Rotacyjne maszyny elektryczne DC

Wprowadzenie

• Maszyny elektryczne rotacyjne są kluczowe w sprzęcie wojskowym.
• Dwa rodzaje silników i generatorów: prądu przemiennego (AC) i prądu stałego (DC).
• Film skupia się na zasadach działania silników i generatorów DC.

Podstawy generowania siły elektromotorycznej (EMF) w DC

• Mechaniczna energia przekształcana w energię elektryczną przez ruch przewodnika przez pole magnetyczne.
• Pole magnetyczne składa się z linii sił – przecięcie tych linii przez przewodnik generuje EMF.
• Kierunek przepływu prądu konwencjonalnie oznaczany jako krzyżyk (prąd od nas) i kropka (prąd do nas).

Generatory EMF

• Prosty generator EMF może być zbudowany z obracanej cewki w stacjonarnym polu magnetycznym.
• EMF jest generowane w skutek przecięcia linii sił magnetycznych.

Determinanty EMF

• Siła pola magnetycznego (B).
• Długość przewodnika przecinającego linie sił (L).
• Prędkość, z jaką przewodnik się porusza (V).
• Formuła na chwilowe EMF: e = B * L * V
• Dodatkowy czynnik: ruch przewodnika w ścieżce obrotowej – wzór uzupełniony o sinus kąta theta (θ).

Konstrukcja generatora DC

• Przyłączenie komutatora powoduje, że generator AC staje się generatorem DC.
• Struktura: cewka obrotowa (wirnik) i komutator z segmentami miedzianymi oraz szczotkami.
• Prąd stały pulsujący (PDC) – „ripple” można redukować przez dodanie więcej cewek i segmentów komutatora.

Neutralna płaszczyzna i zjawisko reakcji wirnika

• Neutralna płaszczyzna: linia przez punkty zerowego EMF.
• Reakcja wirnika powodującą zniekształcenie pola magnetycznego.
• Zapobieganie iskrzeniu: regulacja pozycji szczotek i użycie interpoli oraz uzwojeń kompensujących.

Typy uzwojeń pól magnetycznych w generatorach DC

• Elektromagnesy i magnesy stałe.
• Główne typy uzwojeń:
  • Uzwojenie szeregowe – słaba regulacja napięcia.
  • Uzwojenie równoległe (shunt) – lepsza regulacja napięcia.
  • Uzwojenie złożone (compound) – łączy zalety obu typów uzwojeń.

Generator jako silnik DC

• Odwrotne podłączenie generatora przekształca go w silnik DC.
• Działanie polega na interakcji pola magnetycznego z prądem powodującym ruch przewodnika.
• Zjawisko siły elektromotorycznej przeciwprądowej (CEMF), która przeciwdziała nałożonemu EMF.

Typy silników DC

• Silnik szeregowy: dobry moment rozruchowy, słaba regulacja prędkości.
• Silnik równoległy (shunt): mniejszy moment rozruchowy, dobra regulacja prędkości.
• Silnik złożony (compound): łączy dobre cechy obu typów – moment rozruchowy i regulacja prędkości.

Podsumowanie

• Zasada generowania EMF jest podstawą działania wszystkich rotacyjnych maszyn elektrycznych.
• DC generatory przekształcają energię mechaniczną w elektryczną za pomocą komutatora.
• DC silniki, poprzez przyłożenie EMF, powodują ruch w polu magnetycznym zgodnym z zasadą Lenza.
• Różne typy uzwojeń pól magnetycznych wpływają na charakterystykę napięcia i prądu generatorów i silników.