Silniki elektryczne - napędy elektryczne cz.2

Autor mechanika-obrobka.pl


Napisane 2017-11-24 09:34:26


Silniki elektryczne - napędy elektryczne cz.2

Silniki prądu stałego

W poprzedniej części artykułu opisałem silniki prądu przemiennego, które są wykorzystywane w przemyśle, w maszynach czy urządzeniach. Jednak ta druga grupa – czyli silniki prądu stałego są również stosowane w przemyśle jak i (zdecydowanie częściej od silników prądu przemiennego) codziennym życiu.

Budowa silnika prądu stałego

Jak w przypadku silników prądu przemiennego – silniki prądu stałego zbudowane są z dwóch głównych elementów – stojana i wirnika.

 budowa silnika prądu stałego
Budowa silnika prądu stałego

Jak widać na powyższym rysunku – stojan silnika składa się z szeregu biegunów magnetycznych z uzwojeniem (lub samych magnesów), które jest zasilane prądem stałym. Bieguny te mają za zadanie wytworzenie stałego pola magnetycznego. Wirnik silnika to szereg uzwojeń, których końce są połączone z komutatorem. Wirnik również jest zasilany prądem stałem za pomocą połączenia szczotki – komutator. Poniżej można zobaczyć jak wygląda komutator – bardzo dobrze widać podział komutatora na odpowiedni wycinki. 

Budowa wirnika silnika prądu stałego 
Budowa wirnika silnika prądu stałego

Zasada działania silników elektrycznych prądu stałego

Zasada działania silnika prądu stałego 
Zasada działania silnika elektrycznego prądu stałego

Wyżej widzimy bardzo uproszczoną budową silnika prądu stałego. Magnesy reprezentują stojan, którego zadaniem jest generowanie stałego pola magnetycznego, którego kierunek działania pokazują dwie strzałki umieszczone między nimi. Wirnik reprezentuje pojedyncza ramka przez którą przepływa prąd stały w określonym kierunku. Prąd płynie od plusa do minusa – jest doprowadzany do komutatora za pomocą szczotek, które się po nim ślizgają. Komutator jest połączony z ramką – czyli przez ramkę przepływa prąd stały.

Jeżeli przez ramkę zaczyna przepływać prąd, a ramka znajduje się w stałym polu magnetycznym – na ramkę zaczynają oddziaływać siły elektrodynamiczne – oznaczone czerwoną strzałką. Powstająca siła generuje moment – który zaczyna obracać ramkę. Ramka obraca się do momentu uzyskania pozycji w której szczotki przestają doprowadzać prąd do komutatora – tylko dzięki powstałym siłą bezwładnościowym wirnik pokonuje tą pozycję – szczotki znowu zaczynają doprowadzać prąd do komutatora ale zmieniając kierunek jego przepływu – co z kolei zmienia kierunek powstających sił elektrodynamicznych – dzięki temu wirnik obraca się w jednym kierunku. Gif przedstawiający działanie silnika prądu stałego pokazano poniżej.

Zasada działania silnika prądu stałego 
Zasada działania silnika prądu stałego

Podział silników prądu stałego

Są stosowane praktycznie – wszędzie. Ze względu na bardzo dużą elastyczność – mogą być duże/małe, posiadać małe/duże moce i momentu itd. Główny podział silników prądu stałego to podział ze względu na sposób połączenia wirnika ze stojanem. Możemy wyróżnić silniki:

  • szeregowe – połączenie szeregowe wirnika i stojana – jedno źródło prądu stałego – nie znalazły zbyt szerokiego zastosowania ze względu na ‘miękkie’ charakterystyki,
  • bocznikowe – połączenie równoległe wirnika i stojana – jedno źródło prądu stałego,
  • obcowzbudne – wirnik i stojan nie jest ze sobą połączony – dwa źródła prądu, najczęściej stosowane w maszynach technologicznych,
  • samowzbudne – brak uzwojenia wirnika – zamiast uzwojenia – magnes trwały.

Sposób połączenia cechuje ich dokładne charakterystyki i parametry pracy. Są to silniki potencjalnie odporne na przeciążenia, ich charakterystyki są w dużej mierze zależne od warunków odprowadzania ciepła, od jakości wykonania połączenia komutator – szczotki. Największą wadą tych silników jest właśnie to połączenie – ze względu na powstające ciepło, na iskrzenie, na ich zużycie. Największa zaletą silników prądu stałego jest bardzo łatwa możliwość zmiany ich prędkości. Zmiana prędkości obrotowej silników prądy stałego:

  • przez osłabienie pola magnetycznego w stojanie,
  • przez zmianę napięcia podawanego na wirnik,
  • wtrącenie dodatkowej rezystancji w obwód wirnika.

Najczęściej prędkość obrotową reguluję się zmianą wartości napięcia podawanego na wirnik – wykorzystując potencjometry.

Silnik BLDC – bez szczotkowy silnik prądu stałego

Największą wadą silników prądu stałego jest połączenie komutator – szczotki – silnik BLDC jest silnikiem, który tą wadę eliminuje. W skrócie – silniki BLDC to silniki w których stojan i wirnik zamieniają się rolami. W nich to wirnik odpowiada za powstawanie stałego pola magnetycznego – natomiast w uzwojeniu stojana – płynie prąd stały. Eliminuje to z użycia połączenia komutatora ze szczotkami – nie ma potrzeby doprowadzania prądu do wirnika. Ale pojawia się potrzeba odpowiedniego dostarczania prądu do uzwojeń stojana – rolę komutatora mechanicznego przejmuje komutator elektroniczny. Są to silniki często stosowane, ze względu na dużą ilość zalet jaką niesie ze sobą ich budowa, parametry pracy, łatwość zmiany prędkości obrotowej itd.

Stosowane wszędzie tam, gdzie nie możemy pozwolić sobie na iskrzenie szczotek – np. w dyskach twardych, wiatrakach, napędach CD, jako napędy w samochodach elektrycznych, serwonapędach i wielu innych.

silnik bldc 
Silnik BLDC stosowany w dyskach twardych

Silnik krokowy (skokowy)

Zwane krokówkami – silniki, których największa zaletą jest sterowanie położeniem w układzie otwartym – bez konieczności stosowania układów pomiarowych przemieszczeń i dużo prostszych układów sterowania. Są to silniki w których przemieszczenie jest zależne od ilości doprowadzonych impulsów sterujących – natomiast prędkość obrotowa jest zależna od częstotliwości doprowadzanych impulsów. Są to silniki o działaniu dyskretnym.

Można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje sterowania silnikami krokowymi:

  • sterowanie sekwencyjne – wykorzystywane w urządzeniach mniej dokładnych, sterowanie jest zależne od konstrukcji komutatora elektronicznego – możliwość uzyskania do kilkuset skoków,
  • sterowanie amplitudowe – wykorzystywane w precyzyjnych urządzeniach, w których można uzyskać 10 000 i więcej skoków – co przekłada się też na dużo droższe sterowanie od sekwencyjnego.

silnik krokowy 
Zasada działania silnika krokowego – sterowanie sekwencyjne

Na rysunku powyżej przedstawiono zasadę działania silnika krokowego – doprowadzając prąd na uzwojenie U1 oraz U2 – wirnik silnika – który składa się z magnesów trwałych ustawia się w odpowiedniej pozycji w stosunku do kierunku płynącego prądu. Jeżeli prąd na uzwojeniach U1 i U2 zostanie wyłączony i doprowadzony do U3 i U4 – wirnik obróci się o kąt 90 stopni. Jest to sposób sterowania sekwencyjnego – większa ilość par biegunów na wirniku i uzwojeń w stojanie powoduje zwiększanie możliwych do uzyskania pozycji. Sterowanie amplitudowe polega na zmianie wartości doprowadzonego napięcia na poszczególne uzwojenia stojana – czyli wybieramy nie tylko, które uzwojenie chcemy zasilić ale również jakim napięciem. Zmieniając wartość doprowadzanego napięcia wirnik obraca się w kierunku zależnym od kierunku doprowadzonego napięcia.

Silniki liniowe

Tak jak w przypadku silników obrotowych – silniki liniowe dzieli się ze względu na rodzaj wykorzystywanego prądu – na sterowane prądem stałym i przemiennym. Składają się z części pierwotnej i wtórnej. Zasada działania silników w zależności od ich budowy jest prawie taka sama jak ich odpowiedników jako silników obrotowych. A dokładna specyfikacja, zależna jest od producenta danych modeli silników liniowych.

silnik liniowy budowa 
Budowa silnika liniowego prądu przemiennego

Wadą silników liniowych są problemy z odprowadzaniem ciepła, powstawanie bardzo dużych sił elektromagnetycznych, które dociskają część pierwotną do wtórnej, co może sprawiać np. problemy montażowe, bardzo duże siły powstające na prowadnicach. Najczęściej stosowane są silniki synchroniczne, które działają jako napędy nadążne – muszą posiadać odpowiedni zaawansowany układ pomiaru przemieszczeń i prędkości.

Największą zaletą silników liniowych jest ich dynamika – możliwość uzyskiwania bardzo dużych prędkości, przyśpieszeń i opóźnień ruchu – są wykorzystywane w kolejach (np. kolej AirTrain w Nowym Jorku), w obrabiarkach jako napędy osi, w urządzeniach transportowych i wielu innych. 

< Wróc do poprzedniej strony artykułu