Maszyna prądu stałego

Prądu maszyna to maszyna elektryczna . Jest to przekształtnik elektromechaniczny umożliwiający dwukierunkową konwersję energii pomiędzy instalacją elektryczną prowadzoną prądem stałym a urządzeniem mechanicznym; w zależności od źródła energii.

• W silniku pracy , energia elektryczna jest przekształcana w energię mechaniczną .
• Podczas pracy generatora energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną (może zachowywać się jak hamulec). W tym przypadku nazywa się to również dynamem .

Jednakże, ponieważ maszyna prądu stałego jest odwracalna i może zachowywać się albo jako „silnik” albo jako „generator” w czterech ćwiartkach płaszczyzny momentu obrotowego, rozróżnienie silnik/generator jest dokonywane „powszechnie” w odniesieniu do użytkowania. koniec maszyny.

Wynaleziony przez Zénobe Gramme i przedstawiony Akademii Nauk w Paryżu w 1871 roku , był początkowo prostym generatorem prądu stałego (do zastosowań galwanicznych , na przykład przy kosztownych akumulatorach ).

Maszyna podstawowa lub niezależna maszyna wzbudzająca

Krótki opis

Maszyna elektryczna prądu stałego składa się z:

• stojana , który jest pochodzenia cyrkulacji ustaloną wzdłużnym strumienia magnetycznego utworzony albo przez uzwojenie stojana ( kręte ) lub magnesami trwałymi . Nazywany jest również „induktorem” w odniesieniu do działania jako generator tej maszyny.
• z rany wirnik połączony z kolektorem obrotowego cofania się polaryzacji każdego uzwojenia wirnika, co najmniej raz na obrót, tak aby spowodować poprzeczny strumienia magnetycznego krążyć w kwadraturze ze strumieniem stojana. Uzwojenia wirnika są również nazywane uzwojeniami twornika lub potocznie „  twornikiem  ” w odniesieniu do pracy jako generatora tej maszyny.

Konstytucja i zasady fizyczne

• Prąd wtryskiwany przez szczotki do kolektora przepływa przez przewód wirnika (cewka wirnika) i zmienia kierunek (przełączanie) na prawo od szczotek. Dzięki temu namagnesowanie wirnika jest prostopadłe do magnesowania stojana. Umieszczenie szczotek na „linii neutralnej” (czyli w strefie, w której gęstość strumienia wynosi zero) umożliwia uzyskanie maksymalnej wstecznej siły elektromotorycznej (FCEM). Linia ta może jednak poruszać się w wyniku reakcji twornika magnetycznego (wpływu strumienia wirnika na pole indukcyjne) w zależności od tego, czy maszyna pracuje przy dużym czy małym obciążeniu. Przepięcie , częściowo ze względu na słabą dystrybucję napięcia pomiędzy łopatkami kolektora, a częściowo do szybkiego odwrócenia prądu w odcinkach przewodów, gdy te łopaty przechodzą pod szczotek, może wtedy pojawić się na końcówkach przewodu cewka, która załącza się i powoduje postępujące niszczenie kolektora. Aby to przezwyciężyć, to znaczy skompensować reakcję twornika, a także poprawić przełączanie, stosuje się pomocnicze bieguny kompensacyjne / przełączające.i{\ styl wyświetlania i \,}
  
• Istnienie momentu obrotowego tłumaczy się oddziaływaniem magnetycznym między stojanem a wirnikiem:
  • Pole stojana ( na schemacie) jest praktycznie zerowe na przewodach umieszczonych w wycięciach i dlatego nie działa na nie. Źródłem momentu obrotowego pozostaje poprzeczne namagnesowanie wirnika, niezmienne podczas jego obrotu (rola kolektora). Biegun stojana działa na biegun wirnika i silnik się obraca.bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}
  • Klasycznym, ale upraszczającym sposobem obliczania momentu obrotowego jest oparcie się na istnieniu siły Laplace'a (fikcyjnej) wytworzonej przez pole stojana ( na schemacie) i działającej na przewodniki wirnika, przez które przepływa prąd o natężeniu . Siła ta ( na wykresie) wynikająca z tego oddziaływania ma identyczny moduł dla dwóch diametralnie przeciwległych przewodów wirnika, ale ponieważ prądy te są przeciwne dzięki układowi szczotka-kolektor, siły są również przeciwne.bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}i{\ styl wyświetlania I \,}FTEN{\ styl wyświetlania F_ {L} \,}

• Wytworzona w ten sposób siła jest proporcjonalna do i do . Moment obrotowy silnika jest zatem również proporcjonalny do tych dwóch wielkości.i{\ styl wyświetlania I \,}bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}T{\ styl wyświetlania T \,}
• Pręt przewodzący, przez który przepływa prąd przez wirnik, porusza się pod wpływem pola stojana . Jest to zatem siedziba indukowanego pola elektromagnetycznego ( prawo Lenza ) proporcjonalnego do jego prędkości przemieszczania się, a więc do częstotliwości rotacji. Wszystkie te wsteczne siły elektromotoryczne powodują pojawienie się całkowitej siły elektromotorycznej na zaciskach uzwojenia wirnika, która jest proporcjonalna do i do prędkości obrotowej silnika.i{\ styl wyświetlania I \,}bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}mi{\ styl wyświetlania E \,}bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}
• Aby umożliwić dalszy przepływ prądu, zasilanie silnika będzie musiało dostarczyć napięcie większe niż tylna siła elektromotoryczna indukowana na wirniku.i{\ styl wyświetlania I \,}mi{\ styl wyświetlania E \,}

Idealny schemat elektryczny (w trybie pracy silnika)

Ten podstawowy schemat nie jest ważny w warunkach przejściowych. i są odpowiednio rezystancjami wirnika (rezystancja twornika) i stojana (rezystancja obwodu wzbudzenia) ri{\ styl wyświetlania R_ {i} \,}rmi{\ styl wyświetlania R_ {e} \,}

Ten schemat odpowiada następującym równaniom elektrycznym:

• stojan: (prawo Ohma) a pole stojana jest ( najmniej dokładne ze wzorów w tym akapicie, ponieważ nie uwzględniamy nieliniowości, które są ważne, a ponadto zakładamy, że maszyna ma kompensację / komutację uzwojeń które uniezależniają to pole od prądów wirnika.W rzeczywistości prąd przepływa przez te uzwojenia kompensacyjne / komutacyjne w taki sposób, że tworzy pole anulujące pole indukowane na szczotkach.Ten prąd jest prądem przepływającym.w uzwojeniu twornika, ponieważ pole przełączające musi różnić się w taki sam sposób jak pole indukowane. )Umi=rmi⋅imi{\ displaystyle U_ {e} = R_ {e} \ cdot I_ {e} \,}bs=k⋅imi{\ displaystyle B_ {s} = k \ cdot I_ {e} \,}
• do wirnika: Ui=mi+ri⋅ii{\ displaystyle U_ {i} = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}

Z drugiej strony mamy dwa równania elektromechaniczne:

• Siła przeciwelektromotoryczna: mi=k'⋅bs⋅Ω{\ displaystyle E = k '\ cdot B_ {s} \ cdot \ Omega \,}

gdzie odpowiada prędkości obrotowej lub pulsacji w rad / s związanej z częstotliwością (liczba obrotów na sekundę) przez zależnośćΩ{\ styl wyświetlania \ Omega \,}F=Ω2π{\ displaystyle f = {\ frac {\ Omega} {2 \ pi}}}

• Moment elektromechaniczny (silnik lub opór): T=k'⋅bs⋅ii{\ displaystyle T = k '\ cdot B_ {s} \ cdot I_ {i} \,}

Możemy pokazać, że jest to ta sama stała k, która występuje w dwóch poprzednich relacjach, z których wynika:

• mi⋅ii=T⋅Ω{\ displaystyle E \ cdot I_ {i} = T \ cdot \ Omega \,} lub „Użyteczna energia elektryczna” = „Moc mechaniczna”.

Opis działania

Wyobraź sobie maszynę elektryczną zasilaną stałym źródłem napięcia . Gdy silnik pracuje na biegu jałowym (nie czyni wysiłku) nie ma potrzeby podawania momentu obrotowego, jest bardzo mały i ≈ Prędkość obrotowa jest proporcjonalna do . Ui{\ styl wyświetlania U_ {i} \,}ii{\ styl wyświetlania I_ {i} \,}Ui{\ styl wyświetlania U_ {i} \,}mi{\ styl wyświetlania E \,}Ui{\ styl wyświetlania U_ {i} \,}

• praca silnika

Kiedy chcesz, aby działało, przykładając oporowy moment obrotowy na jego oś, spowalnia to . Jak pozostaje stały, iloczyn . więc wzrasta wzrasta, więc wzrasta również moment obrotowy i walczy ze spadkiem prędkości: jest to moment obrotowy silnika . Im bardziej jest hamowany, tym bardziej wzrasta prąd, aby zwalczyć spadek prędkości. Dlatego silniki prądu stałego mogą „wypalić się”, gdy wirnik jest zablokowany, jeśli prąd źródłowy nie jest ograniczony do prawidłowej wartości. mi{\ styl wyświetlania E \,}
Ui{\ styl wyświetlania U_ {i} \,}ri{\ styl wyświetlania R_ {i} \,}ii{\ styl wyświetlania I_ {i} \,}ii{\ styl wyświetlania I_ {i} \,}T{\ styl wyświetlania T \,}

• praca generatora

Jeśli źródłem energii mechanicznej próbuje zwiększyć prędkość maszyny (obciążenie jest jazdy: winda na przykład), Ω dlatego wzrasta. Ponieważ pozostaje stały produkt staje się ujemny i zwiększenie wartości bezwzględnej, a zatem , zwiększa się moment obrotowy zwiększa i zwalcza wzrost szybkości: jest moment hamujący . Zmienia się znak prądu, zmienia się znak pobranej mocy. Maszyna pobiera energię ujemną , dlatego zasila obwód. Stała się generatorem. mi{\ styl wyświetlania E \,}
Ui{\ styl wyświetlania U_ {i} \,}ri⋅ii{\ displaystyle R_ {i} \ cdot I_ {i}}ii{\ styl wyświetlania I_ {i} \,}T{\ styl wyświetlania T \,}

Te dwa tryby pracy istnieją dla obu kierunków obrotu maszyny. Może to płynnie przechodzić z jednego kierunku obrotu lub momentu obrotowego do drugiego. Mówi się wtedy, że działa w czterech ćwiartkach płaszczyzny moment-prędkość.

Maszyna do stałego wzbudzenia

Jest to najczęstszy przypadek: jest stały, ponieważ jest wytworzony przez magnesy trwałe lub nawet dlatego, że jest stały (oddzielne wzbudzenie zasilane prądem stałym) bs{\ styl wyświetlania B_ {s} \,}imi{\ styl wyświetlania I_ {e} \,}

Jeśli umieścimy :, równania z poprzedniego akapitu stają się:bs⋅k'=K{\ displaystyle B_ {s} \ cdot k '= K \,}

• U=mi+ri⋅ii{\ displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}
• mi=K⋅Ω{\ styl wyświetlania E = K \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅ii{\ displaystyle T = K \ cdot I_ {i} \,}

Seria silników

Ponieważ wzbudzenie szeregowe jest zarezerwowane głównie dla silników, nie jest zwykle używane określenie „maszyna wzbudzenia szeregowego” (z wyjątkiem systemów kolejowych).

Ten typ silnika charakteryzuje się tym, że stojan (cewka) jest połączony szeregowo z wirnikiem (twornikiem).

• Więc ten sam prąd płynie przez wirnik i stojan: i napięcie zasilania supplyii=imi=i{\ displaystyle I_ {i} = I_ {e} = I \,}U=Ui+Umi{\ styl wyświetlania U = U_ {i} + U_ {e} \,}
• bs=kmi⋅i{\ displaystyle B_ {s} = k_ {e} \ cdot I \,}

Zakładając, że strumień , równania maszyny stają się:=K'⋅i{\ displaystyle = K '\ cdot I \,}

• U=mi+ri⋅i+rmi⋅i=mi+(ri+rmi)⋅i{\ displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I + R_ {e} \ cdot I = E + (R_ {i} + R_ {e}) \ cdot I}
• mi=K⋅Kmi⋅i⋅Ω=k⋅i⋅Ω{\ displaystyle E = K \ cdot K_ {e} \ cdot I \ cdot \ Omega = k \ cdot I \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅i⋅Kmi⋅i=k⋅i2{\ displaystyle T = K \ cdot I \ cdot K_ {e} \ cdot I = k \ cdot I ^ {2} \,}

Powyższe równania pozwalają wykazać, że silniki ze wzbudzeniem szeregowym mogą wytwarzać bardzo duży moment obrotowy, w szczególności przy małej prędkości, proporcjonalny do kwadratu prądu. Dlatego do lat 80- tych używano ich do produkcji silników trakcyjnych lokomotyw .
Jednak ze względu na swoje właściwości, ten typ maszyny stwarza ryzyko nadmiernej prędkości i pustej ucieczki.

Obecnie główne zastosowania to:

• rozruszniki samochodowe;
• te uniwersalne silniki  : moment obrotowy pozostaje taka sama, niezależnie od kierunku migowego I .T=k⋅i2{\ displaystyle T = k \ cdot I ^ {2} \,}

Jednym z praktycznych warunków, aby silnik szeregowy był silnikiem uniwersalnym, jest to, że jego stojan jest laminowany, ponieważ w tym przypadku strumień indukujący może być przemienny. ( Uwaga: wiertarka przeznaczona do podłączenia do sieci 230 V AC działa również z prądem stałym: podłączona do akumulatora samochodowego 12 V działa. )

Wzbudzenie bocznikowe

W silniku bocznikowym stojan jest podłączony równolegle do wirnika. Napięcie na wirniku jest takie samo jak na stojanie, więc:

• Ui=Umi=U{\ styl wyświetlania U_ {i} = U_ {e} = U \,}
• bs=kmi⋅imi=K⋅U{\ displaystyle B_ {s} = k_ {e} \ cdot I_ {e} = K \ cdot U \,}

Równania maszyny stają się:

• U=mi+ri⋅ii{\ displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}
• mi=K⋅U⋅Ω{\ displaystyle E = K \ cdot U \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅U⋅ii{\ displaystyle T = K \ cdot U \ cdot I_ {i} \,}

Silnik wzbudzenia bocznikowego jest stosowany w elektronarzędziach ze względu na ograniczony moment obrotowy chroniący użytkownika i brak rozbiegu w stanie pustym.

Wzbudzenie złożone lub złożone

W silniku sprzężonym część stojana jest połączona szeregowo z wirnikiem, a druga jest typu równoległego lub bocznikowego. Silnik ten łączy w sobie zalety obu typów silników: wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości silnika szeregowego i brak niekontrolowanej pracy (nadmiernej prędkości) silnika bocznikowego.

Zalety i wady

Główną zaletą maszyn prądu stałego jest ich prosta adaptacja do środków umożliwiających regulację lub zmianę prędkości, momentu obrotowego i kierunku obrotów: wariatory prędkości , a nawet ich bezpośrednie podłączenie do źródła energii: akumulatorów, ogniw  itp. .

Główny problem z tymi maszynami wynika z połączenia między szczotkami lub „węglami” a obrotowym kolektorem. A także sam kolekcjoner, jak wskazano powyżej i złożoność jego realizacji. Ponadto należy zauważyć, że:

• im wyższa prędkość obrotowa, tym bardziej musi wzrosnąć nacisk szczotek, aby pozostać w kontakcie z kolektorem, a zatem tym większe tarcie;
• przy dużych prędkościach szczotki muszą być zatem bardzo regularnie wymieniane;
• nałożenie zerwania styków przez kolektor powoduje powstawanie łuków , które szybko zużywają wyłącznik i generują zakłócenia w obwodzie zasilania, a także promieniowanie elektromagnetyczne.

Innym problemem ograniczającym wysokie prędkości użytkowania tych silników przy nawijaniu wirnika jest zjawisko „defrettingu”, czyli siły odśrodkowej, która ostatecznie łamie ogniwa zapewniające trzymanie zestawów zwojów (kurczenie).

Temperatura jest ograniczona na poziomie kolektora przez stop użyty do przylutowania przewodów wirnika do łopatek kolektora. Stop na bazie srebra powinien być stosowany, gdy temperatura robocza przekracza temperaturę topnienia konwencjonalnego stopu na bazie cyny.

Pewna liczba tych wad została częściowo rozwiązana przez przykłady wykonania silników bez żelaza wirnika, takie jak silniki „tarczowe” lub silniki „dzwonowe”, które mimo to nadal mają szczotki.

Powyższe wady zostały drastycznie wyeliminowane dzięki technologii silników bezszczotkowych (określanej również jako silnik bezszczotkowy , lub niewłaściwie „bezszczotkowy silnik prądu stałego”), która jest samonapędzającą się maszyną synchroniczną .

Uwagi i referencje

1. Kwadranty od I do IV płaszczyzny moment-prędkość (znane jako „cztery ćwiartki”), występujące w artykule „  Kwadrant (matematyka)  ”, z prędkością na rzędnej i momentem na odciętej . Wszystkie maszyny elektryczne (prąd stały, synchroniczne lub asynchroniczne ) płynnie przełączają się z działania „silnika” na działanie „generatora”, po prostu odwracając znak momentu obrotowego (obciążenie napędzane lub napędzane, na przykład podczas przyspieszania lub hamowania) lub znak prędkość (odwrócenie kierunku obrotów).
2. BTS Electrotechnics (drugi rok) – Maszyna prądu stałego – Kwadranty operacyjne , strona physique.vije.net, dostęp 8 sierpnia 2012 r.
3. Robert Chauprade, Elektroniczne sterowanie silnikami prądu stałego - Do użytku w szkołach wyższych, inżynierskich, magisterskich, IUT , Paryż,  wyd. Eyerolles , kol.  "EOG", 1975, s. 243  . , s.  15-32 i 148-150 .
4. „  Dynamo elektryczne urządzenie systemu Gram umieszczone zwłaszcza do galwanicznego i redukcji metalu  ” , w arts-et-metiers.net , muzeum sztuki i rzemiosła (dostępny październik 10, 2015 ) .
5. Maszyna prądu stałego Sitelec.org

Załączniki

Bibliografia

• Charles Harel, Testy maszyn i urządzeń elektrycznych , Francuskie Towarzystwo Elektryków – Wyższa Szkoła Elektryków , Paryż, 1960.
• A. Fouillé, Inżynieria elektryczna dla inżynierów. T.2, Maszyny elektryczne , Paryż, Dunod, 1969.
• M. Poloujadoff, Konwersje elektromechaniczne: opanowanie EOG i C3 - Électrotechnique , Paryż, Dunod, 1969.
• Michaił Kostenko i Ludvik Piotrovski, Maszyny elektryczne , t.  I , Maszyny prądu stałego, transformatory , Moscow Publishing (MIR), 1969; 3 th  edition, 1979, 582  str.
• J. Chatelain, Maszyny elektryczne - Tom X rozprawy o elektryczności, elektronice i elektrotechnice , Presse polytechnique romande,   wyd. Georgi, 1983; ponownie opublikowane przez Dunod, 1993.

Powiązane artykuły

• Maszyna elektryczna
• Przełączanie iskier maszyn elektrycznych
• Hamowanie reostatyczne

Linki zewnętrzne

• Maszyna prądu stałego , strona elec-ing.blogspot.com
• Obwody magnetyczne maszyn , strona sitelec.org
• Silnik prądu stałego: animacja , strona sitelec.org
• Generator prądu stałego : animacja , strona sitelec.org
• Maszyna prądu stałego , strona sitelec.org
• Modelowanie silnika prądu stałego , strona sitelec.org
• Regulacja prędkości silnika prądu stałego , strona sitelec.org
• Silnik szczelinowy , strona sitelec.org
• Ewolucja silników prądu stałego w trakcji , sitelec.org
• Schemat połączeń dwukierunkowego silnika prądu stałego , strona robert.cireddu.free.fr
• Maszyny elektryczne - Kursy i problemy [PDF] , strona mach.elec.free.fr
• (en) Silniki elektryczne i generatory , site phys.unsw.edu.au
• (de) Animacja maszyny prądu stałego , strona zum.de