MASZYNY ELEKTRYCZNE Wprowadzenie Maszyna elektryczna – urządzenie elektromechaniczne działające na zasadzie indukcji elektromagnetycznej i zjawiska dynamicznego oddziaływania pola magnetycznego na przedwodnik z prądem służące do przetwarzania energii przy udziale ruchu mechanicznego. Rodzaje maszyn elektrycznych:
− PRĄDNICE (GENERATORY) – przetwarzają energię mechaniczną na elektryczną, − SILNIKI - przetwarzaję energię elektryczną na mechaniczną, − PRZETWORNICE ELEKTROMASZYNOWE – przetwarzają energię elektryczną na
elektryczną ze zmianą napięcia, częstotliwości, liczby faz, itp. Podział maszyn elektrycznych (rodzaj prądu):
− prądu stałego o silniki, o prądnice, o prądnice tachometryczne, o wzacniacze maszynowe
− prądu przemiennego o asynchroniczne
indukcyjne • silniki pierścieniowe, • klatkowe, • wykonawcze, • prądnice tachometryczne
komutatorowe o synchroniczne
silniki, prądnice prądnice tachometryczne
Podstawowe części składowe maszyn elektrycznych:
− stojan – nieruchoma część silnika − wirnik – część ruchoma wirująca wokół stałej osi − szczotki – styki ślizgowe doprowadzające prąd do wirnika − komutator – przłącznik prądu zmieniający kierunek przepływu prądu w obwodzie − pierścienie
Twornik – część maszyny (stojan, wirnik), do której doprowadzana jest przetwarzana energia elektryczna lub z której odprowadza się energię elektryczną przetworzoną. Magneśnica – część maszyny, w której wytwarza się pole magnetyczne.
SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU STAŁEGO
1. Silnik bocznikowy prądu stałego 1.1. Konstrukcja
N
S
NS
12 Φw
12 Φw
Iw
ω
oś neutralna
1
2
3
4
5
It
It
Rys.1. Silnik bocznikowy prądu stałego: 1 - stojan, 2 - biegun główny z uzwojeniem wzbudzającym, 3 - wirnik
z uzwojeniem wirnika (twornika), komutatorem i szczotkami, 4 - biegun komutacyjny (dodatkowy) z uzwojeniem komutacyjnym, 5 - uzwojenie kompensacyjne; linią przerywaną zaznaczono rozpływ strumienia magnetycznego uzwojenia wzbudzenia
+-U
IB2 A1
It
2 I = It
F2 F1
Uw+-
1
Φw
Rwd Iw
a)+- U
IB2 A1
It
2
1
Φw
Iw
I = It + Iw
b)
Rwd
E E
E2 E1
Rtd Rtd
Rys.2. Układy połączeń silników bocznikowych prądu stałego: a) silnik obcowzbudny, b) silnik
samowzbudny (bocznikowy); 1 - uzwojenie wzbudzenia, 2 - uzwojenie komutacyjne i ewentualnie uzwojenie kompensacyjne (dla dużych mocy)
1.2. Zasada działania
Prąd magnesujący Iw, przepływający przez uzwojenie cewek wzbudzenia, wytwarza strumień magnetyczny Φw, który zamyka się przez rdzenie biegunów, szczelinę powietrzną, rdzeń wirnika i przez część stojana zwaną jarzmem. Strumień ten dzieli się na dwa strumienie po 1/2 Φw, przenikające przez dwie równoległe części obwodu magnetycznego (rys.2.12). Strumień ten jest nieruchomy względem stojana.
N
S
S N
It
A B
ω
α0
1 1
1'
1'
U- +
It
Φw
Φkm
Φt
Φkt
oś b
iegu
na N
oś b
iegu
na S
oś n
eutra
lna
1
oś n
eutra
lna
1
0
B, e
α
π 2π
Bt
0
α
B
0
α
α0 α0
oś n
eutra
lna
oś n
eutra
lna
a)
b)
c)
d)
F
F It
1' 1 1' 1 Rys.3. Zasada działania silnika prądu stałego: a) szkic ideowy silnika, b) rozkład indukcji Bw pod biegunami
przy biegu jałowym, c) rozkład indukcji oddziaływania twornika, d) wypadkowy rozkład indukcji z uwzględnieniem nasycenia; 1 - oś neutralna przy biegu jałowym lub z biegunami komutacyjnymi, 1′- oś neutralna przy obciążeniu i bez biegunów komutacyjnych
F = B It l .
Kierunek tych sił mechanicznych można określić posługując się regułą lewej dłoni. Siły mechaniczne działając na przewody wirnika powodują powstanie momentu elektromagnetycznego (napędowego), który z kolei powoduje ruch obrotowy wirnika.
∑= FrM , ωPM = , P = E It .
ncpnaNE wEw Φ=Φ⋅=
60,
gdzie: N - liczba wszystkich przewodów wirnika,
a - liczba par gałęzi równoległych uzwojenia wirnika, p - liczba par biegunów, n - prędkość obrotowa wirnika, Φw - strumień uzwojenia wzbudzenia,
cE - stała konstrukcyjna
=
aNpcE 60
.
twMtw IcIa
pNM Φ=Φ=π2
,
gdzie cM jest stałą konstrukcyjną, niezmienną dla danej maszyny
a
pNcM π2= .
Związek między mocą, momentem i prędkością obrotową dany jest wzorem
nPM 55,9= ,
w którym M jest liczone w N⋅m, P w kW, a n w obr/min. Napięcie zasilania U jest równoważone przez siłę elektromotoryczną E i spadek napięcia
na rezystancji całkowitej twornika Rtc
U = E + Rtc It .
Rezystancja Rtc jest sumaryczną rezystancją: uzwojenia twornika Rt, rezystancją przejścia między szczotkami a komutatorem Rp, szczotek Rk oraz uzwojenia biegunów komutacyjnych Rk (i ewentualnie uzwojenia kompensującego)
Rtc = Rt + Rp + Rsz + Rk .
mE
ttc
ΦcIRU
n−
= .
Gdy silnik znajduje się w stanie tzw. idealnego biegu jałowego, tzn. gdy It = 0, wówczas
napięcie sieci zasilającej jest równoważone tylko przez siłę elektromotoryczną E0 i prędkość obrotowa silnika wynosi
mEΦc
Un =0 .
Prędkość obrotową n silnika przy dowolnym prądzie obciążenia It można teraz wyrazić przez prędkość obrotową biegu jałowego n0
−=
UIRnn ttc10 .
1.3. Charakterystyki mechaniczne
Charakterystykami mechanicznymi silnika nazywa się zależności n = f(M) oraz I = f(M), (rys.4).
0
I
I(M)In
1
2
1
2
n(M)
n
M
Mn
n0
nn
Rys.4. Charakterystyki mechaniczne n = f(M), I = f(M): 1 - maszyna skompensowana, 2 - maszyna nieskompensowana
1.4. Charakterystyka zewnętrzna Charakterystyką zewnętrzną silnika nazywamy zależność prędkości obrotowej silnika od
prądu twornika przy stałym napięciu na zaciskach twornika i stałym prądzie wzbudzenia, n = f(It).
0
I
It
n
n02
n01
Iw2
Iw1
Iw2 < Iw1
Iz =URtc
U = const
Rys.5. Charakterystyka zewnętrzna silnika n = f(It) przy U = const, Iw = const
1.5. Charakterystyka obciążenia
Charakterystyka obciążenia silnika określa zależność prędkości obrotowej silnika od prądu wzbudzenia, n = f(Iw) przy U = const i It = const.
0
I
Iw
n
It1
It1 < It2 < It3
It2
It3
wsilwzasta
Rys.6. Charakterystyka obciążenia silnika n = f(Iw)
przy U = const i It = const
1.6. Charakterystyka regulacji
0
Iw
It
n2 < n1
n2
Iw2
Iw1
U = const
n1
Rys.7. Charakterystyka regulacji silnika Iw = f(It) przy U = c 1.7. Straty i sprawność silnika prądu stałego
Przy pracy silnika prądu stałego moc elektrycznasię na moc mechaniczną Pm na wale silnika oraz moc
Pel = Pm + ∆P
Straty ∆P dzielą się na trzy grupy: straty jałowobciążenia ∆Pobc.
Straty jałowe są to straty w żelazie na histerezę i ptarcie w łożyskach, tarcie szczotek o komutator oraz
∆P0 = ∆PFe + ∆
Straty wzbudzenia są to straty mocy na ciepło Jou
( wdwwz RRP +=∆
Charakterystyka ta pozwala na yciągnięcie wniosków o zachowaniu się nika przy regulacji prędkości obrotowej górę poprzez osłabienie wzbudzenia z chowaniem stałości napięcia zasilania i łej wartości prądu obciążenia.
Charakterystyka regulacji jest to zależność prądu wzbudzenia od prądu twornika, Iw = f(It) przy stałym napięciu zasilania i stałej prędkości obrotowej.
Charakterystyka regulacji pozwala określić zakres obciążenia silnika, przy którym możliwe jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej poprzez regulację prądu wzbudzenia.
onst i n = const
Pel, doprowadzona do silnika, rozdziela strat
.
e ∆P0, straty wzbudzenia ∆Pwz, straty
rądy wirowe oraz straty mechaniczne na straty wentylacyjne
Pm .
le'a w uzwojeniu wzbudzającym
) 2wI .
Straty obciążeniowe są związane z przepływem prądu w obwodzie twornika
. 2ttcCuobc IRPP =∆=∆
Straty całkowite
obcwz PPPP ∆+∆+∆=∆ 0 .
Sprawność silnika prądu stałego oblicza się według zależności
PP
PPP
m
m
el
m
∆+==η .
1.8. Rozruch silnika bocznikowego prądu stałego
Prędkość obrotowa silnika bocznikowego prądu stałego wyraża się wzorem
mE
tc
cRUnΦ
−= .
Przy nieruchomym silniku (n=0) brak jest w obwodzie twornika siły elektromotorycznej. W chwili włączenia silnika do sieci płynie w uzwojeniu wirnika bardzo duży prąd Itz (Itz ≈ 20In)
tc
tz RUI = .
Rozruch napięciowy silnika polegający na zmniejszeniu napięcia w chwili rozruchu nie jest stosowany dla silników bocznikowych. Można w ten sposób ograniczyć prąd rozruchowy, ale jednocześnie moment rozruchowy jest bardzo mały, gdyż strumień wzbudzenia jest niewielki.
W silnikach bocznikowych prądu stałego ograniczenie prądu rozruchowego przy jednoczesnym odpowiednio dużym momencie rozruchowym uzyskuje się przez włączenie w obwód wirnika dodatkowych rezystorów rozruchowych Rtd = Rd. Silnik zasilany jest napięciem znamionowym. Tym samym w uzwojeniu wzbudzenia płynie prąd znamionowy.
Wartość rezystancji rozruchowych dobiera się tak, aby prąd rozruchowy nie przekroczył dwukrotnej wartości prądu znamionowego silnika
ndtc
r IRR
UI 2≤+
= .
Gdy wirnik zaczyna się obracać, powstaje w nim siła elektromotoryczna E i prąd
rozruchowy maleje liniowo ze wzrostem prędkości obrotowej zgodnie z równaniem
dtcdtc
r RRknU
RREUI
+−
=+−
= .
R1
Rtc
R2
R3
R4
+U
E
A1
B2
-
n
n0
nop
n1
n2
n3
n4
PA
B
C
D
E
F M
Rtc
R1
R2
R3
R4
Mop M1 M2
Iop I1 I2
I0
a) b)
Rys.8. Rozruch rezystancyjny silnika bocznikowego prądu stałego: a) układ połączeń rozrusznika,
b) charakterystyki mechaniczne
rezystancję ostatniego stopnia rozruchowego 2I
URz = ,
gdzie z jest liczbą stopni rozrusznika.
=
==
−−
−
.
,,
211
2211
211
IRIR
IRIRIRIR
tc
zz
zz
M
Wprowadzając stosunek przełączania λ
1
2
1
2
II
MM
==λ
tcz
z
z
z
RR
RR
RR 1
2
1
1
====−
−
−
Kλ .
Wynika stąd, że rezystancje obwodu twornika tworzą ciąg geometryczny o ilorazie λ,
wyrazie początkowym Rtc, wyrazie końcowym Rz i liczbie wyrazów z+1. Jest zatem
. ztcz RR .λ=
Stąd liczba stopni rozrusznika:
λlnlnln tcz RRz −
= .
1.9. Regulacja prędkości obrotowej silnika bocznikowego prądu stałego Zmiana napięcia zasilania
n
U
I t = constΦm = const
Rtc It
n
M
U1 > U2 > U3
Φm = const
n01
n02
n03
I
U1
U2
U3
n(M)
I(M)
a) b)
0 0 Rys.9. Zmiana napięcia zasilania silnika bocznikowego prądu stałego: a) charakterystyka n = f(U),
b) charakterystyki mechaniczne n = f(M) i I = f(M) Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej
n
U = const It = const
Iw min
n
M
n01
n02
Iw2
a) b)
nmax
nmin
Iw max
Iw
Φ w(I w)
n = (Iw)
Φw
0 0 Mn Mr2 Mr1
Iw1
Iw2 < Iw1
Rys.10. Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej: a) charakterystyka magnesowania Φw = f(Iw)
i charakterystyka n = f(Iw), b) charakterystyka mechaniczna n = f(M) Zmiana rezystancji obwodu twornika n
M
n0
n2
n3
I
n1
n4
0 Mop
n(M)
I(M)
Rtd1 = 0
Rtd2
Rtd3
Rtd4
Rys.11. Charakterystyki mechaniczne przy zmianie rezystancji obwodu twornika; Rtd1 < Rtd2 < Rtd3 < Rtd4
1.10. Hamowanie silnika bocznikowego prądu stałego
Hamowanie polega na wytworzeniu przez silnik momentu hamującego przeciwnego do kierunku ruchu wału silnika. Istnieją trzy sposoby hamowania elektrycznego:
1. odzyskowe (prądnicowe), 2. dynamiczne, 3. przeciwprądowe.
Hamowanie elektryczne silników bocznikowych prądu stałego wymaga zmiany kierunku momentu obrotowego silnika na przeciwny do kierunku obrotów przy pracy silnikowej. Hamowanie odzyskowe
n
M
I
Rtc
I(M)
n(M)
Rtc+Rd
-M1 -M2
-I1
-I2
0
poidcisispEzmpł
Rys.12. Charakterystyki hamowania odzyskowego
(prądnicowego) Hamowanie dynamiczne
Uzwojenie wzbudzenia zasila się z obcego źródłazasilającej, a załączony jest na rezystancję dodatkową Rd (
I(M)
n(M)
-M1 -MI
RdE A1B2
Φw
a)
E1
E2
b)
RRd1
+-
Rys.13. Hamowanie dynamiczne: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowania dynamic
Hamowanie odzyskowe zachodzi przekroczeniu prędkości obrotowej ealnego biegu jałowego n0. W punk-e tym następuje przejście od pracy lnikowej do pracy prądnicowej w osób ciągły, siła elektromotoryczna
rośnie powyżej napięcia U, prąd ienia kierunek na przeciwny i
ynie do sieci (rys.12).
. Silnik odłączony jest od sieci rys.13a).
n
M
I
Rtc
2
-I1
-I2
Mop
d2 n0
0
znego dla Rd1 <Rd2
Hamowanie przeciwprądowe
n
M
I(M)n(M)
-M1
-M2
-I1
-I2
Mop
Rd2Rd1
n0
0
-n0
Hamowanie przeciwprądowe silnika realizuje sięprzez zmianę biegunowości twornika. Wirnikobraca się w kierunku przeciwnym do kierunkumomentu elektromagnetycznego, który staje sięwobec tego momentem hamującym. Prąd i momentobrotowy są wtedy bardzo duże; dla wartościdopuszczalnej ogranicza się je przez włączeniedużych rezystancji do obwodu twornika (rys.14).
Moment hamujący maleje wraz z malejącąprędkością obrotową. Aby uniknąć ponownegorozruchu w kierunku przeciwnym, wyłącza sięsilnik w chwili zatrzymania się lub tuż przedosiągnięciem stanu spoczynku. Energia hamowania,nie przekształcona przez maszynę roboczą,zamienia się na ciepło w obwodzie twornika.Rys.14. Charakterystyki hamowania
przeciwprądowego; Rd1 < Rd2
2. Silnik szeregowy prądu stałego 1. Konstrukcja
I
B2
2
1
Φw
Rwb
E
Rtd
+-U
A1 D2D1
Rys.15. Układ połączeń silnika szeregowego prądu stałego: 1 - uzwojenie wzbudzenia, 2 - uzwojenie
komutacyjne i ewentualnie kompensacyjne 2. Zasada działania I = Iw = It . M = cM1 I2 , gdzie cM1 jest stałą konstrukcyjną silnika.
Ze schematu zastępczego (rys.15) otrzymuje się równanie napięć silnika (Rtd = 0, Rwb
= ∞)
U = E + Rc I ,
w którym rezystancja całkowita jest sumą rezystancji całkowitej twornika Rtc i rezystancji uzwojenia wzbudzenia Rw
Rc = Rtc + Rw.
Siła elektromotoryczna E dana jest wzorem
E = cE Φ n = cE1 I n ,
gdzie cE1 jest nową stałą konstrukcyjną silnika.
Mamy więc wzór na prędkość obrotową silnika:
IcIRUn
E
c
1
−= ,
który jest równaniem hiperboli. Uwzględniając zależność momentu M od prądu I dostajemy charakterystyki mechaniczne.
0
I
In
n(M)
n
Mn
nn
M
I(M)
Rys.16. Charakterystyka mechaniczna n = f(M) oraz zależność I = f(M) silnika szeregowego prądu stałego 3. Rozruch silnika szeregowego
Rozruchu silnika szeregowego prądu stałego dokonuje się przez włączanie do obwodu twornika rezystancji dodatkowej Rtd. Rezystancja obwodu twornika wzrasta do Rz
Rz = Rtd + Rc .
Prędkość obrotowa silnika zmienia się przy określonym prądzie i strumieniu wzbudzenia w stosunku
( )IRU
IRRUnn tdcz
−+−
= .
Przyjmując prądy przełączeniowe I1 i I2 oraz odpowiadające im momenty obrotowe M1 i
M2 oblicza się największą rezystancję rozrusznika dla prędkości obrotowej n = 0
ctd RIUR −=
21 .
Rtd
3
Rc
Rtd
2
Rtd
1
E
n
nop
n2
n3
n4
Iop I1 I2
I
0
A
D
C
B
Rtd=0
Rtd
3
Rtd
2
Rtd
1
a) b)+
- Rys.17. Rozruch silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń rozrusznika, b) charakterystyki
mechaniczne dla Rtd1 > Rtd2 > Rtd3 4. Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego prądu stałego Zmiana napięcia zasilania n
MU1 > U2 > U3
I
U1
U2
U3
n(M)
I(M)
0
Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej
n
MΦ 1 > Φ 2 > Φ 3
I
Φ 3
n(M)
I(M)
0
Φ 2
Φ 1
Φ 3
Φ 2
Φ 1
Zmiana rezystancji obwodu twornika
Rys.18. Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego przy stopniowej zmianie napięcia zasilania
Rys19. Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego przy osłabianiu strumienia wzbudzenia za pomocą rezystancji bocznikującej
n
M
Rt3 > Rt2 > Rt1
I
Rt1
I(M)
0
Rt2
Rt3
Rys.20. Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego o rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika
Bocznikowanie twornika
n
M
Rb1 > Rb2 > Rb3
Rb1
0
Rb2
Rb3
Rb=∞n01
n02
n03
Ib
It
I
Iw
Rb E
A1
B2D2 D1
+ -U
Φw
a) b)
Rys.21. Bocznikowanie twornika: a) układ połączeń, b) charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego
prądu stałego 5. Hamowanie silnika szeregowego prądu stałego Hamowanie odzyskowe
It
Iw
RdE
U+ -
Rys.22. Układ hamowania odzyskowego silnika szeregowego prądu stałego z przełączonym uzwojeniem
wzbudzenia Hamowanie dynamiczne
It
Rd
E
n
M
I(M)
n(M)
-M1 -M2
-I1
-I2
Mop
Rd2
Rd3
0
D1D2
Φw
A1
B2 -M3
I(M)
n(M)
Rd1
I
-I3
Rd1 < Rd2 < Rd3
a)
b)
Rys.23. Hamowanie dynamiczne silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki
hamowania dynamicznego Hamowanie przeciwprądowe
Rd
E
n
M
I(M)
n(M)
-M1 -M2
-I1
Mop
Rd2
0D1D2
ΦwA1
B2
I(M)Rd1
I
-I2 Rd1 < Rd2
a)
b)
U
n(M)
Rys.24. Hamowanie przeciwprądowe silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowania przeciwprądowego
Top Related