Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Silniki prądu stałego cz.1 - silniki elektryczne i silniki klasyczne PMDC

Istnieją dziesiątki rodzajów silników elektrycznych. Opierają one działanie na fakcie, że w polu magnetycznym na przewodnik z prądem działa siła, zwana siłą Lorentza. Pole magnetyczne może być wytwarzane przez magnesy trwałe albo elektromagnesy. W kilkuczęściowym artykule nie będziemy zajmować się silnikami prądu zmiennego. Na początek omówimy (najpopularniejszy) rodzaj silników prądu stałego, mianowicie komutatorowe silniki z magnesem trwałym, oznaczane PMDC (Permanent Magnet Direct Current Motors).
Article Image

Czy takim archaicznym elementom warto poświęcać uwagę w czasach, gdy coraz częściej spotykamy się z silnikami krokowymi (stepper motors) i bezkomutatorowymi silnikami BLDC, które przy małych rozmiarach mają zaskakująco dużą moc?

Warto, ponieważ poczciwe silniki komutatorowe prądu stałego, zwane też Brushed DC Motors, czyli silnikami szczotkowymi prądu stałego, zarówno małe, jak i większe, wciąż są ogromnie popularne. Obecnie coraz częściej sterowane są w sposób impulsowy, zwany PWM, a wtedy występują dodatkowe zjawiska i problemy. I właśnie problemy oraz błędne wyobrażenia związane ze sterowaniem impulsowym, zwłaszcza przy obrotach w obu kierunkach i hamowaniu, są wystarczającym powodem, żeby przypomnieć podstawy i omówić sposoby sterowania takimi silnikami.

Fot.1 Silniczek PMDC o średnicy  4mm

Silniki elektryczne - omówienie

Maleńkie silniczki PMDC o średnicach od 4mm (fotografia 1) pracują w naszych telefonach jako wibratory. Potężne silniki prądu stałego pracowały i nadal pracują w przemyśle – fotografia 2 (http://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_prądu_stałego) pokazuje silnik wyciągowy z kopalni, mający moc 730kW.

Fot.2 Silnik wyciągowy z kopalni o mocy 730kW

Budowę popularnych niewielkich silników komutatorowych prądu stałego pokazuje rysunek 3, a fotografia 4 wirnik małego silnika tego typu. Magnesy (N, S) umieszczone w obudowie-stojanie wytwarzają stałe pole magnetyczne. Gdy przez uzwojenie wirnika (twornika, rotora) popłynie prąd, wytworzy on pole magnetyczne o takim kierunku, by powstająca siła obróciła wirnik. W rzeczywistości wirnik ma kilka uzwojeń, dołączonych do kilku(nastu) wycinków komutatora i dzięki obecności szczotek prąd zawsze doprowadzony jest do tego uzwojenia wirnika, które spowoduje powstanie siły działającej w określonym kierunku. Przy danej biegunowości napięcia zasilającego wirnik silnika będzie się obracał w jednym kierunku, przy odwrotnej biegunowości – w przeciwnym.

Rys.3 Budowa popularnych niewielkich silników komutatorowych prądu stałego
Fot.4 Wirnik małego silnika komutatorowego prądu stałego

Mało znane są komutatorowe silniki prądu stałego, w których wirnik nie zawiera żelaznego rdzenia (Coreless lub Ironless) – rysunek 5 (wg materiałów firmy Maxton), a praktycznie tylko miedziane uzwojenie – fotografia 6. Często wykorzystuje się też silniki komutatorowe, gdzie pole magnetyczne wytwarza nie magnes trwały, tylko elektromagnes, a konkretnie oddzielne uzwojenie w stojanie, zwane uzwojeniem wzbudzenia.

Fot.5 Komutatorowe silniki prądu stałego, w których wirnik nie zawiera żelaznego rdzenia
Fot.6 Miedziane uzwojenie

Uzwojenie(-a) wzbudzenia można włączyć w szereg z wirnikiem (silnik szeregowy) lub równolegle (silnik bocznikowy), uzyskując odmienne właściwości. Takie silniki komutatorowe czasem nazywane są uniwersalnymi, bo mogą być zasilane prądem stałym albo zmiennym. Powszechnie stosowane są w sprzęcie AGD i elektronarzędziach. Przykład na fotografii 7 (z Wikipedii).

Fot.7 Uniwersalny silnik komutatorowy
Fot.8 Bezkomutatorowe  silniki BLDC (Brush-Less DC motors)

W artykule na razie nie będziemy też omawiać coraz popularniejszych bezkomutatorowych silników BLDC (Brush-Less DC motors), gdzie wirnik zawiera magnes(-y), a uzwojenia umieszczone są w stojanie, co daje znakomite parametry, w tym moc, moment i trwałość (brak zużywających się szczotek, o trwałości decydują łożyska), ale wymaga elektronicznego sterowania uzwojeniami stojana (fotografia 8 – Maxton). Na razie nie będziemy też zajmować się silnikami krokowymi – Stepper Motors (fotografia 9) ani tak zwanymi silnikami liniowymi. Najpierw szczegółowo omówimy najpopularniejsze silniki komutatorowe z magnesami trwałymi (PMDC), a dopiero potem przejdziemy do innych silników.

Fot.9 Silnik krokowy – Stepper Motor

Klasyczny silnik PMDC

Oto podstawowa zależność występująca w klasycznych silnikach PMDC:

  • czym większe napięcie zasilania, tym wyższe obroty,
  • czym większy prąd zasilania, tym większa siła (moment) i moc.

Pobór prądu zależy od obciążenia mechanicznego. Obroty regulujemy przez zmianę napięcia zasilania. Przy małych silnikach można zastosować jakiś liniowy regulator napięcia. Jak jednak pokazuje prosty przykład z rysunku 10, przy liniowej regulacji trzeba się liczyć z dużymi stratami mocy. W tranzystorze regulacyjnym wydzieli się moc strat P = UT*I. Można też wykorzystać lepszy sposób regulacji, teoretycznie bezstratny, gdy będziemy zmieniać średnią wartość napięcia na silniku, sterując nim impulsami o zmiennym wypełnieniu, co zwykle w skrócie nazywany PWM (Pulse Width Modulation) – rysunek 11. Obecnie taki sposób sterowania jest powszechnie wykorzystywany. Zanim omówimy szczegóły, trzeba przypomnieć zasadę działania tego rodzaju silników.

Rys.10 Przy liniowej regulacji trzeba się liczyć z dużymi stratami mocy
Rys.11 Sterowanie impulsami o zmiennym wypełnieniu

Otóż w silniku, w przeciwieństwie np. do rezystora, moc pobierana niekoniecznie rośnie wraz ze wzrostem napięcia zasilania. Gdybyśmy mieli idealny silnik o zerowej rezystancji uzwojeń, w którym nie występowałyby żadne opory tarcia, to w stanie ustalonym, bez obciążenia, taki silnik obracałby się z prędkością dokładnie odpowiadającą wartości napięcia zasilającego i... nie pobierałby prądu!

Jakim cudem silnik, którego rezystancja jest równa zeru, nie miałby pobierać prądu? Aby najprościej wyjaśnić zagadkę, przypomnijmy, że komutatorowy silnik DC jest maszyną odwracalną. To znaczy może też pełnić funkcję prądnicy prądu stałego – gdy wirnik będzie się obracał, na zaciskach silnika wystąpi napięcie stałe, co ilustruje rysunek 12. To wytwarzane napięcie wyjściowe (E) będzie wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej (ω): E = kE * ω, gdzie kE to tak zwana stała napięciowa danego silnika, zależna m.in. od „siły magnesu” oraz liczby zwojów wirnika.

Rys.12 Komutatorowy silnik DC jest maszyną odwracalną

Przy pracy w funkcji silnika wirnik się obraca i... też wytwarza napięcie! Jest jednocześnie i silnikiem, i prądnicą! Najprościej biorąc, po podaniu napięcia zasilania UZ popłynie prąd, silnik zacznie się obracać i jego obroty będą rosły dotąd, aż wytwarzane napięcie E zrówna się z napięciem zasilającym UZ. Napięcia się zrównają, a wtedy bez obciążenia, w idealnym, bezstratnym silniku prąd spadłby do zera.

Gdyby taki idealny silnik został mechanicznie obciążony, silnik pobierałby prąd wprost proporcjonalny do obciążenia, a cała dostarczona moc elektryczna PE = UZ*I zostałaby bez strat zamieniona na energię mechaniczną PM. Sprawność energetyczna η = PM/PE wynosiłaby oczywiście 100%. Silnik taki miałby nieograniczoną moc.

Zwróć uwagę, że obroty są tu precyzyjnie wyznaczone przez wartość napięcia: obroty muszą być takie, by wytworzone przez „prądnicę” napięcie było dokładnie równe napięciu zasilania. W nieidealnym (rzeczywistym) silniku jest prawie tak samo, tylko występuje jakaś niezerowa rezystancja uzwojeń wirnika oraz rezystancja szczotek i komutatora – w sumie możemy to potraktować jako sumaryczną szeregową rezystancję RS. Uproszczony schemat zastępczy rzeczywistego silnika można byłoby przedstawić jak na rysunku 13.

Rys.13 Uproszczony schemat zastępczy rzeczywistego silnika DC

Gdy taki rzeczywisty silnik jest nieobciążony, trzeba tylko przezwyciężyć niewielkie opory tarcia (w łożyskach oraz szczotek o komutator). Potrzebna jest do tego niewielka moc elektryczna, więc bez obciążenia taki silnik będzie pobierał niewielki prąd.

Zasadniczo cała dostarczona wtedy moc elektryczna (P = I*U) powinna zostać zużyta wyłącznie na przezwyciężenie tarcia. Nie można jednak zapomnieć, że płynący niewielki prąd wywoła też na rezystancji strat spadek napięcia (US = I*RS), co oznacza dodatkowe straty mocy na ciepło (P = I2RS).

Silnik idealny miałby nieograniczoną moc. Natomiast w silniku rzeczywistym podstawowym ograniczeniem jest obecność szeregowej rezystancji strat RS, która ogranicza nie tylko maksymalną moc, ale też ma wpływ na prędkość obrotową.

W następnym odcinku zajmiemy się parametrami i charakterystykami idealnych i rzeczywistych silników PMDC.

Tematyka materiału: silniki prądu stałego
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2018
Udostępnij
UK Logo