Recenzenci: mgr inż. Grażyna Adamiec mgr inż. Henryk Krystowiak. Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Katarzyna Maćkowska. Konsultacja: dr Bożena Zając

Transkrypt

1

2 Recenzenci: mgr inż. Grażyna Adamiec mgr inż. Henryk Krystowiak Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Katarzyna Maćkowska Konsultacja: dr Bożena Zając Korekta: mgr inż. Jarosław Sitek Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[08].O3.01 Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik elektryk. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom

3 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 4 3. Cele kształcenia 5 4. Materiał nauczania Ogólne wiadomości o maszynach elektrycznych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Budowa, zasada działania i zastosowanie transformatorów Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Budowa, zasada działania i zastosowanie silników indukcyjnych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Budowa, zasada działania i zastosowanie maszyn synchronicznych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Budowa, zasada działania i zastosowanie maszyn komutatorowych prądu stałego i przemiennego Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Sprawdzian osiągnięć Literatura 60 2

4 1. WPROWADZENIE Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy (kształtowaniu umiejętności) z zakresu jednostki modułowej 311[08].O3.01 Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej. W poradniku zamieszczono: cele kształcenia, materiał nauczania, pytania sprawdzające, ćwiczenia, sprawdziany postępów, sprawdzian osiągnięć, literaturę. Szczególną uwagę zwróć na: powiązanie zjawisk elektrodynamicznych występujących w polu magnetycznym z zasadą działania maszyn wirujących, powiązanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej z działaniem maszyn elektrycznych, powiązanie właściwości ferromagnetyków z elementami budowy maszyn elektrycznych, opanowanie umiejętności rozróżniania typowych rodzajów transformatorów, prądnic i silników elektrycznych, opanowanie umiejętności rozpoznawania podzespołów maszyn elektrycznych i stosowanie poprawnego nazewnictwa, poprawną interpretację informacji zawartych na tabliczkach znamionowych, analizę pracy maszyn elektrycznych na podstawie ich schematów i charakterystyk. Korzystając z poradnika nie ucz się pamięciowo, ale staraj się kojarzyć fakty. Analizując zasadę działania i budowę maszyn pamiętaj o prawach obowiązujących w polu magnetycznym i zjawiskach w nim występujących, a zagadnienia budowy i zasady działania okażą się oczywiste. Staraj się samodzielnie wyciągać wnioski. Z zagadnieniem przetwarzania energii elektrycznej spotykamy się na co dzień. Silniki elektryczne, stosowane między innymi w: sprzęcie gospodarstwa domowego, elektronarzędziach i pojazdach samochodowych, przetwarzają energię elektryczną na mechaniczną. Transformatory, znajdujące zastosowanie m.in. w: sprzęcie elektronicznym, zasilaczach, ładowarkach akumulatorów a także na początkach i na końcach linii elektroenergetycznych, przetwarzają energię prądu przemiennego o jednym napięciu i prądzie na energię elektryczną o innym napięciu i prądzie, przy tej samej częstotliwości i mocy. Elektromechanicznymi źródłami energii elektrycznej (napięcia) są prądnice wytwarzające energię elektryczną na skalę przemysłową w elektrowniach a także występujące w każdym pojeździe samochodowym. Pojawiający się w tekście i w opisie rysunków zapis [1], [2] wskazuje pozycję literatury podanej w wykazie, z której pochodzi fragment tekstu lub rysunek. 3

5 2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej powinieneś umieć: interpretować zależności matematyczne i wnioskować o wpływie poszczególnych składników na wartość liczbową wyrażenia, rysować przebieg funkcji na podstawie jej zapisu arytmetycznego, opisywać właściwości funkcji na podstawie jej przebiegu, rysować i odczytywać wykresy wektorowe oraz analizować zależności matematyczne między wielkościami opisującymi dwójnik szeregowy i równoległy RL w obwodzie prądu sinusoidalnego, zapisywać i interpretować prawo Joule a Lenza, interpretować zjawisko indukcji elektromagnetycznej, analizować zjawisko indukcji elektromagnetycznej, interpretować zjawiska elektrodynamiczne występujące w polu magnetycznym, definiować i interpretować podstawowe prawa obwodów elektrycznych i magnetycznych, stosować reguły śruby prawoskrętnej i prawej ręki do wyznaczania zwrotu strumienia magnetycznego, stosować regułę lewej dłoni do wyznaczania zwrotu siły elektrodynamicznej i prawej dłoni do wyznaczania zwrotu siły elektromotorycznej. 4

6 3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej Charakteryzowanie procesów przetwarzania energii elektrycznej powinieneś umieć: sklasyfikować maszyny elektryczne ze względu na rodzaj prądu, zasadę działania, budowę oraz rodzaj przetwarzanej energii, scharakteryzować pracę transformatora i maszyn wirujących jako przetworników energii, wyjaśnić zasadę odwracalności pracy maszyn elektrycznych, wyjaśnić zasadę działania podstawowych rodzajów maszyn elektrycznych, rozróżnić maszyny elektryczne na podstawie wyglądu zewnętrznego, schematu i tabliczki znamionowej, rozpoznać elementy konstrukcyjne podstawowych maszyn elektrycznych i określić ich przeznaczenie, zinterpretować parametry transformatorów i maszyn wirujących umieszczone na tabliczkach znamionowych, obliczyć podstawowe parametry różnych rodzajów maszyn elektrycznych wykorzystując zależności między nimi, scharakteryzować podstawowe właściwości ruchowe maszyn elektrycznych, wyjaśnić przyczyny powstawania strat mocy w maszynach elektrycznych i określić ich sprawność, skorzystać z literatury, katalogów i dokumentacji technicznej maszyn elektrycznych, zastosować zasady bhp podczas obsługi maszyn elektrycznych. 5

7 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Ogólne wiadomości o maszynach elektrycznych Materiał nauczania Podział maszyn elektrycznych Maszyna elektryczna to urządzenie elektromechaniczne przetwarzające energię: elektryczną w mechaniczną, mechaniczną w elektryczną, elektryczną w elektryczną przy zmianie takich wielkości jak: napięcie, prąd i częstotliwość, z wykorzystaniem pola magnetycznego i przy udziale ruchu. Ze względu na istotne różnice konstrukcyjne maszyny elektryczne dzielimy na: maszyny elektryczne wirujące, maszyny elektryczne liniowe, transformatory przetwarzanie energii odbywa się bez udziału ruchu. Ze względu na rodzaj przetwarzanej energii maszyny wirujące dzielimy na: silniki, prądnice, przetwornice. Ze względu na rodzaj prądu maszyny elektryczne dzielimy na: maszyny prądu stałego, maszyny prądu przemiennego: o jednofazowe, o wielofazowe. Maszyny prądu stałego, ze względu na sposób zasilania uzwojenia wzbudzenia, dzielimy na: obcowzbudne, samowzbudne: o bocznikowe, o szeregowe, o szeregowo-bocznikowe. Maszyny prądu przemiennego dzielą się na: synchroniczne, asynchroniczne (indukcyjne), komutatorowe o jednofazowe, o trójfazowe. Podstawowe zjawiska fizyczne występujące w maszynach elektrycznych Najważniejszymi zjawiskami związanymi z działaniem maszyn elektrycznych są:! zjawiska elektromagnetyczne,! zjawiska indukcji elektromagnetycznej,! zjawiska elektrodynamiczne,! zjawiska cieplne. 6

8 Zjawiska elektromagnetyczne Do działania maszyn elektrycznych niezbędne jest pole magnetyczne. Pole magnetyczne występuje wokół magnesu trwałego i poruszających się ładunków elektrycznych. Wokół przewodu wiodącego prąd powstaje pole magnetyczne, a zwrot strumienia magnetycznego Φ, a tym samym wektora indukcji magnetycznej B, zależy od zwrotu prądu I (rys.1.a). Zwrot pola magnetycznego wokół cewki zależy od zwrotu prądu oraz od kierunku nawinięcia (rys.1.b). Do wyznaczenia zwrotu strumienia magnetycznego wokół przewodu z prądem możemy posłużyć się regułą śruby prawoskrętnej a wokół cewki skupionej regułą prawej ręki. a) a 1 ) Φ I 1 a 2 ) Φ I 1 b) Φ b 1 ) b 2 ) Φ I I Rys. 1. Zwrot strumienia magnetycznego: a) wokół przewodu prostoliniowego: a 1 ) prąd płynie za płaszczyznę rysunku, a 2 ) prąd płynie zza płaszczyzny rysunku, b) wytworzonego przez cewkę skupioną: b 1 ) uzwojenie lewoskrętne, b 2 ) uzwojenie prawoskrętne. W maszynach elektrycznych pole magnetyczne niemal wyłącznie wytwarzane jest przez przepływ prądu w cewce skupionej umieszczonej na rdzeniu wykonanym z ferromagnetyka. Przepływem Θ przez powierzchnię S nazywamy sumę algebraiczną prądów przepływających przez tę powierzchnię czyli: Θ = ΣI k Znak + piszemy, gdy zwrot prądu I jest podporządkowany kierunkowi obiegu krzywej brzegowej powierzchni S zgodnie z regułą śruby prawoskrętnej. W cewce w każdym zwoju płynie ten sam prąd I, dlatego też dla cewki o N zwojach możemy napisać: Θ = N I Jednym z podstawowych praw obwodów magnetycznych jest prawo przepływu, które określa związek między przepływem Θ i natężeniem pola magnetycznego H: Suma iloczynów natężeń pola magnetycznego H k i odcinków linii pola l k, wzdłuż których natężenie pola nie ulega zmianie, branych po drodze zamkniętej, równa się przepływowi prądu obejmowanemu przez tę drogę zamkniętą, co możemy zapisać: n k = 1 H k l k gdzie: l k odcinek drogi strumienia magnetycznego, wzdłuż którego występuje natężenie pola H k, a cała droga zamknięta l = l 1 + l 2 + l l n = Θ Jeśli natężenie pola nie zmienia się wzdłuż całej drogi l to H n k = 1 k l k = H l i prawo przepływu możemy zapisać: H l = Θ Dokładniej zjawiska te zostały omówione w jednostce modułowej 311[08].O1.03 Analiza zjawisk występujących w polu elektrycznym i magnetycznym. Strumieniem skojarzonym Ψ z cewką o liczbie zwojów N nazywamy sumę strumieni magnetycznych Φ k sprzężonych z każdym ze zwojów cewki. Ψ = N N k k= 1 Φ k 7

9 W przypadku cewki skupionej z każdym ze zwojów skojarzony jest ten sam strumień, a więc strumień skojarzony z cewką obliczamy z zależności: Ψ = N Φ Indukcyjnością własną cewki L nazywamy stosunek strumienia Ψ wytworzonego przez prąd płynący w cewce i skojarzonego z cewką do prądu I, który ten strumień wytworzył. L = ψ I O dwóch cewkach możemy powiedzieć, że są sprzężone magnetycznie, jeżeli strumień magnetyczny wytworzony przez prąd płynący w jednej cewce choć częściowo obejmuje drugą cewkę. Indukcyjnością wzajemną M dwóch cewek nazywamy stosunek strumienia magnetycznego Ψ 12 wytworzonego przez prąd I 1 płynący w jednej z cewek, skojarzonego z drugą z cewek do prądu, który ten strumień wytworzył. 12 M = Ψ I1 Miarą stopnia sprzężenia magnetycznego dwóch cewek o indukcyjnościach własnych L 1 i L 2 jest współczynnik sprzężenia magnetycznego: M k = L 1 L 2 Współczynnik sprzężenia magnetycznego może przyjmować wartości z zakresu 0 k 1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej W 1831 r. Michael Faraday odkrył prawo indukcji elektromagnetycznej, które można sformułować następująco: Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na powstawaniu napięcia indukowanego, inaczej siły elektromotorycznej, w uzwojeniu przy jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem i zapisać matematycznie: Ψ Φ e = = N t t Znak minus w równaniach wynika z reguły Lenza akcji i reakcji zwanej regułą przekory. Możemy wyodrębnić trzy szczególne przypadki zjawiska indukcji elektromotorycznej: 1. Indukowanie siły elektromotorycznej e w przewodzie o długości l poruszającym się z prędkością υ w polu magnetycznym o indukcji B siła elektromotoryczna rotacji. Jeśli przewód porusza się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku linii sił pola magnetycznego, to wartość siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy z zależności: e = B l υ Jeżeli kierunek wektora prędkości υ i wektora indukcji B tworzą kąt α, to wartość siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy ze wzoru: e = B l υ sinα 2. Indukowanie siły elektromotorycznej w cewce (przewodzie) o indukcyjności własnej L na skutek zmian prądu w niej płynącego nazywane zjawiskiem indukcji własnej. Siła elektromotoryczna indukcji własnej (samoindukcji) i e L = L t 8

10 3. Indukowanie siły elektromotorycznej w cewce na skutek zmian prądu w innej cewce sprzężonej magnetycznie z cewką rozpatrywaną nazywane jest zjawiskiem indukcji wzajemnej. Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej i e M = M t Dokładniej zjawiska te zostały omówione w jednostce modułowej 311[08].O1.03 Analiza zjawisk występujących w polu elektrycznym i magnetycznym. Zjawiska elektrodynamiczne Zjawiska elektrodynamiczne związane są z działaniami dynamicznymi, występującymi w polu magnetycznym, czyli ze zjawiskami powstawania siły. W maszynach elektrycznych zjawiska te można sprowadzić do trzech typowych przypadków: 1. Działanie pola magnetyczne na przewód z prądem Jeżeli przewód o długości l umieszczony jest prostopadle do wektora indukcji B, to wartość siły elektrodynamicznej F, z jaką pole magnetyczne oddziałuje na przewód z prądem wyznaczamy z zależności: F = B I l gdzie: B indukcja magnetyczna, I natężenie prądu płynącego w przewodzie, l czynna długość przewodu. Jeżeli kąt między wektorem indukcji B a przewodem nie jest prosty i wynosi α, to wzór przyjmuje postać: F = B I l sinα 2. Wzajemne oddziaływanie dwóch przewodów z prądem Dwa przewody równoległe, w których płyną prądy I 1 i I 2 oddziałują na siebie siłą proporcjonalną do iloczynu tych prądów a odwrotnie proporcjonalną do odległości a między przewodami. Siła zależy również od przenikalności magnetycznej środowiska µ, w którym znajdują się przewody i długości czynnej l przewodów. µ I1 I 2 F12 = F21 = l 2 π a 3. Działanie pola magnetycznego na elementy wykonane z materiału ferromagnetycznego. Dokładniej zjawiska te omówione zostały w jednostce modułowej 311[08].O1.03 Analiza zjawisk występujących w polu elektrycznym i magnetycznym. Zjawiska cieplne Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy zawsze zjawisko wydzielania się energii cieplnej. Dla maszyn jest to zjawisko niepożądane, gdyż powoduje nagrzewanie się maszyny i zmniejszenie jej sprawności. Źródła energii cieplnej w maszynach to : przepływ prądu przez uzwojenia maszyny, przepływ prądów wirowych w rdzeniu, przemagnesowywanie rdzenia (pętla histerezy jest miarą strat histerezowych), dielektryk poddany działaniu zmiennego pola elektrycznego, tarcie w łożyskach i szczotek o komutator lub pierścienie ślizgowe. 9

11 Zasada odwracalności pracy maszyn elektrycznych Działając siłą F na przewód o długości l umieszczony w polu magnetycznym o indukcji B nadajemy mu prędkość υ i jednocześnie powodujemy ruch elektronów swobodnych będących nośnikami ładunku elektrycznego w przewodnikach kategorii I. Na elektrony poruszające się wraz z przewodem w polu magnetycznym pole oddziałuje siłą przemieszczając je w przewodzie w kierunku zgodnym z regułą lewej dłoni, i w efekcie na jednym końcu przewodu mamy nadmiar elektronów (potencjał ujemny ) a na drugim końcu niedobór (potencjał dodatni + ). Między końcami przewodu powstaje różnica potencjałów, zwana siłą elektromotoryczną rotacji. Jeśli przewód porusza się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku linii sił pola magnetycznego, to wartość siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy z zależności: e = B l υ a) F e e υ B F b) R w i u w l e υ e u R odb F e B F Rys. 2. Rysunek wyjaśniający zasadę działania prądnicy: a) najprostszy model prądnicy, b) schemat zastępczy Zwrot siły elektromotorycznej rotacji wyznaczamy za pomocą reguły prawej dłoni. Jeżeli zamkniemy obwód podłączając do przewodu odbiornik, w przewodzie popłynie prąd o zwrocie zgodnym ze zwrotem siły elektromotorycznej rotacji (rys.2b). Przy stałej wartości i stałym zwrocie prędkości, w jednorodnym polu magnetycznym w przewodzie indukuje się siła elektromotoryczna o stałej wartości E, a więc i prąd będzie miał stałą wartość I. Ponieważ przewód z prądem I znajduje się w polu magnetycznym, działa na niego siła elektrodynamiczna F e = B I l Zwrot siły elektrodynamicznej F e wyznaczamy za pomocą reguły lewej dłoni. Siła ta ma zwrot przeciwny do siły F wprawiającej przewód w ruch (rys.4.2a). Jeśli wartości sił są sobie równe, to przewód porusza się ruchem jednostajnym z prędkością υ. Działając siłą F wykonujemy pracę mechaniczną P m = F υ Ponieważ F = F e, podstawiając F e = B I l otrzymujemy P m = B I l υ = E I = P e Wniosek: Dostarczona do przewodu moc mechaniczna P m została zamieniona na moc elektryczną P e, maszyna pracuje jako prądnica. Do tego samego przewodu doprowadzamy napięcie ze źródła o sile elektromotorycznej E źr. W przewodzie o długości l znajdującym się w polu magnetycznym o indukcji B płynie prąd I, więc pole oddziałuje na przewód siłą elektrodynamiczną F e = B I l w kierunku zgodnym z regułą lewej dłoni (rys. 3). 10

12 a) υ i e b) F e. F B I R w Uw l F e υ e F i B E źr U E Rys. 3. Rysunek wyjaśniający zasadę działania silnika: a) najprostszy model silnika, b) schemat zastępczy Jeśli w wyniku działania tej siły przewód zostanie wprawiony w ruch ze stałą prędkością υ, to wyindukuje się w nim siła elektromotoryczna E = B l υ o zwrocie zgodnym z regułą prawej dłoni (rys.3.a). Jeśli przewód porusza się ruchem jednostajnym, to działa na niego siła zewnętrzna F równa co do wartości lecz przeciwnie skierowana do siły F e. Moc elektryczna dostarczona ze źródła P e = U I = E I zostaje zamieniona na moc mechaniczną P m. P e = E I = B l υ I = F e υ = P m Wniosek: Dostarczona do przewodu moc elektryczna P e została zamieniona na moc mechaniczną P m, maszyna pracuje jako silnik. W maszynach wirujących mamy do czynienia z ruchem obrotowym a nie z ruchem postępowym, ale istota zamiany energii mechanicznej w elektryczną i elektrycznej w mechaniczną jest taka sama. Zamiast siły elektrodynamicznej F e uwzględniamy moment elektrodynamiczny M e. Straty mocy i sprawność maszyn elektrycznych Straty mocy występujące w maszynach elektrycznych można podzielić na 4 grupy:! straty mocy w uzwojeniach P Cu = R Cu I 2 obciążeniowe straty mocy, powstają podczas przepływu prądu w uzwojeniach straty zmienne;! straty mocy w rdzeniu P Fe wiroprądowe P w = c w B 2 f 2 (wywołane przez prądy wirowe powstające w przewodniku znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym) i histerezowe P h = c h B 2 f (powstające podczas przemagnesowywania rdzenia a związane z niejednoznacznością charakterystyki magnesowania) jałowe straty mocy, straty stałe;! mechaniczne straty mocy P m powstające wskutek tarcia w łożyskach, tarcia szczotek o komutator lub pierścienie ślizgowe, tarcie części wirujących o powietrze lub inny czynnik chłodzący straty stałe;! dodatkowe straty mocy P d występujące w dielektryku znajdującym się w zmiennym polu elektrycznym. P = P Cu + P Fe + P m + P d Pod pojęciem sprawności należy rozumieć stosunek wielkości użytecznej do wielkości dostarczonej tego samego rodzaju. Dla maszyn elektrycznych sprawnością nazywamy stosunek mocy czynnej wydanej przez maszynę P do mocy czynnej pobranej P in (dostarczonej). 11

13 a ponieważ to sprawność η = P P in P in = P + P P Pin P P η = = = 1 < 1 P + P P P in in Parametry znamionowe maszyn elektrycznych Parametry znamionowe to zespół parametrów, ustalonych dla danej maszyny i podanych przez wytwórcę, charakteryzujących pracę, do jakiej w określonych warunkach maszyna jest przeznaczona. Do podstawowych parametrów znamionowych należą:! Moc znamionowa P N moc, jaką maszyna może wydać bez przekroczenia dopuszczalnej temperatury nagrzania: dla silnika jest to moc mechaniczna oddana do maszyny roboczej: P N = ηp in, P = U I dla silnika prądu stałego P in in N N N = U I cosϕ dla silnika jednofazowego N N Pin = 3U N I N cosϕ N dla silnika trójfazowego dla prądnicy jest to moc elektryczna oddana do odbiornika.! Napięcie znamionowe U N wartość skuteczna napięcia międzyfazowego dla maszyn prądu przemiennego oraz wartość napięcia stałego dla maszyn prądu stałego.! Prąd znamionowy I N wartość skuteczna prądu przewodowego dla maszyn prądu przemiennego i wartość prądu stałego dla maszyn prądu stałego w stanie nagrzanym.! Znamionowa prędkość obrotowa n N (lub kątowa ω N ) prędkość, z jaką wiruje silnik obciążony mocą znamionową przy zasilaniu napięciem znamionowym.! Moment znamionowy silnika M N PN PN M N = = 9, 55 ω n! Znamionowy współczynnik mocy cosϕ N występuje przy obciążeniu znamionowym w stanie nagrzanym, a dla maszyn z możliwością regulacji mocy biernej określa go wytwórca i podaje na tabliczce znamionowej.! Sprawność znamionowa η N PN η N = PinN! Stopień ochrony IP! Rodzaj pracy S1 S9! Częstotliwość znamionowa f N! Przeciążalność znamionowa stosunek momentu krytycznego do momentu znamionowego: M k u = M N! Poślizg znamionowy s N dla maszyn asynchronicznych: n1 nn sn = n1! Znamionowe straty mocy w uzwojeniach P CuN straty mocy czynnej w uzwojeniach przy przepływie prądu znamionowego. N N 12

14 ! Znamionowe straty mocy w rdzeniu P FeN straty przy napięciu znamionowym i częstotliwości znamionowej.! Prąd jałowy I 10N.! Współczynnik mocy silnika na biegu jałowym cosϕ 10N.! Prąd rozruchowy znamionowy jako krotność prądu znamionowego.! Znamionowy moment rozruchowy użyteczny M rn jako krotność momentu znamionowego przy rozruchu bezpośrednim. Podstawowe właściwości ruchowe maszyn elektrycznych Z uwagi na zróżnicowane wymagania związane z zastosowaniem i wymaganiami maszyn roboczych, maszyny elektryczne powinny mieć różne właściwości ruchowe, co uwzględniają konstruktorzy i wytwórcy maszyn. Właściwości ruchowe już istniejących maszyn można zbadać laboratoryjnie. Na etapie projektowania właściwości ruchowe określa się na drodze obliczeniowej. Właściwości ruchowe można przedstawić: analitycznie, podając zależności matematyczne pomiędzy interesującymi użytkownika parametrami maszyny, graficznie w postaci charakterystyk ruchowych, jest to najprostszy i najbardziej przejrzysty sposób, ale określa zależność tylko między dwoma wielkościami i wymaga podania warunków w jakich obowiązuje dana charakterystyka, opisowo, podając zestaw informacji, jak zachowuje się maszyna w określonych warunkach pracy. Dla każdej maszyny elektrycznej podaje się kilka charakterystyk przedstawiających zależność między różnymi wielkościami. Jedną z podstawowych charakterystyk każdej maszyny jest charakterystyka magnesowania Φ = f(θ) i charakterystyka biegu jałowego E = f(i f ). Dla prądnicy najbardziej przydatne są charakterystyki: zewnętrzna: U = f(i) przy n = const, I f = const i dla prądu zmiennego cosϕ = const, regulacyjna: I f = f(i) przy n = const, U = const i dla prądu zmiennego cosϕ = const. Dla silnika najbardziej interesujące są charakterystyki: mechaniczna: n = f(m) przy U = const i np. dla silników prądu stałego I f = const a dla prądu przemiennego f = const, momentu: M = f(i) przy U = const i I f = const Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jak dzielimy maszyny elektryczne ze względu na rodzaj prądu? 2. Jak dzielimy maszyny ze względu na zasadę działania? 3. Jak dzielimy maszyny ze względu na rodzaj przetwarzanej energii? 4. Jak dzielimy maszyny ze względu na budowę? 5. Na czym polega odwracalność pracy maszyn elektrycznych? 6. Co to są parametry znamionowe? 7. Jakie parametry znamionowe podaje się dla maszyn elektrycznych? 8. Jak zdefiniujemy napięcie znamionowe, prąd znamionowy i moc znamionową? 9. Jak możemy przedstawić właściwości ruchowe maszyn elektrycznych? 13

15 Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Prądnica prądu stałego o sprawności η = 0, 86, przy obciążeniu mocą znamionową, obciąża silnik napędzający mocą 12 kw. Oblicz moc znamionową prądnicy. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wypisać wielkości dane i szukane, 2) określić, jaka moc jest mocą znamionową prądnicy a jaka silnika, 3) zapisać wzór na sprawność prądnicy, 4) zapisać wzór wiążący wielkości dane z wielkością szukaną, 5) przekształcić wzór, wyznaczając moc znamionową prądnicy, 6) podstawić wartości liczbowe, pamiętając o jednostkach głównych; krotności zamień na jednostki główne, 7) obliczyć moc znamionową prądnicy, 8) wpisać jednostkę i podać odpowiedź. Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, arkusze papieru format A4, podręcznik. Ćwiczenie 2 Straty mocy w silniku prądu stałego przy obciążeniu mocą znamionową P N = 12,5 kw wynoszą 500 W. Oblicz sprawność silnika. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wypisać wielkości dane i szukane, 2) zapisać zależność pomiędzy mocą oddaną przez silnik a dostarczoną do silnika, 3) zapisać wzór wiążący wielkości dane i wielkość szukaną, 4) przekształcić wzór wyznaczając moc znamionową prądnicy, 5) podstawić wartości liczbowe, pamiętając o jednostkach głównych; krotności zamień na jednostki główne, 6) obliczyć moc znamionową prądnicy, 7) wpisać jednostkę i podać odpowiedź. Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, arkusze papieru format A4, podręcznik. 14

16 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować parametry znamionowe maszyn elektrycznych? 2) sklasyfikować maszyny elektryczne według podanego kryterium? 3) wyjaśnić zasadę odwracalności pracy maszyn elektrycznych? 4) wymienić sposoby przedstawiania właściwości ruchowych maszyn elektrycznych? 5) obliczyć moc i sprawność korzystając z zależności między nimi? 15

17 4.2. Budowa, zasada działania i zastosowanie transformatorów Materiał nauczania Budowa transformatorów Transformator jest maszyną elektryczną niewirującą (urządzeniem elektrycznym), działającą na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, przetwarzającą energię elektryczną o jednym napięciu i prądzie na energię elektryczną o innym napięciu i prądzie przy tej samej częstotliwości i mocy. W transformatorze wyróżniamy dwa obwody: obwód elektryczny, który stanowią co najmniej dwa uzwojenia (z wyjątkiem autotransformatora) wykonane z miedzi, obwód magnetyczny rdzeń wykonany z ferromagnetyka, oraz elementy dodatkowe, do których w zależności od mocy i konstrukcji należą: zaciski lub izolatory górnego i dolnego napięcia, do których z jednej strony podłączone są końce uzwojeń transformatora, a z drugiej obwód zewnętrzny, obudowa lub kadź w transformatorach olejowych, w transformatorach olejowych: konserwator zbiornik wyrównawczy oleju, wskaźnik poziomu oleju, przekaźnik gazowo-przepływowy, wskaźnik zawilgocenia powietrza, odwilżacz powietrza. Rozróżnia się dwa zasadnicze typy uzwojeń: współśrodkowe, nazywane cylindrycznymi (rys.4.a), krążkowe (rys.4.b). a) DN b) GN DN GN Rys. 4. Uzwojenia transformatora: a) uzwojenie cylindryczne, b) uzwojenie krążkowe DN uzwojenie dolnego napięcia, GN uzwojenie górnego napięcia Uzwojenie może być nawinięte przewodem o przekroju kołowym lub prostokątnym. Rdzenie transformatorów energetycznych są wykonane z pasków blach żelazo- -krzemowych, zwanych blachami transformatorowymi. Blachy izolowane są przez jednostronne oklejenie bibułką lub pokrycie lakierem izolacyjnym. Rdzeń jest składany z części, przy czym jarzma mogą być układane na styk (rys.6b) lub na zakładkę (rys.6a). Przy układaniu jarzma na styk, aby zapobiec zwarciu blach, należy zastosować przekładkę izolacyjną, która zwiększa szczelinę. W niektórych transformatorach jednofazowych stosowane są rdzenie zwijane, wykonane z blach transformatorowych w postaci taśm. Kolumna rdzenia może mieć przekrój prostokątny lub schodkowy (wpisany w koło). W transformatorach większych mocy stosowane są kanały chłodzące (do przepływu czynnika chłodzącego) i wówczas rdzeń wykonany jest z pakietów blach. 16

18 3 a) b) Rys. 5. Transformator jednofazowy: a) płaszczowy, b) rdzeniowy 1 kolumny, 2 jarzmo dolne, 3 jarzmo górne a) b) Rys. 6. Zasada składania rdzenia kolumnowego z blach: a) zaplatanego, b) na styk Transformatory ze względu na sposób odprowadzania ciepła dzielą się na: transformatory suche chłodzone powietrzem, transformatory olejowe. Dla zwiększenia intensywności oddawania ciepła zwiększa się powierzchnię chłodzącą kadzi przez nadanie kadzi kształtu falistego, zastosowanie radiatorów lub kadzi rurowych. Zasada działania Działanie transformatora oparte jest na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, które matematycznie zapisujemy: Φ() t e = N t gdzie: N liczba zwojów szeregowych skojarzonych ze strumieniem Φ (t) Jeśli wymuszeniem jest napięcie sinusoidalnie zmienne, to strumień jest również sinusoidalnie zmienny Φ() t = Φm sinωt gdzie: Φ m amplituda strumienia; ω = 2πf pulsacja strumienia. Funkcja czasowa indukowanej siły elektromotorycznej transformacji ma postać: e = ωnφm cos ωt = 2πfNΦm cosωt gdzie: 2πfNΦ m = E m amplituda siły elektromotorycznej Uzwojenie transformatora, do którego podłączone jest źródło napięcia, nazywane jest uzwojeniem pierwotnym, a wielkości dotyczące tego uzwojenia oznaczane są indeksem 1. Uzwojenie, do którego podłączamy odbiornik, nazywa się uzwojeniem wtórnym, a wielkości dotyczące tego uzwojenia oznacza są indeksem 2. Sinusoidalnie zmienny strumień indukuje w uzwojeniu pierwotnym transformatora siłę elektromotoryczną indukcji własnej e 1 e1 = 2πfN1Φm cosωt oraz w uzwojeniu wtórnym sprzężonym magnetycznie z uzwojeniem pierwotnym siłę elektromotoryczną indukcji wzajemnej e 2, zwaną siłą elektromotoryczną transformacji 17

19 e2 = 2πfN 2Φm cosωt Amplitudy sił elektromotorycznych wynoszą odpowiednio: E 1m = 2πfN 1 Φ m E 2m = 2πfN 2 Φ m Odpowiadają im wartości skuteczne: E 1 = 4,44fN 1 Φ m E 2 = 4,44fN 2 Φ m Stosunek liczby zwojów dwóch uzwojeń transformatora (wyższego napięcia N GN do niższego napięcia N DN ), a tym samym stosunek indukowanych w tych uzwojeniach sił elektromotorycznych nazywa się przekładnią zwojową n z : N GN EGN n z = = N DN EDN W transformatorze, jako jedynym spośród wszystkich maszyn elektrycznych, napięcie znamionowe określa się w stanie jałowym, czyli jeśli U 1 = U 1N i I 2 = 0 to U 20 = U 2N. Napięcie strony wtórnej transformatora, przy tej samej wartości prądu obciążenia, zmienia się wraz ze zmianą współczynnika mocy obciążenia, a dla transformatora nie podaje się znamionowego współczynnika mocy, gdyż nie ma on wpływu na obciążalność. Stosunek górnego napięcia U GN do dolnego napięcia U DN w stanie jałowym nazywa się przekładnią napięciową transformatora n u : U GN n u = U DN W transformatorze obniżającym napięcie przekładnia napięciowa jest większa od przekładni zwojowej, ponieważ U 1 > E 1. Mocą znamionową transformatora jest moc pozorna obliczona jako iloczyn napięcia znamionowego U N i prądu znamionowego I N oraz współczynnika skojarzenia m: S = mu N I N Dla transformatora jednofazowego m = 1, a dla trójfazowego m = 3. Ze względu na możliwość przenoszenia energii przez transformator w dowolnym kierunku, w transformatorach dwuuzwojeniowych oba uzwojenia wymiarowane są jednakowo, czyli = mu I mu I S N 1 N 1N = 2N 2N W skrócie zasadę działania można przedstawić następująco: Przepływ prądu zmiennego i 1 przez uzwojenie pierwotne wytwarza zmienny strumień magnetyczny, który indukuje w uzwojeniu pierwotnym siłę elektromotoryczną indukcji własnej o wartości skutecznej E 1 = 4,44N 1 fφ m oraz w uzwojeniu wtórnym, sprzężonym magnetycznie z uzwojeniem pierwotnym, siłę elektromotoryczną indukcji wzajemnej, transformacji o wartości skutecznej E 2 = 4,44N 2 fφ m Po podłączeniu odbiornika w uzwojeniu wtórnym popłynie prąd i 2. Każdej zmianie natężenia prądu i 2 odpowiada taka sama zmiana prądu pobieranego z sieci zasilającej i 1 tak, aby strumień wypadkowy miał taką samą wartość, jak w transformatorze nieobciążonym. Wnioski:! Transformator może działać tylko przy zasilaniu ze źródła napięcia przemiennego.! Wartość siły elektromotorycznej w każdym uzwojeniu zależy od częstotliwości zmian strumienia magnetycznego (E = 4,44fΦ m ). 18

20 ! W każdym zwoju uzwojeń transformatora powstaje siła elektromotoryczna o takiej samej wartości (E = 4,44fΦ m ).! Wartość siły elektromotorycznej w całym uzwojeniu zależy od liczby zwojów danego uzwojenia. Właściwości ruchowe transformatorów Właściwości ruchowe transformatora można określić, obserwując zachowanie transformatora w trzech stanach pracy (rys.7): 1 2 w stanie jałowym (poz. 1), L w stanie zwarcia (poz. 3), 1 3 w stanie obciążenia (poz. 2). Stan jałowy uzwojenie pierwotne transformatora zasilane jest ze źródła napięcia przemiennego, a jego obwód wtórny jest otwarty: I 2 = 0, U 20 = E 2. Podczas próby stanu jałowego wyznacza się: prąd stanu jałowego I 0 = (1 10)% I N, straty mocy jałowe. Transformator nie oddaje żadnej mocy, a moc pobrana jest zużyta na pokrycie strat mocy. Ponieważ straty mocy w uzwojeniach są pomijalnie małe, można przyjąć, że moc pobrana przez transformator P 10 jest równa stratom w rdzeniu P Fe. P10 P Fe 2 Dokładnie P Fe = P10 R1I 0 gdzie R 1 rezystancja uzwojenia pierwotnego dla prądu przemiennego. Straty mocy w rdzeniu to suma strat wiroprądowych P w i histerezowych P h PFe = Pw + Ph = cwb f + chb f c w i c h stałe o wartościach zależnych od rodzaju materiału. P Fe = (0,15 1,5)%P N, przy czym dolna granica dotyczy transformatorów dużych mocy, górna małych mocy. U GN 0 przekładnię napięciową n u = U DN 0 współczynnik mocy w stanie jałowym P10 cosϕ 0 = U1N I 0 oraz charakterystyki stanu jałowego (rys.8). N Rys. 7. Rysunek objaśniający stany pracy transformatora Z o a) I 0 I N 0,02 b) P Fe PN 0,02 0,01 0,01 U 1 U 1 U1 N 0 0, ,5 1 Rys. 8. Charakterystyki stanu jałowego transformatora wykreślone w układzie współrzędnych dla wartości względnych: a) I 0 = f(u 1 ), b) P Fe = f(u 1 ) U1 N 19

21 Na podstawie wyników badań transformatora w stanie jałowym można wnioskować o stanie rdzenia transformatora. Badania podczas eksploatacji pozwalają wnioskować o możliwości dalszej eksploatacji transformatora, a podczas produkcji o rzetelności jego wykonania. Stan zwarcia uzwojenie pierwotne zasilane jest z sieci napięcia przemiennego, a obwód wtórny jest zwarty (zaciski wyjściowe połączone są bezimpedancyjnie). Rozróżniamy dwa rodzaje zwarć: zwarcie udarowe (ruchowe, awaryjne) występuje podczas pracy transformatora zasilanego najczęściej napięciem znamionowym, w uzwojeniach transformatora płyną duże prądy, zwarcie pomiarowe przeprowadzane w warunkach laboratoryjnych. Podczas próby zwarcia pomiarowego wyznacza się: napięcie zwarcia u z% wyrażone w procentach napięcia znamionowego. Napięcie zwarcia jest to napięcie, jakie należy doprowadzić do zacisków pierwotnych transformatora, aby przy zwartych zaciskach wtórnych w uzwojeniach transformatora popłynęły prądy znamionowe; Napięcie zwarcia jest bardzo ważnym parametrem transformatora, gdyż decyduje o takich właściwościach transformatora jak: a) zmienności napięcia wyjściowego przy zmianie obciążenia od stanu jałowego do stanu obciążenia znamionowego, 100 b) wartości prądu podczas zwarcia udarowego I z = I N, u z% c) przydatności transformatora do pracy równoległej z innym transformatorem. obciążeniowe straty mocy P Cu P z, Pz współczynnik mocy w stanie zwarcia cos ϕ z = 0,2 0, 4, U z I N charakterystyki zwarcia (rys.9.). I z, P z, cosϕ z I N I z cosϕ z P z 0 u zn% u z% Rys. 9. Charakterystyki zwarcia transformatora Stan obciążenia uzwojenie pierwotne zasilane jest z sieci napięcia przemiennego, a w obwód wtórny włączony jest odbiornik. Przeprowadzając próbę obciążenia możemy wyznaczyć: zmienność napięcia zmianę napięcia wyjściowego przy przejściu od stanu jałowego do obciążenia znamionowego wyrażoną w procentach napięcia znamionowego U 20 U 2 N δ u% = I 100, U 20 rodzinę charakterystyk zewnętrznych transformatora U 2 = f(i 2 ) przy U 1 = const, i cosϕ 2 = const (rys. 10a), 20

22 zależność zmienności napięcia transformatora od współczynnika mocy obciążenia (rys. 10b). a) b) 0 Rys. 10. a) charakterystyki zewnętrzne transformatora, b) zależność zmienności napięcia transformatora od współczynnika mocy obciążenia [1] Wnioski:! napięcie znamionowe strony wtórnej transformatora jest to napięcie w stanie jałowym U 2N = U 20 przy zasilaniu napięciem znamionowym U 1N,! dla transformatora nie określa się znamionowego współczynnika mocy,! mocą znamionową transformatora jest moc pozorna S = U N I N,! wartość napięcia strony wtórnej transformatora w stanie obciążenia zależy od wartości napięcia zwarcia oraz współczynnika mocy obciążenia i może zmieniać się od U 20 U z (dla cosϕ 2 = 0 ind ) do U 20 + U z (dla cosϕ 2 = 0 poj ),! przy obciążeniu pojemnościowym prąd obciążenia może przyjmować wartości większe od wartości prądu zwarcia udarowego,! wraz ze zmianą wartości współczynnika mocy obciążenia zmianie ulega wartość napięcia na zaciskach strony wtórnej transformatora przy stałej wartości prądu obciążenia, 2! straty mocy w rdzeniu zależą od kwadratu napięcia zasilającego P Fe cu 1 i nie zależą od stopnia obciążenia transformatora oraz wartości współczynnika mocy obciążenia,! straty mocy obciążeniowe P Cu zależą od kwadratu natężenia prądu obciążenia i przy stałej wartości prądu I 2 mają stałą wartość niezależnie od wartości U 1 i cosϕ 2. Transformatory trójfazowe Rdzeń transformatora trójfazowego można otrzymać kojarząc w gwiazdę lub trójkąt rdzenie trzech transformatorów jednofazowych. W rdzeniach takich długość drogi strumieni magnetycznych poszczególnych faz jest taka sama rdzeń symetryczny. Rdzeń symetryczny zajmuje więcej miejsca niż obecnie powszechnie stosowane rdzenie niesymetryczne, gdzie trzy kolumny znajdują się w jednej płaszczyźnie. Prąd magnesujący w fazie środkowej jest mniejszy niż w fazach skrajnych, gdyż obwód magnetyczny uzwojeń umieszczonych na środkowej kolumnie jest krótszy niż uzwojeń umieszczonych na kolumnach skrajnych. Ze względu na asymetrię prądów magnesujących dla transformatorów trójfazowych z rdzeniem niesymetrycznym określa się średni prąd magnesujący. Zgodnie z normą PN-75/E dotyczącą transformatorów mocy: fazy transformatora oznacza się literami A, B, C a przewód neutralny N, strony transformatora oznacza się cyfrą arabską umieszczoną przed literą: stronę górnego napięcia cyfrą 1, 21

23 a) w transformatorze dwuuzwojeniowym stronę dolnego napięcia cyfrą 2, b) w transformatorze trójuzwojeniowym stronę średniego napięcia cyfrą 2 a dolnego napięcia cyfrą 3, końcówki uzwojeń oznacza się odpowiednio cyframi 1 i 2 umieszczonymi na ostatnim miejscu (po literze). Np. strona górnego napięcia koniec nr1 faza A: 1A1, faza B: 1B1, faza C: 1C1 strona górnego napięcia koniec nr2 faza A: 1A2, faza B: 1B2, faza C: 1C2 strona dolnego napięcia koniec nr1 faza A: 2A1, faza B: 2B1, faza C: 2C1 strona dolnego napięcia koniec nr2 faza A: 2A2, faza B: 2B2, faza C: 2C2 Po stronie górnego napięcia uzwojenia transformatorów trójfazowych łączy się w gwiazdę (oznaczenie Y rys. 11b) lub trójkąt (oznaczenie D). Po stronie dolnego napięcia łączy się uzwojenia w gwiazdę (oznaczenie y), trójkąt (oznaczenie d rys. 11c) lub zygzak (oznaczenie z rys. 11d). b) a) c) d) 2N 2A 2B 2C 1A1 1B1 1C1 2A2 2B2 2C2 2A4 2B4 2C4 1N 1A 1B 1C 1A2 1B2 1C2 2A1 Rys. 11. a) tabliczka zaciskowa transformatora trójfazowego, b) połączenie uzwojeń górnego napięcia w gwiazdę (Y), c) połączenie uzwojeń dolnego napięcia w trójkąt (d), d) połączenie uzwojeń dolnego napięcia w zygzak (z) 2B1 1C1 2A2 2A3 2A1 2B2 2B3 2B1 1C2 2C3 1C1 Na rys. 11a pokazano tabliczkę zaciskową transformatora trójfazowego. Uzwojenia pierwotne transformatora trójfazowego, umieszczone na poszczególnych kolumnach, zasilane są napięciem trójfazowym. W uzwojeniach płyną prądy przesunięte względem siebie o 120 o wytwarzając strumienie magnetyczne przesunięte względem siebie również o 120 o. Strumienie te indukują w uzwojeniach poszczególnych faz siły elektromotoryczne przesunięte względem siebie także o 120 o. W transformatorach trójfazowych może występować magnesowanie swobodne prąd magnesujący zawiera wszystkie potrzebne harmoniczne, lub wymuszone prąd magnesujący nie zawiera wszystkich potrzebnych harmonicznych. Jeśli w transformatorze będzie zachodzić magnesowanie swobodne, to strumień będzie sinusoidalnie zmienny, a więc indukowane siły elektromotoryczne będą sinusoidalnie zmienne. W przypadku zasilania trójprzewodowego z sieci nie może dopłynąć trzecia harmoniczna prądu magnesującego ani jej wielokrotne nieparzyste. W takim przypadku przy połączeniu uzwojeń w gwiazdę występuje magnesowanie wymuszone i otrzymujemy odkształcony strumień magnetyczny oraz odkształconą siłę elektromotoryczną. Połączenie jednego z uzwojeń transformatora w trójkąt umożliwia uzyskanie sinusoidalnie zmiennego strumienia, gdyż w zamkniętym obwodzie trójkąta popłynie trzecia harmoniczna prądu i jej nieparzyste wielokrotne. W transformatorze trójfazowym uzwojenia fazowe strony pierwotnej muszą być tak połączone, aby w każdej chwili suma strumieni w miejscu ich spływu była równa zeru. Zakładając zgodny kierunek nawinięcia uzwojeń na każdej kolumnie, uzyskamy to łącząc: a) dla układu gwiazdowego w jeden punkt wszystkie końce oznaczone cyfrą 1 1A1, 1B1, 1C1 lub końce oznaczone cyfrą 2 1A2, 1B2, 1C2, b) dla układu trójkątowego należy łączyć koniec jednej fazy oznaczony cyfrą 2 z końcem następnej oznaczony cyfrą 1: 1A2 1B1, 1B2 1C1, 1C2 1A1, lub oznaczony cyfrą 1 z końcem następnej oznaczony cyfrą 2: 1A1 1B2, 1B1 1C2, 1C1 1A2. 22

24 Konfigurację, w jaką zostały skojarzone uzwojenia fazowe górnego napięcia i dolnego napięcia, nazywamy układem połączeń. Symbol układu połączeń uzwojeń transformatora tworzy się podając kolejno symbol literowy uzwojenia górnego napięcia, symbol literowy uzwojenia dolnego napięcia oraz liczbę określającą kąt godzinowy między wskazami górnego i dolnego napięcia (PN-83/E 06040), np. Yd11, Dy5, Yz5. W transformatorach trójfazowych otrzymujemy kombinacje połączeń uzwojeń górnego i dolnego: Yy, Yd, Yz, Dy, Dd i Dz. 2A2 2B2 2C2 2A2 2B2 2C2 a) b) c) 2A4 2B4 2C4 2N 2A1 2B1 2C1 2A 2B 2C 2N 2A1 2B1 2A 1C1 2B 2C 2A2 2A3 2B2 2B3 1C2 2C3 1N 1A 1B 1C 1A1 1B1 1C1 1N 1A 1B 1C 1A1 1B1 1C1 2N 2A1 2B1 2A 1C1 2B 2C 1A2 1B2 1C2 1A2 1B2 1C2 1N 1A 1B 1C 1A1 1B1 1C1 1A2 1B2 1C2 Rys. 12. Schematy układów połączeń transformatorów trójfazowych: a) układ Yy0, b) układ Dd0, c) układ Yz11 Kąt godzinowy jest to, wyrażony w godzinach kąt przesunięcia fazowego między jednoimiennymi wektorami napięć międzyfazowych strony górnego napięcia i dolnego napięcia, mierzony od napięcia górnego do dolnego w kierunku ruchu wskazówek zegara, przy czym 1h = 30 o. Przesunięcie godzinowe można również ustalić biorąc pod uwagę napięcia fazowe, a w przypadku połączenia w trójkąt odnosimy do sztucznego punktu neutralnego. W zależności od sposobu połączenia uzwojeń górnego i dolnego napięcia uzyskuje się różne kąty godzinowe. W kombinacjach połączeń Dy, Yd i Yz kąt godzinowy będzie zawsze wyrażony liczbą nieparzystą od 1 do 11, natomiast w układach Dd, Dz i Yy liczbą parzystą od 0 do 10. Polska norma PN-83/E zaleca stosowanie układów połączeń: Yy0 (rys.12a), Dy5, Yd5, Yz5, Dy11, Yd11, Yz11 (rys.12c). W układach z przesunięciem 5h stosuje się w praktyce przeciwne nawinięcie uzwojeń strony górnego i dolnego napięcia, aby podłączenia do izolatorów nie prowadzić a końcówki znajdującej się na dole kadzi. Zastosowanie transformatorów:! energetycznych: w sieciach elektroenergetycznych transformowanie napięć, podwyższanie napięcia na początku linii energetycznej w celu ograniczenia strat mocy w linii i dopasowanie napięcia do wymagań odbiorników na końcu linii przesyłowej,! małej mocy filtry składowej stałej, dopasowanie impedancji elementów obwodu w celu uzyskania optymalnych warunków, separacja obwodów elektrycznych i elektronicznych oraz dopasowanie napięcia sieciowego do wymagań odbiornika w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych, w automatyce, teletechnice i łączności,! pomiarowych przekładniki napięciowe i prądowe stosowane w układach pomiarowych w celu separacji obwodów kontrolno-pomiarowych w sieciach wysokiego napięcia, a przekładniki prądowe również w sieciach niskiego napięcia o bardzo dużym natężeniu prądu, 23

25 ! spawalniczych w spawarkach elektrycznych,! bezpieczeństwa w warunkach zagrożenia porażeniem prądem elektrycznym, urządzenia zasilane są napięciem o obniżonej wartości z transformatora o wzmocnionej izolacji uzwojeń pierwotnego i wtórnego,! prostownikowych i falownikowych zasilacze sieciowe, układy napędowe prądu stałego i przemiennego Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie są zasadnicze różnice w budowie transformatorów i maszyn wirujących? 2. Jakie elementy budowy ma transformator i z jakiego materiału są one wykonane? 3. Jaka jest różnica pomiędzy sposobem przetwarzania energii w transformatorze i silniku? 4. Jakie zjawisko wykorzystano w zasadzie działania transformatorów? 5. Jak działa transformator? 6. W jakich stanach pracy może pracować transformator i jak je można scharakteryzować? 7. Jakie parametry podawane są na tabliczce znamionowej transformatora i jak są interpretowane? 8. Jak można łączyć uzwojenia w transformatorze trójfazowym? 9. Jakie są przyczyny powstawania strat mocy w transformatorach? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 W pojemniku znajdują się elementy budowy maszyn elektrycznych. Wybierz elementy budowy transformatorów, określ materiał, z jakiego są wykonane i ich rolę. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wybrać z pojemnika elementy budowy transformatora, 2) pogrupować elementy według funkcji pełnionej w transformatorze, 3) określić rodzaj materiału dla elementów obwodu magnetycznego i elektrycznego, 4) na podstawie przekroju przewodu określić, które z uzwojeń jest uzwojeniem górnego a które dolnego napięcia, 5) z wybranych elementów złożyć transformator. Wyposażenie stanowiska pracy: pojemnik z elementami budowy maszyn elektrycznych: blachy transformatorowe, blachy wirników i stojanów maszyn elektrycznych, rdzeń transformatora (pakiety z kształtek E I), cewki uzwojeń transformatorów, stojany i wirniki maszyn wirujących, szczotki, izolatory górnego i dolnego napięcia, model konserwatora, przekaźnik gazowoprzepływowy, kondensator, statecznik i zapłonnik, model transformatora olejowego, tablica poglądowa z kształtkami blach transformatorowych. 24

26 Ćwiczenie 2 Odczytaj i zdefiniuj parametry umieszczone na tabliczce znamionowej transformatora przedstawionej na rysunku. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) odczytać wartości: napięcia dolnego i górnego, napięcia zwarcia, prądów, mocy znamionowej, strat mocy, 2) zdefiniować znaczenie odczytanych parametrów, np. napięcie znamionowe jest to wartość skuteczna napięcia międzyfazowego, 3) odczytać grupę połączeń, rodzaj pracy i stopień ochrony i zinterpretować znaczenie odczytanych parametrów, np. uzwojenie górnego napięcia połączone w..., dolnego w..., a przesunięcie fazowe między odpowiednimi napięciami strony GN i DN wynosi.... Wyposażenie stanowiska pracy: tabliczki znamionowe transformatorów lub rysunki tabliczek znamionowych, katalogi transformatorów, normy PN-83/E Transformatory. Ogólne wymagania i badania. Ćwiczenie 3 Transformator sieciowy o liczbie zwojów uzwojenia pierwotnego 1100 ma obniżyć napięcie z 230 V na 12 V. Oblicz, ile zwojów powinno mieć uzwojenie wtórne transformatora. Sposób wykonania ćwiczenia. Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wypisać wielkości dane i szukane, 2) zapisać wzór definicyjny przekładni napięciowej i wzór na przekładnię zwojową, 3) przyjmując, że przekładnie są sobie równe, przyrównać prawe strony równań, 4) przekształcić wzór, wyznaczając liczbę zwojów uzwojenia wtórnego, 5) podstawić wartości liczbowe, 6) wykonać działania, obliczając liczbę zwojów i udzielić odpowiedzi. Wyposażenie stanowiska pracy: kalkulator, arkusze papieru format A4. 25

27 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) odczytać z tabliczki znamionowej i zdefiniować podstawowe parametry znamionowe transformatorów? 2) obliczyć podstawowe parametry transformatora korzystając z zależności między nimi? 3) wymienić zasadnicze różnice w budowie transformatorów i maszyn wirujących? 4) wymienić elementy budowy transformatora i określić rodzaj materiału, z jakiego są wykonane? 5) określić różnicę pomiędzy sposobem przetwarzania energii w transformatorze i silniku? 6) zdefiniować zjawisko wykorzystane w zasadzie działania transformatorów? 7) zanalizować działanie transformatora? 8) wymienić stany pracy transformatora i je scharakteryzować? 9) wyjaśnić przyczyny powstawania strat mocy w transformatorach? 10) rozpoznać elementy konstrukcyjne transformatorów? 11) dobrać transformator do określonego zadania na podstawie danych zamieszczonych w katalogach? 12) przeanalizować właściwości ruchowe transformatora na podstawie charakterystyk? 13) rozpoznać rodzaj transformatora na podstawie wyglądu zewnętrznego i tabliczki znamionowej? 26

28 4.3. Budowa, zasada działania i zastosowanie silników indukcyjnych Materiał nauczania Budowa silników indukcyjnych " Silniki trójfazowe Część nieruchoma stojan (stator) ma kształt wydrążonego walca. Obwód magnetyczny stojana rdzeń wykonany z pakietu blach żelazo-krzemowych zwanych prądnicowymi. Na wewnętrznej części, na całej długości rdzenia, wykonane są rowki o specjalnym kształcie, zwane żłobkami. W żłobkach umieszczone jest trójfazowe uzwojenie wykonane z izolowanego drutu nawojowego (z miedzi miękkiej). Uzwojenie jest dodatkowo impregnowane i mocno usztywnione, by nie uległo uszkodzeniu na skutek drgań maszyny. Część wirująca wirnik (rotor) ma kształt walca. Obwód magnetyczny jest wykonany z blach prądnicowych. Na zewnętrznej części całej długości rdzenia wykonane są żłobki. W żłobkach umieszczone są uzwojenia wirnika. Występują dwa typy silników: Klatkowe (zwarte) uzwojenie ma kształt nieizolowanych prętów połączonych ze sobą po obu stronach pierścieniami zwierającymi. Pręty są najczęściej odlewane z aluminium łącznie z pierścieniami zwierającymi i łopatkami wentylatora. Silniki specjalnej konstrukcji (głębokożłobkowe i dwuklatkowe) posiadają pręty wykonane z metali kolorowych mosiądz, brąz, miedź przyspawane do pierścieni zwierających. Są też takie konstrukcje, gdzie pręty są umieszczane w kilku warstwach i tworzą z własnymi pierścieniami zwierającymi kilka oddzielnych obwodów elektrycznych. Pierścieniowe uzwojenie trójfazowe jest wykonane z miedzi, podobnie jak uzwojenie stojana. Jedne końce uzwojeń połączone są we wspólny punkt (skojarzenie w gwiazdę) a drugie podłączone do pierścieni ślizgowych umieszczonych na wale wirnika. Podczas pracy maszyny pierścieniowej po pierścieniach ślizgowych ślizgają się szczotki umieszczone w szczotkotrzymaczach przymocowanych do obudowy (korpusu) stojana. Obudowa wykonana ze staliwa lub żeliwa, użebrowana w celu zwiększenia powierzchni chłodzącej, stanowi ochronę maszyny przed szkodliwymi działaniami środowiska oraz zabezpieczenie przed dotykiem i dostępem do części wirujących i będących pod napięciem, wydostaniem się na zewnątrz ognia, jeśli taki powstanie wewnątrz maszyny. Tabliczka znamionowa zawiera parametry znamionowe maszyny. Tabliczka zaciskowa (rys.13.) z jednej strony podłączone są uzwojenia maszyny, a z zewnętrznej strony do uzwojenia stojana podłącza się napięcie zasilające. a) U1 V1 W1 b) c) W2 U2 V2 Rys. 13. Tabliczka zaciskowa silnika trójfazowego: a) z oznaczeniem początków i końców uzwojeń, b) uzwojenie stojana połączone w trójkąt, c) uzwojenie stojana połączone w gwiazdę W silnikach pierścieniowych do tabliczki zaciskowej z wyprowadzeniami szczotek podłącza się dodatkowe elementy (rezystory rozruchowe lub regulacyjne, napięcie dodatkowe). 27