Maszyny komutatorowe

Spis treści

 

      1. Silniki komutatorowe jednofazowe małej mocy

      Maszyny komutatorowe prądu przemiennego charakteryzują się szczególnymi właściwościami ruchowymi. Są powszechnie stosowane jako silniki  jednofazowe i trójfazowe w układach napędowych wymagających ciągłej regulacji prędkości obrotowej, najczęściej do napędu sprzętu gospodarstwa domowego i elektronarzędzi. Umożliwiają dogodną regulację współczynnika mocy. Wymagania te spełniają obecnie stosowane, tańsze i mniej uciążliwe w użytkowaniu, maszyny prądu stałego i przemiennego, zasilane z układów przekształtnikowych.

      Silniki komutatorowe jednofazowe małej mocy zasilane prądem przemiennym o częstotliwości sieciowej są podobne konstrukcyjnie do maszyn komutatorowych prądu stałego o wzbudzeniu elektromagnetycznym. Rdzeń stojana i wirnika, wykonany jest z blach, w celu zmniejszenia strat w żelazie wywołanych prądami wirowymi.
      Małe silniki komutatorowe jednofazowe są maszynami dwubiegunowymi o dwóch uzwojeniach:
      - uzwojenia wzbudzającego, wykonanego z dwóch cewek umieszczonych na biegunach stojana oraz
      - uzwojeń twornika, umieszczonych w żłobkach wirnika, przyłączonych do działek (wycinków) komutatora.
      Oba uzwojenia, podobnie jak w maszynach prądu stałego, mogą być łączone szeregowo lub równolegle.

      Ze względu na sposób łączenia uzwojeń silniki komutatorowe jednofazowe prądu przemiennego dzielą się, na:
      a) silniki szeregowe,
      b) silniki bocznikowe,
      c) repulsyjne.
      Silniki komutatorowe trójfazowe szeregowe stosowane są bardzo rzadko.

▲ do góry

      2. Silniki komutatorowe szeregowe

      a) Silniki komutatorowe jednofazowe szeregowe działają na tej samej zasadzie, jak silniki szeregowe prądu stałego, z tą różnicą, że ich obwód magnetyczny jest wykonany w całości z blachy prądnicowej. Jest to konieczne ze względu na zasilanie tych silników prądem przemiennym .
      Przy zmianie kierunku prądu w silniku szeregowym zmienia się jednocześnie kierunek prądu w tworniku i kierunek strumienia wytworzonego przez uzwojenie szeregowe. Kierunek momentu pozostaje niezmieniony, ponieważ moment jest proporcjonalny do iloczynu prądu twornika i strumienia.
      Prędkość obrotową silnika szeregowego jednofazowego małej mocy można regulować przez:
      - włączenie szeregowe rezystancji,
      - zmianę liczby zwojów uzwojenia wzbudzającego.
      Ze względu na małą indukcyjność obwodu twornika tych silników współczynnik mocy cosφ jest bliski jedności.

      Jednofazowe silniki komutatorowe szeregowe są produkowane masowo o mocy od kilku watów do 1,1 kW, wykorzystywane do napędu różnych drobnych urządzeń, jak np. zabawek, sprzętu gospodarstwa domowego, narzędzi ręcznych i urządzeń laboratoryjnych. Silniki te zbudowane są podobnie jak silniki prądu stałego . Silniki mogą również pracować przy zasilaniu prądem stałym. W tym przypadku rozwijany moment obrotowy jest większy od średniego momentu powstającego przy zasilaniu prądem przemiennym. Jednofazowe silniki szeregowe dużej mocy znalazły zastosowanie w trakcji elektrycznej, przy zasilaniu z sieci o zmniejszonej częstotliwości. W Polsce nie są stosowane, gdyż trakcja jest zasilana prądem stałym.

      b) Silniki komutatorowe trójfazowe szeregowe
      Budowa stojana silnika jest taka sama jak w maszynie indukcyjnej trójfazowej z tym, że początki uzwojeń fazowych są przyłączone do sieci, a końce do szczotek - na komutatorze. Wirnik natomiast zbudowany jest jak w maszynie prądu stałego. Na komutatorze są ustawione zespoły szczotek, odpowiednio dla każdej pary biegunów. Zespolony wspólny układ szczotek może być przesuwany po obwodzie komutatora.

Rys. 1. Układ połączeń silnika szeregowego trójfazowego

      Jeżeli osie uzwojeń stojana i wirnika tworzą kąt α (Rys.1), to powstaje moment obrotowy wyrażony wzorem:

M = cΦ1Φ2 sinα

      gdzie: Φ1,Φ2 - strumienie magnetyczne stojana i wirnika.

      W stanie pracy (0 < α <180o), regulując kąt α, można dostosować moment obrotowy silnika przy wymaganej prędkości do określonego obciążenia. W skrajnym położeniu szczotek, gdy kąt α = 0 - występuje bieg jałowy, natomiast przy kącie α = 180o - stan zwarcia. W obu pozycjach moment obrotowy jest równy zeru. Wadą tych silników jest mało stabilna praca przy niewielkich przesunięciach kąta α i znacznych zmianach momentu elektromagnetycznego, co może doprowadzić nawet do zahamowania silnika.
      Przy małych obciążeniach silnik ma tendencję do rozbiegania się. Aby temu zapobiec obniża się napięcie zasilania silnika lub stosuje transformator oddzielający elektrycznie uzwojenie stojana od wirnika.
      Kierunek wirowania silnika zmienia się przez zmianę dowolnych dwóch przewodów zasilających oraz przesunięcie szczotek w przeciwnym kierunku. Rozruch polega na bezpośrednim włączeniu do sieci przy biegu jałowym.
      Silniki trójfazowe szeregowe były wykorzystywane w układach napędowych o wymaganym dużym momencie rozruchowym początkowym. Stosowano je także w napędach wentylatorów, sprężarek, pomp.

▲ do góry

      3. Silniki komutatorowe bocznikowe

      a) Silnik komutatorowy jednofazowy bocznikowy ma taką samą budowę jak silnik szeregowy, z tą różnicą, że uzwojenie wzbudzające posiada dużą liczbę zwojów z drutu nawojowego o znacznie mniejszym przekroju.
      Obwód elektryczny tworzą dwie gałęzie;
      - wirnik o bardzo małej reaktancji oraz
      - uzwojenie wzbudzające o dużej reaktancji.
      Prąd twornika, będący w przybliżeniu w fazie z napięciem zasilania, jest przesunięty względem strumienia wzbudzenia, będącego w fazie z prądem wzbudzenia, o kąt α bliski wartości π/2.
      Moment elektromagnetyczny jest zatem równy:

M = cE Φ I cosα = 0

      W silnikach jednofazowych bocznikowych wymagana jest kompensacja indukcyjności uzwojenia wzbudzającego, przez włączenie w obwód wzbudzenia odpowiednio dobraną pojemność C. Innym rozwiązaniem jest zasilanie uzwojenia wzbudzającego i uzwojenia twornika napięciami przesuniętymi w fazie o kąt π/2. Jest to jedna z niekorzystnych właściwości jednofazowych silników komutatorowych bocznikowych.

      b) Silnik komutatorowy trójfazowy bocznikowy
      Stojan silnika trójfazowego bocznikowego jest wykonany jak w silniku indukcyjnym trójfazowym, natomiast wirnik - podobnie jak w maszynie prądu stałego. Znajdujący się na komutatorze układ szczotek jest połączony z suwakiem transformatora regulacyjnego (Rys. 2).

Rys. 2. Układ połączeń silnika komutatorowego trójfazowego
zasilanego od strony stojana z autotransformatora regulacyjnego

      Regulację prędkości obrotowej uzyskuje się przez zmianę napięcia Uk, zasilającego układ szczotek. Rozruch następuje przez bezpośrednie włączenie silnika do sieci w położeniu najmniejszej prędkości obrotowej. Sprawność silnika jest mniejsza niż silnika indukcyjnego o wirniku pierścieniowym.

▲ do góry

      4. Silniki komutatorowe jednofazowe repulsyjne

      Silnik repulsyjny jest to jednofazowy silnik komutatorowy, w którym uzwojenie stojana zasilane jest z sieci prądu przemiennego, a uzwojenie wirnika połączone z komutatorem i zwarte za pośrednictwem szczotek. Stojan i wirnik silnika repulsyjnego mają niezależne obwody elektryczne, a przenoszenie energii elektrycznej ze stojana do wirnika odbywa się drogą indukcji elektromagnetycznej. Silnik repulsyjny budową przypomina silnik komutatorowy jednofazowy o wzbudzeniu bocznikowym.
      Położenie szczotek na obwodzie komutatora określa się kątem α. Jest to kąt ustawienia szczotek względem obojętnej osi magnetycznej stojana. Rozruch i regulacja prędkości obrotowej silnika zależy od położenia szczotek. Przez zmianę kąta α położenia szczotek możemy również uzyskiwać zmianę kierunku wirowania silnika (Rys. 3).

Rys. 3. Silnik repulsyjny
Oznaczenia: a) schemat obwodu elektromagnetycznego, b) zasada działania

      Odmiany silników repulsyjnych:
      - silnik Thomsona o pojedynczym układzie szczotek;
      - silnik Deriego. Ma dwa układy szczotek - jeden na jarzmie ruchomym, drugi - na jarzmie
        nieruchomym. Regulacja prędkości obrotowej jest bardzo płynna, a komutacja lepsza
        niż w silniku repulsyjnym zwykłym;
      - silniki repulsyjno - indukcyjne. Mają w wirniku dodatkowo klatkę (jak w silniku indukcyjnym
        klatkowym). Rozruch następuje przez bezpośrednie włączenie silnika do sieci zasilającej.
      Wybór kierunku wirowania uzyskuje się odpowiednio przesuwając szczotki, które są następnie
      mocowane na stałe.

      Właściwości ruchowe silników repulsyjnych:
      a) duży moment rozruchowy: Mr = (3,5-5) MN,
      b) niewielki prąd rozruchowy Ir = 3,5 IN,
      c) płynna regulacja prędkości obrotowej w dużych granicach,
      d) duże zmiany prędkości obrotowej przy zmianie obciążenia.
      Silniki te stosuje się tam, gdzie rozruch odbywa się pod obciążeniem i to przy znacznie obniżonym napięciu, np. do pomp sterowanych automatycznie.

▲ do góry

Menu serwisu