyczny rozrusznik, którego zasada działania jest podobna do samochodowej skrzyni biegów:

  1. Po pierwsze, prąd stopniowo wzrasta do wartości wyjściowej.
  2. Po „przesunięciu” z miejsca aktualna wartość gwałtownie spada i ponownie płynnie rośnie „dostosowując obroty wału”.
  3. Po wzroście do wartości granicznej aktualna siła ponownie spada i „dopasowuje się”.

Cykl ten powtarzany jest 3-5 razy (rys. 4) i rozwiązuje potrzebę uruchomienia silnika bez wystąpienia krytycznych obciążeń w sieci. Właściwie nadal nie ma „miękkiego” startu, ale sprzęt pracuje bezpiecznie, a główna zaleta silnika prądu stałego – moment obrotowy – jest zachowana.

Schematy połączeń

Podłączenie silnika prądu stałego jest nieco trudniejsze niż w przypadku silników o specyfikacji AC.

Silniki dużej i średniej mocy mają z reguły specjalne uzwojenie polowe (OB) i styki zwory umieszczone w skrzynce zaciskowej. Najczęściej napięcie wyjściowe źródła jest przykładane do twornika, a prąd z reguły regulowany przez reostat jest przykładany do OB. Prędkość obrotowa silnika zależy bezpośrednio od natężenia prądu przyłożonego do uzwojenia wzbudzenia.

Istnieją trzy główne schematy włączania twornika i uzwojenia wzbudzenia silników prądu stałego:

  1. Wzbudzenie szeregowe jest stosowane w silnikach wymagających dużego prądu na starcie (pojazdy elektryczne, sprzęt do wypożyczenia itp.). Ten schemat zapewnia szeregowe połączenie OF i twornika ze źródłem. Po przyłożeniu napięcia prądy o tej samej wielkości przechodzą przez uzwojenia twornika i OB.Należy pamiętać, że zmniejszenie obciążenia wału nawet o jedną czwartą przy wzbudzeniu sekwencyjnym doprowadzi do gwałtownego wzrostu prędkości, co może prowadzić do awaria silnika, dlatego obwód ten jest używany w warunkach stałego obciążenia.
  2. Wzbudzenie równoległe stosowane jest w silnikach zapewniających pracę obrabiarek, wentylatorów i innych urządzeń, które nie wywierają dużego obciążenia na wał w momencie rozruchu. W tym obwodzie niezależne uzwojenie służy do wzbudzenia OF, który jest najczęściej regulowany przez reostat.
  3. Niezależne wzbudzenie jest bardzo podobne do wzbudzenia równoległego, ale w tym przypadku niezależne źródło jest używane do zasilania OB, co eliminuje pojawienie się połączenia elektrycznego między zworą a uzwojeniem wzbudzenia.

W nowoczesnych silnikach elektrycznych prądu stałego obwody mieszane mogą być stosowane w oparciu o trzy opisane.

Regulacja prędkości obrotowej

Sposób regulacji prędkości DPT zależy od schematu jego połączenia:

  1. W silnikach ze wzbudzeniem równoległym spadek prędkości w stosunku do wartości nominalnej można osiągnąć poprzez zmianę napięcia twornika, a wzrost poprzez osłabienie przepływu wzbudzenia. Aby zwiększyć prędkość (nie więcej niż 4 razy w stosunku do wartości nominalnej), do obwodu OB dodaje się reostat.
  2. Przy wzbudzeniu szeregowym regulacja jest łatwo przeprowadzana przez zmienną rezystancję w obwodzie twornika. To prawda, że ​​ta metoda nadaje się tylko do zmniejszania prędkości i tylko w proporcjach 1:3 lub 1:2 (dodatkowo prowadzi to do dużych strat w reostacie). Wzrost odbywa się za pomocą reostatu regulacyjnego w obwodzie OB.

Obwody te są rzadko używane w nowoczesnym sprzęcie high-tech, ponieważ mają wąski zakres regulacji i inne wady. Obecnie coraz częściej do tych celów tworzone są elektroniczne obwody sterujące.

Cofanie

Aby odwrócić (odwrócić) obroty silnika prądu stałego, należy:

  • ze wzbudzeniem szeregowym - wystarczy zmienić polaryzację styków wejściowych;
  • z mieszanym i równoległym wzbudzeniem - konieczna jest zmiana kierunku prądu w uzwojeniu twornika; pęknięcie OF może prowadzić do krytycznego wzrostu wstrzykiwanej siły elektromotorycznej i przebicia izolacji przewodu.

Szereg zastosowań

Jak już zrozumiałeś, stosowanie silników prądu stałego jest wskazane w warunkach, w których trwałe nieprzerwane połączenie z siecią nie jest możliwe. Dobrym przykładem jest tutaj rozrusznik samochodowy, który wypycha silnik spalinowy „z miejsca”, czy zabawki dla dzieci z silnikiem. W takich przypadkach do uruchomienia silnika używane są akumulatory. Do celów przemysłowych DPT stosuje się w walcowniach.

Głównym obszarem zastosowania DPT jest transport elektryczny. Parowce, lokomotywy elektryczne, tramwaje, trolejbusy i inne podobne mają bardzo duże opory rozruchowe, które można pokonać tylko za pomocą silników prądu stałego o miękkich właściwościach i szerokich granicach regulacji obrotów. Biorąc pod uwagę szybki rozwój i popularyzację technologii transportu środowiskowego, zakres DPT tylko się zwiększa.

Najprostszy montaż szczotko-zbieracza

Zalety i wady

Podsumowując wszystkie powyższe, można opisać zalety i wady charakterystyczne dla silników prądu stałego w porównaniu z ich odpowiednikami przeznaczonymi do pracy na prąd przemienny.

Główne zalety:

  • DCT są niezbędne w sytuacjach, w których potrzebny jest silny moment rozruchowy;
  • prędkość obrotowa twornika jest łatwo regulowana;
  • Silnik prądu stałego jest uniwersalną maszyną elektryczną, co oznacza, że ​​może być używany jako generator.

Główne wady:

  • DPT mają wysoki koszt produkcji;
  • zastosowanie zespołu szczotko-zbieracza prowadzi do konieczności częstej konserwacji i napraw;
  • Do działania wymaga zasilacza prądu stałego lub prostowników.

Silniki elektryczne prądu stałego przegrywają oczywiście ze swoimi „zmiennymi” odpowiednikami pod względem kosztów i niezawodności, jednak są używane i będą używane, ponieważ zalety ich stosowania w pewnych obszarach kategorycznie przekreślają wszystkie wady.

Polecamy lekturę