Charakterystyka własności ruchowych maszyn prądu stałego.

Prądnica
Właściwości ruchowe prądnicy najczęściej określa się za pomocą charakterystyk, podających związki między wymienionymi wielkościami. Ze względu na niewielką zmienność prędkości silników napędowych można uznać, że prądnice pracują przy praktycznie stałej prędkości, dlatego charakterystyki są sporządzane przy n=const. Charakterystyki te to:
- charakterystyka biegu jałowego E=f(If) przy n=const; Ia=0
- charakterystyka obciążenia U=f(If) przy n=const; I=const
- charakterystyka zewnętrzna U=f(I) przy n=const; If=const
- charakterystyka regulacyjna If=f(I) przy n=const; U=const
Prądnice prądu stałego, ze względu na różne sposoby wzbudzenia, dzieli się na obcowzbudne i samowzbudne: bocznikowe. Szeregowo-bocznikowe i szeregowe.
Każda z tych prądnic ma inne właściwości ruchowe, a wiec ich charakterystyki różnią się nieco między sobą.
Charakterystyka identyczną dla wszystkich prądnic jest charakterystyka biegu jałowego. Podaje ona zależność napięcia U na zaciskach maszyny od prądu wzbudzenia If w stanie jałowym (I=0) przy stałej prędkości obrotowej (n=const)
Uo=Eo=f(If) przy I=0, n=const
Charakterystyka biegu jałowego jest szczególnym przypadkiem rodziny charakterystyk obciążenia. Przebieg jej odpowiada charakterystyce magnesowania F=f(Ir) obwodu magnetycznego maszyny, ponieważ
E=cBlv=c1F
Istotne znaczenie w pewnych przypadkach ma widoczne z krzywej biegu jałowego tzw. napięcie remanentu Esz, indukowane przez strumień pozostałości magnetycznej. Jeżeli maszyna jest zasilana prądem po raz pierwszy po wyprodukowaniu lub całkowitym rozmagnesowaniu, to napięcie remanentu jest równe zeru i charakterystyka wychodzi z początku układu współrzędnych. Zwykle jednak występuje strumień pozostałości magnetycznej i dlatego już przy prądzie równym zeru występuje napięcie remanentu Esz. Podobnie jak charakterystyka magnesowania, tak
i charakterystyka biegu jałowego, ma pętle histerezy, która zależnie od zmian prądu wzbudzenia przybiera kształt jak na rysunki nr 1. Napięcie remanentu wynosi 25% napięcia znamionowego i warunkuje ono działanie prądnicy samowzbudnej. Często zdarza się, że maszyna nie użytkowana przez dłuższy czas traci magnetyzm szczątkowy.



Prądnica obcowzbudna jest maszyną, w której obwód wzbudzenia jest zasilany z obcego źródła. Jeżeli prądnicę obciążymy prądem I, to napięcie mierzone na jej zaciskach U jest mniejsze od napięcia indukowanego o spadki napięć na rezystancji obwodu twornika Rac zgodnie z zależności:
U=E-RacIa
Gdyby nie było oddziaływania twornika, prądowi wzbudzenia If1 (rysunek nr 2) odpowiadałoby napięcie E01.



Jednak, na skutek zmniejszania strumienia, w maszynie bez uzwojenia kompensacyjnego występuje napięcie mniejsze E1. Zmniejszeniu napięcia indukowanego z wartości E01 do E1 odpowiada pozorne zmniejszenie prądu wzbudzenia o DIf. Napięcie U1 jest mniejsze od E1 o spadek napięcia DU=IRac, a więc – przy dokonanym wcześniej założeniu – dwie przyprostokątne trójkąta są proporcjonalne do prądu. Zatem dla różnych prądów wzbudzenia, lecz stałego prądu obciążenia I trójkąt charakterystyczny się nie zmienia. Przesuwając ten trójkąt równolegle wzdłuż charakterystyki magnesowania otrzymuje się krzywą U=f(If) dla I=const, czyli charakterystykę obciążenia.
Charakterystyki obciążenia wyznacza się dla różnych prądów obciążenia otrzymując całą rodzinę charakterystyk.
Jedna z najbardziej przydatnych w eksploatacji charakterystyk jest charakterystyka zewnętrzna U=f(I) przy n=const i If=const. Pokazuje ona jak zmienia się napięcie na zaciskach prądnicy przy zmianie jej obciążenia przy stałej prędkości obrotowej i stałym prądzie wzbudzenia. Charakterystykę tę można skonstruować na podstawie charakterystyki biegu jałowego i trójkąta charakterystycznego. Z przebiegu charakterystyki widać (rysunek nr 3),
że – przy przejściu ze stanu jałowego do stanu obciążenia – napięcie na zaciskach prądnicy maleje. Jest to zgodne z zależnością, U=E-RacI. Zmianę napięcia przy zmianie obciążenia od stanu jałowego do obciążenia znamionowego nazywa się zmiennościa napięcia du i określa się według wzoru:

Dla prądnic obcowzbudnych zmienność napięcia nie przekracza 510%.


Charakterystyki zewnętrzne można wyznaczyć dla różnych wartości prądu wzbudzenia i różnych prędkości. Znając je, można określić napięcie
i prąd obciążenia w dowolnym stanie pracy. Wartością charakterystyczną na tej charakterystyce jest prąd zwarciowy, który dla prądnic obcowzbudnych osiąga wartość 1520IN. Aby napięcie na zaciskach obciążonej prądnicy pozostawało stałe mimo zmian obciążenia, należy regulować prąd wzbudzenia.

Charakterystyka regulacyjna, czyli zależność If=f(I) przy U=const
i n=const pokazuje jak regulować prąd wzbudzenia przy zmianie obciążenia, aby napięcie pozostawało stałe. Charakterystykę tę można skonstruować na podstawie charakterystyki biegu jałowego i trójkąta charakterystycznego(rysunek nr 4).



Silnik.
Silniki prądu stałego charakteryzują się dobrymi własnościami ruchowymi, przy czym szczególnie korzystne są duże zakresy regulacji prędkości obrotowej i duży moment rozruchowy. Dzięki temu silniki te znajdują coraz szersze zastosowanie w układach napędowych, zwłaszcza od czasu rozpowszechniania się przekształtników tyrystorowych.
W zależności od sposobu połączeń uzwojenia wzbudzającego rozróżniamy silniki samowzbudne: bocznikowe, szeregowe i szeregowo-bocznikowe oraz silniki obcowzbudne. Każdy z nich charakteryzuje się innymi właściwościami ruchowymi.
Pracę silnika prądu stałego charakteryzują następujące wielkości:
U – napięcie zasilania,
M – moment obciążania,
I – prąd obciążenia,
N – prędkość obrotowa.
Właściwości ruchowe silników wszystkich typów można określić na podstawie następujących zależności:


W ustalonym stanie pracy, momentowi obciążenia Mh przeciwstawia się równy co do wielkości, lecz przeciwnie skierowany moment elektromagnetyczny M. Odpowiadają mu określone wartości prądu twornika Ia i strumienia F, przy czym wartość strumienia zależy od napięcia zasilania lub od prądu obciążenia. Znając prąd twornika Ia i napięcie zasilania U, można określić napięcie E, a na tej podstawie, przy znanej wartości strumienia, szukaną prędkość obrotową n.
Najistotniejsze właściwości ruchowe silników przedstawia się
w sposób wykreślany za pomocą charakterystyk:
N=f(I) lub n=f(M) przy U=const i Rf=const
zwanych charakterystykami mechanicznymi silnika prądu stałego, oraz:
M=f(I) przy U=const i Rf=const
zwanej charakterystyką momentu silnika prądu stałego.
Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego wyznacza się przy U=const i Rf=const. Jeżeli pominie się wpływ oddziaływania twornika to z zależność tej:

wynika, że jest to równanie prostej. A zatem charakterystyka n=f(I) przy U=const i Rf=const ma w przybliżeniu przebieg prostoliniowy (rysunek nr 5).
Zmiana prędkości obrotowej przy przejściu od biegu jałowego n0 do obciążenia znamionowego nN nazywa się zmiennością prędkości

Zmienność prędkości silnika bocznikowego wynosi 38%, a z uwzględnieniem oddziaływanie twornika 25%.


Charakterystyki o tak małej zmienności prędkości zalicza się do charakterystyk sztywnych i nazywa się charakterystykami bocznikowymi.
Z punktu widzenia napędu elektrycznego bardziej interesująca jest zależność prędkości obrotowej od momentu obciążenia, czyli charakterystyka n=f(M) przy U=const i Rf=const. Przebieg tej charakterystyki w przypadku silnika bocznikowego jest analogiczny do przebiegu zależności n=f(I).
W obwód twornika i obwód wzbudzenia często włącza się dodatkowe rezystancje. Analizując zależność:

stwierdzamy, że włączenie dodatkowej rezystancji Rar w obwód twornika powoduje pochylenie charakterystyki n=f(I), (rysunek nr 6).
Im większa rezystancja jest włączona w obwód twornika, tym większe jest nachylenie charakterystyki i większa zmienność prędkości. Mówi się, że charakterystyka traci sztywność.
Włączenie rezystancji dodatkowej w obwód wzbudzenia Rfr powoduje zmniejszenie prądu wzbudzenia i strumienia F, pociąga za sobą wzrost prędkości obrotowej, ale również zmianę prędkości idealnego biegu jałowego n0. Wpływ rezystancji w obwodzie wzbudzenia na przebieg charakterystyki mechanicznej przedstawia rysunek nr 7.

Charakterystyka M=f(I) przy U=const i Rf=const ma przebieg zbliżony do prostoliniowego. Przy pominięciu oddziaływania twornika można przyjąć, że strumień jest proporcjonalny do prądu, a więc wzór:

można zastąpić wzorem uproszczonym


Charakterystyki momentu silnika bocznikowego przedstawiono na rysunkach nr 8 i 9.