Silnik elektryczny prądu stałego jako przetwornik energii elektrycznej na energię mechaniczną musi być zasilany ze źródła prądu stałego. Zależnie od sposobu przyłączenia obwodu wzbudzenia silnika do źródła rozróżnia się:

—           silniki bocznikowe lub obcowzbudne,

—           silniki szeregowe,

—           silniki szeregowo-bocznikowe.

Określenie takie sugeruje sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia z uzwojeniem twornika. Silnikiem obcowzbudnym nazywa się silnik bocznikowy, którego obwód wzbudzenia jest zasilany z innego źródła niż obwód twornika. Taki sposób połączeń jest często stosowany w układach przeznaczonych do sterowania prędkości obrotowej. W pozostałych przypadkach obwód wzbudzenia i obwód twornika silnika są zasilane z tego samego źródła.

Warunkiem równowagi układów elektromechanicznych jest, aby moc pobierana przez urządzenie napędzane była równa mocy przekazywanej przez napędzający to urządzenie silnik elektryczny. Jeśli więc zwiększa się obciążenie na wale silnika, musi również zwiększyć się moc mechaniczna silnika. Warunkiem zwiększenia mocy mechanicznej silnika jest wzrost jego momentu elektromagnetycznego.

SILNIK BOCZNIKOWY (OBCOWZBUDNY)

W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzenia, połączone równolegle z obwodem twornika, jest włączone bezpośrednio do sieci zasilającej. Taki sposób włączenia uzwojenia wzbudzenia, przy którym prąd wzbudzenia IW = w~ nie zależy od obciążenia silnika Rw wymusza określone właściwości ruchowe silnika.

Łatwo się domyśleć, że właściwości ruchowe silnika bocznikowego muszą być takie jak silnika obcowzbudnego , w którym również prąd wzbudzenia nie zależy od obciążenia. Warto przy okazji zwrócić uwagę na odmienność zjawiska związanego z prądem wzbudzenia w silniku bocznikowym w porównaniu z prądnicą bocznikową.

Niezależność prądu wzbudzenia, a tym samym i przepływu, od obciążenia silnika decyduje o właściwościach ruchowych silnika. Niezależność przepływu wzbudzenia od obciążenia wykazują tylko silniki bocznikowe oraz obcowzbudne.

W silniku z uzwojeniem kompensacyjnym lub przy pominięciu oddziaływania twornika, kiedy $ « const, prędkość obrotowa zmniejsza się prawie proporcjonalnie do wzrostu obciążenia. Prędkość obrotowa przy biegu jałowym nn zależy od wartości prądu wzbudzenia oraz momentu potrzebnego do pokonania strat własnych maszyny.

Ze wzoru opisującego związek między prędkością obrotową a obciążeniem można wyciągnąć wniosek, że oddziaływanie twornika o działaniu przeciwnym do przepływu wzbudzenia, powodując zmniejszanie strumienia wypadkowego ($ — malejące) wpływa korzystnie na charakterystykę prędkości obrotowej silnika.

Za korzystniejszą uważa się taką charakterystykę silnika, przy której zmniejszanie się prędkości ze wzrostem obciążenia jest mniejsze. Tak więc można stwierdzić, że zjawisko oddziaływania twornika poprawia charakterystykę mechaniczną silnika.

Cechą charakterystyczną silnika bocznikowego jest względnie mała zmiana prędkości obrotowej w dużym przedziale zmian obciążenia.

Silniki innych typów wykazujące podobny przebieg charakterystyki mechanicznej określa się jako silniki o charakterystyce typu bocznikowego.

Istotną dla oceny właściwości silnika jest również charakterystyka momentu. Charakterystyką momentu nazywa się zależność momentu elektromagnetycznego od prądu twornika przy stałej wartości napięcia zasilającego, czyli M = f (It) przy U = const.

W silniku bocznikowym, w którym pominięto oddziaływanie twornika, czyli przyjęto $ « const, charakterystyka momentu jest prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych. Jeżeli w wyniku wzrastającego oddziaływania twornika strumień wypadkowy <D nieco maleje, charakterystyka momentu odbiega od linii prostej .

Jak już wykazano poprzednio, każdy silnik prądu stałego przy zmianie momentu obciążenia zmienia prędkość obrotową. Istotne natomiast jest zagadnienie nastawiania (regulowania) prędkości obrotowej silnika, to znaczy celowa zmiana prędkości obrotowej przy danym momencie obciążenia.

Silniki bocznikowe prądu stałego są szczególnie przydatne do ciągłego i w szerokim zakresie prowadzonego sterowania prędkości obrotowej układów napędowych.

Na tle tej metody nastawiania prędkości obrotowej warto zwrócić uwagę na rolę, jaką w maszynie elektrycznej odgrywa siła elektromotoryczna. Jeśli bowiem przyjąć, że nastawianie prędkości odbywa się przy stałej wartości momentu obciążenia, prąd twornika, zgodnie ze wzorem M = ce cp It = const nie może się zmienić. Może wydawać się niemożliwe utrzymanie nie zmienionej wartości prądu po wprowadzeniu do obwodu dodatkowej rezystancji. Jednak w przypadku maszyny wirującej, prąd twornika o wartości wymuszonej momentem obciążenia może pozostać nie zmieniany, ponieważ po włączeniu do obwodu rezystancji dodatkowej zmniejsza się siła elektromotoryczna indukowana w tworniku, a więc równanie równowagi napięć zostanie spełnione.

b. Nastawianie prędkości obrotowej przez zmianę prądu wzbudzenia

Nastawianie prędkości odbywa się przy stałej wartości napięcia zasilającego (U = const). Przy tej metodzie, prędkość obrotową można zmieniać zarówno „w górę", to jest powyżej prędkości biegu jałowego, jak też „w dół", to znaczy poniżej prędkości biegu jałowego. Dla uproszczenia zagadnienia pominięto zjawisko oddziaływania twornika.

Nastawianie „w górę" można przeprowadzić łatwo przez włączenie do obwodu wzbudzenia dodatkowej rezystancji nastawianej. Poprzez zmianę wartości rezystancji obwodu wzbudzenia zmniejsza się prąd wzbudzenia, a tym samym i strumień magnetyczny. Dla spełnienia warunku równowagi napięć, przy zmniejszeniu strumienia, musi zwiększyć się siła elektromotoryczna, a więc prędkość obrotowa. Przy tym sposobie regulacji należy zwracać uwagę na to, aby moment obciążenia silnika był mniejszy od znamionowego, ponieważ z warunku M = ce S> It = const wynika, że przy zmniejszaniu strumienia wzrasta prąd twornika.

Przy zmniejszaniu prędkości obrotowej strumień magnetyczny musi wzrastać. Przy silniku bocznikowym wzrost strumienia, czyli zwiększenie prądu wzbudzenia, jest możliwe tylko wtedy, gdy silnik w warunkach znamionowych pracuje z rezystancją dodatkową w obwodzie wzbudzenia, którą w celu zwiększenia prądu można zmniejszyć. Jeśli nie ma możliwości zmniejszenia rezystancji w obwodzie wzbudzenia dla powiększenia prądu wzbudzenia, silnik musi być uruchomiony jako obcowzbudny, przy czym napięcie zasilające obwód wzbudzenia musi być większe od napięcia znamionowego silnika.

Nastawiając prędkość obrotową silnika przez zmianę strumienia magnetycznego (prądu wzbudzenia), należy pamiętać o nieliniowości obwodu magnetycznego maszyny. Ze względu na nieliniowość obwodu magnetycznego charakterystyka regulacyjna silnika, to jest zależność prędkości obrotowej od prądu wzbudzenia, przy stałym momencie obciążenia i stałej wartości napięcia twornika, jest również nieliniowa. Wpływ nieliniowości obwodu magnetycznego jest szczególnie widoczny przy zwiększaniu prądu wzbudzenia. Tak więc zakres nastawiania prędkości obrotowej tą metodą jest ograniczony, ponieważ uzyskanie strumienia magnetycznego o wartości większej od znamionowego zwykle nie jest możliwe.