Prądnice prądu stałego

Urządzenie elektryczne, które jest napędzane jest w stanie działać jako prądnica. Po wprowadzeniu w ruch wirnika urządzenia i zapewnieniu warunków wzbudzenia, urządzenie da się traktować jako elektromechaniczny przetwornik energii mechanicznej w elektryczną. Dla wszystkich prądnic prądu stałego trzeba zdefiniować następujące parametry:

  • prędkość obrotową n
  • prąd wzbudzenia Iw
  • prąd obciążenia I
  • napięcie obwodu twornika Ut

Prądnice bardzo często działają ze stałą prędkością, w związku z tym główne charakterystyki oraz analizy stanów urządzeń pokazane są przy założeniu n=const. Do zdefiniowania głównych cech urządzenia można posłużyć się 3 typami charakterystyk: obciążenia, zewnętrzna, regulacji. Ze względu na konstrukcję i cechy dynamiczne prądnice prądu stałego rozpatruje się je ze względu na metody połączenia uzwojenia wzbudzenia oraz uzwojenia twornika. Wyróżniamy prądnice: obcowzbudne, szeregowe, bocznikowe oraz szeregowo-bocznikowe. Metody rysowania schematów urządzeń prądu stałego i oznakowywania początków oraz końców uzwojeń są bardzo dobrze definiowane przez polskie normy. Założono, iż uzwojenia wzbudzenia - obce, szeregowe oraz bocznikowe - trzeba rysować w osi prostopadłej do osi szczotek, za to pozostałe uzwojenia np.: pomocnicze, komutacyjne czy kompensacyjne - w takiej samej osi, co szczotki.

Zwrot napięcia na zaciskach prądnicy jest uzależniony od kierunku wirowania oraz orientacji pola magnetycznego w urządzeniu. Zwyczajowo zakłada się, iż jeśli wirnik wiruje prawoskrętnie to prąd w obwodzie twornika ma kierunek od B do A, natomiast o w obwodzie wzbudzenia od C do D.

Praca równoległa prądnic prądu stałego

Prądnice prądu stałego są w stanie działać równolegle albo sieci. Głównym warunkiem prawidłowej pracy jest zachowanie tej samej biegunowości na zaciskach każdej z maszyn. Przy przyłączeniu nowej prądnicy trzeba zachować warunki zgodnej biegunowości oraz równych poziomów napięć. Jeśli przyłączając, do działającej już prądnicy kolejną, nie chcemy za dużego oraz gwałtownego wzrostu prądu wyrównawczego i wahań napięcia trzeba, na prądnicy biegnącej jałowo nastawić napięcie równe, co do wartości napięciu prądnicy już działającej. Wartość napięcia reguluję się przez zmianę prądu wzbudzenia. Po dokładnym włączeniu prądnicy trzeba powiększyć prąd wzbudzenia, tak, by przejęła on na siebie część obciążenia. Jeśli prąd wzbudzenia 1 z prądnic będzie za mały może ona zacząć działać jak silnik. Bardzo wrażliwe są na to prądnice szeregowo-bocznikowe. By nie doprowadzić do takiej sytuacji można wykorzystać od razu połączenie elektryczne zacisków tworników przez wykorzystanie dodatkowego przewodu wyrównawczego.

Jeśli zajdzie konieczność wyłączenia prądnicy, trzeba zmniejszyć w niej prąd wzbudzenia, zwiększając równocześnie go w pozostałych prądnicach, tak, by żądane urządzenie działało na biegu jałowym. Wyłączenie tego urządzenia nie powinno spowodować niestabilnych zachowań sieci.

Typy prądnic prądu stałego

Prądnica bocznikowa

Prądnica bocznikowa jest to prądnica samo wzbudna. Prądnica będzie działać dobrze, jeśli wirnik prądnicy zostanie wprawiony w ruch i zostaną zachowane warunki samowzbudzenia. Prądnice a się obciążać dopiero po zakończeniu procesu samowzbudzenia. W bocznikowej prądnicy prądu stałego tak samo jak w bocznikowym silniku, uzwojenie twornika jest połączone równolegle z uzwojeniem wzbudzenia. Podczas stabilnej pracy urządzenia, prąd twornika It rozpływa się na prąd obciążenia I i prąd wzbudzenia Iw.

It = Iw + I

Gdy porównamy charakterystyki zewnętrzne prądnicy bocznikowej oraz obcowzbudnej, a się zauważyć, iż napięcie prądnicy bocznikowej będzie malało szybko, natomiast największy prąd, jakim jesteśmy w stanie obciążyć urządzenie jest trochę większy niż znamionowy. Dzieje się tak dlatego, iż razem ze spadkiem napięcia w obwodzie twornika, prąd wzbudzenia oraz napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia będą maleć, a co za tym idzie występujący strumień również będzie maleć. Zmienność napięcia zdefiniowana jest w taki o to sposób:

δU% = 100 * (U0 - Un) / Un

Gdzie: δU% - procentowa zmienność napięcia, U0 - napięcie biegu jałowego, Un - napięcie znamionowe.

Znajomość charakterystyki regulacyjnej Iw = f (I), daje możliwość na otrzymanie stałej wartości napięcia na zaciskach urzadzenia przy zmianie prądu obciążenia.

Zaletą prądnicy bocznikowej jest stosunkowo niewielki prąd zwarcia.

Prądnica obcowzbudna

Prądnice obcowzbudną nazywa się urządzenie prądu stałego, którego uzwojenie wzbudzenia zasilane jest z zewnętrznego źródła albo wyposażone jest w magnesy trwałe. Prąd wzbudzenia prądnicy obcowzbudnej nie jest uzależniony od prądu twornika. Wartość prądu w uzwojeniu wzbudzenia musi być sprawdzana przez regulator wzbudzenia. Jako regulator można wykorzystać specjalnie budowany opornik o zmiennej wartości rezystancji albo układ przekształtnikowy. Szybka zmiana prądu w obwodzie wzbudzenia, jest spowodowana np. rozwarciem zestyków spowoduje zaindukowanie się siły elektromotorycznej, której za duża wartość jest w stanie być groźna dla urządzenia, może doprowadzić do zniszczenia izolacji.

Podstawę przy definiowaniu cech prądnicy jest charakterystyka biegu jałowego U0=f(Iw), której forma jest zbliżona do charakterystyk magnesowania ferromagnetyków.

W czasie wirowania twornika z prędkością n strumień wyprodukowany w uzwojeniu wzbudzenia Φ przenika uzwojenie twornika indukując w nim siłe elektromotoryczną E = k Φ n, gdzie k - stała konstrukcyjna urządzenia. Napięcie na zaciskach twornika uzależnione jest od wartości indukowanej w nim siły i prądu twornika. Gdy będzie rosło obciążenie będzie zwiększał się wpływ oddziaływania twornika i wartość spadku napięcia na rezystancji własnej uzwojeń twornika oraz przewodów doprowadzeń. W trakcie stabilnej pracy, na zaciskach prądnicy pojawi się napięcie:

U = E - It Rt

Gdzie: U - wartość napięcia na zaciskach maszyny, E - siła elektromotoryczna zaindukowana w tworniku, It - prąd twornika, Rt - całkowita rezystancja obwodu twornika.

Zmienność napięcia prądnicy obcowzbudnej definiuje się w następujący sposób:

ΔUn = (E - U) / U

Własnością prądnic obcowzbudnych jest stosunkowo ogromne wartość prądu zwarcia, która jest ograniczana jedynie rezystancją obwodu twornika czyli rezystancją uzwojeń twornika, rezystancją uzwojeń dodatkowych połączonych szeregowo z twornikiem, rezystancją doprowadzeń oraz rezystancją przejścia szczotka komutator.

Jako, że siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do wartości prędkości obrotowej, prądnice obcowzbudne są bardzo często stosowane jako przetwornik prędkości obrotowej w sygnał elektryczny.

Prądnica szeregowa

W prądnicy szeregowej prądu stałego obwód twornika jest łączony szeregowo z obwodem wzbudzenia. W rezultacie prąd w urządzeniu jest w stanie płynąc dopiero, kiedy podłączone obciążenie oraz obwód będą zamknięte. Rezystancja odbiornika ,musi być w taki sposób dobrana, by spełnione były wszelkie warunki samowzbudzenia. Prąd twornika jest równocześnie prądem wzbudzenia oraz obciążenia:

It = Iw = I

Ponieważ prąd wzbudzenia uzależniony jest od obciążenia, strumień magnesujący ulega zmianie razem ze zmianą obciążenia. Napięcie na zaciskach urządzenia posiada taką o to wartość:

U = E - (Rt + Rw) - ΔUsz

Gdzie: E = k Φ n - siła elektromotoryczna indukowana w tworniku, Rt- rezystancja twornika oraz uzwojeń pomocniczych, Rw - rezystancja uzwojenia wzbudzenia, ΔUsz - spadek napięcia na przejściu szczotki - komutator.

Przy niewielkim obciążeniu napięcie na zaciskach urządzenia jest stosunkowo małe. Razem z wzrostem obciążenia napięcie również będzie rosło. Gdy uzyska wartość znamionową, przy dalszym wzroście obciążenia, napięcia będzie malało, gdyż będzie zwiększał się spadek napięcia na elementach obwodu i zwieszać się będzie się wpływ oddziaływania twornika.

Ze względu na złożone warunki samowzbudzenia oraz trudności przy utrzymaniu stałej wartości napięcia na zaciskach urządzenia, prądnica szeregowa nie posiada większego wykorzystania oraz używanie jej jest bardzo ograniczone.

Prądnica szeregowo - bocznikowa

Prądnica szeregowo-bocznikowa wiąże zalety prądnicy bocznikowej oraz szeregowej. Podczas wzbudzenia oraz stabilnej pracy główny wpływ na strumień magnesujący posiada uzwojenie bocznikowe. Dzięki jego wykorzystaniu - tak samo jak w prądnicy bocznikowej - ewentualne jest ustawienie napięcia biegu jałowego i płynną regulacje napięcia na zaciskach obciążonego urządzenia. Uzwojenie szeregowe wpływa na zwiększenie się przepływu wzbudzenia wraz ze wzrostem obciążenia. Wypadkowy strumień wzbudzenia jest sumą strumieni obu uzwojeń:

Φw = Λd ( Θwb +/- Θws)

Gdzie: Λd - przewodność obwodu magnetycznego w osi d - prostopadłej do osi szczotek, Θwb - przepływ uzwojenia bocznikowego, Θws - przepływ uzwojenia szeregowego. Znak +/- uzależniony jest od tego czy przepływy z obu uzwojeń posiadają zgodny czy przeciwny zwrot. Jeżeli chodzi o przepływy godne zmienność napięcia może wynosić 0 albo nawet mieć wartość ujemną w porównaniu z zmiennością napięcia w prądnicy bocznikowej, kiedy przepływy są przeciwne zmienność napięcia jest o wiele większa.

Napięcie oraz prąd na zaciskach urządzenia ma taka o to wartość:

U = E - (Rws + Rp + Rt)It - ΔUsz

It = I + Iwb

Gdzie: U - napięcie na zaciskach maszyny, E - wartość indukowanej siły elektromotorycznej, Rws - rezystancja szeregowego uzwojenia wzbudzenia,Rwb - rezystancja bocznikowego uzwojenia wzbudzenia, Rp - rezystancja uzwojeń dodatkowych i doprowadzeń w obwodzie twornika, It - prąd twornika, Iwb - prąd w bocznikowym uzwojeniu wzbudzenia, I - prąd obciążenia.

Warunki samowzbudzenia

Warunek pracy prądnicy to wirowanie twornika urządzenia i występowanie strumienia magnetycznego wyprodukowanego w uzwojeniu wzbudzenia. W prądnicach obcowzbudnych do uzwojenie wzbudzenia przyłożone jest napięcie z niezależnego źródła. W prądnicach samowzbudnych wzbudzenie uzależnione jest od występującego magnetyzmu szczątkowego. W urządzeniu szeregowym prąd twornika jest równocześnie prądem wzbudzenia:

I=It=Iw,

Natomiast w urządzeniu bocznikowym cześć prądu wyprodukowanego przeznaczona jest na prąd magnesujący

I=It-Iw

Gdzie; I - prąd obciążenia, It - prąd twornika, Iw - prąd wzbudzenia.

Koniecznym warunkiem wzbudzenia prądnicy jest:

  • występowanie magnetyzmu szczątkowego,
  • zapewnienie takiego połączenia układu, by strumień szczątkowy był wzmacniany przez pojawiający się strumień magnetyczny wyprodukowany w uzwojeniu wzbudzenia,
  • zapewnienie odpowiedniej wartości rezystancji wzbudzenia,
  • pojawianie się ogromnej wartości siły elektromotorycznej, występowanie możliwości nie wzbudzenia się urządzenia przy za małej prędkości obrotowej,
  • wirnik musi wirować z szybkością większą aniżeli minimalna.

W urządzeniu, które choć raz było wzbudzone występuje szczątkowy strumień magnetyczny. W trakcie długiego postoju jego wartość będzie malała. Po nadaniu wirnikowi szybkości obrotowej pod jego wpływem w tworniku indukuje się szczątkowa siła elektromotoryczna. Jeśli gałąź twornika oraz gałąź wzbudzenia utworzą obwód zamknięty to będzie płynął prąd, którego wartość uzależniona będzie od rezystancji wypadkowej całego obwodu. Strumień jaki powstanie na skutek przepływu tego prądu musi powiększać strumień szczątkowy.

Zasada działanie prądnicy prądu stałego

Zasadę działanie prądnicy prądu stałego da się bardzo prosto wytłumaczyć na zasadzie przewodnika przemieszczającego się w niezmiennym w czasie polu magnetycznym. Kiedy wirnik urządzenia pod wpływem zewnętrznego momentu napędowego wiruje w uzwojeniu twornika indukuje się siła elektromotoryczna (tzw. siła elektromotoryczna rotacji) która ma wartość:

e= B lw v

Gdzie: B - największa wartość indukcji, lw- całkowita długość przewodów przemieszczających się w polu magnetycznym, v - prędkość liniowa przewodów.

Napięcie na zaciskach urządzenia jest sumą sił elektromotorycznych zaindukowanych w kolejnych cewkach wirnika które połączone są szeregowo. Osi cewek są wzajemnie przesunięte w przestrzeni oraz wszystkie z nich są w innych warunkach magnetycznych, w związku z tym napięcie na zaciskach twornika jest sumą wartości chwilowych sił elektromotorycznych indukowanej we wszystkich cewkach.

Wartość siły elektromotorycznej, jaka będzie indukowana w uzwojeniu twornika będzie wynosiła:

E = k Φ n

Gdzie :Phi - strumień magnetyczny wzbudzenia, n - prędkość obrotowa wirnika [obr/min], k = N p / a 60 - stała konstrukcyjna urządzenia. Podczas pracy prądnicowej napięcie na zaciskach urządzenia U jest mniejsze od siły elektromotorycznej o wielkość spadków napięć na wszelkich fragmentach obwodu:

U = E - It Rt

Gdzie: It - prąd twornika, Rt - całkowita rezystancja obwodu twornika.