WYKŁAD 10 CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE MASZYN PRĄDU STAŁEGO

Transkrypt

1 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory WYKŁAD 1 CHAAKTYTYK KPLOATACYJN AZYN PĄD TAŁGO 1.1. aszyy współpracujące z siecią sztywą. Zakłada się, że w pewej sieci prądu stałego o ieziey apięciu działa układ źródeł i odbiorików będących w staie ustaloy. Dla wybraej aszyy połączoej jak a rys.1.1, azywaej zazwyczaj aszyą obcowzbudą, rozpatrzy waruki pracy w zależości od zewętrzych wyuszeń, któryi są tu wartość rezystacji w obwodzie wzbudzeia f jedozaczie arzucająca wartość prądu wzbudzeia f = (1.1) f oraz po stroie echaiczej oet a wale lub prędkość obrotowa. ozpatrzy ajpierw przypadek, kiedy jest wyuszaa prędkość obrotowa. Wartość prądu wzbudzeia określa jedozaczie wielkość struieia agetyczego Φ Φ = α τ L B ) (1.2) oraz przy zaej prędkości obrotowej także wartość apięcia idukowaego (siły elektrootoryczej e) i ( f e = = c Φ (1.3) oża więc wyzaczyć wartość prądu pobieraego z sieci przez obwód tworika = 2Δ a (1.4) oraz wartość oetu elektroagetyczego wew c = Φ π (1.5) 2 który po odjęciu oetu strat echaiczych pozwoli a obliczeie ocy a wale aszyy. Powyższe rówaia zostały apisae w kowecji odbiorikowej, to zaczy dodatie wartości oraz dotyczą pracy silikowej. W ogóly przypadku oża ustalić a tyle ałą wartość f, że popłyie odpowiedio duży prąd wzbudzeia f, który wytworzy apięcie idukowae większe od apięcia sieci. zyska się wtedy ujee wartości prądu oraz oetu, które odoszą się, zgodie z przyjętą kowecją, do pracy prądicowej aszyy.

2 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory Należy przy ty paiętać, że ajiejsza ożliwa rezystacja obwodu wzbudzeia jest rówa 12. Zastosowaie przytoczoych wyżej wzorów do aalizy pracy aszyy pokazao a rys B1 B2 A1, f 1 2 f f1 f f f f2 f silik prądica =cost 12 f A2 f a. b. ys.1.1. aszya prądu stałego obcowzbuda a. scheat połączeń elektryczych b. ustaleie puktu pracy. Jeżeli wyuszay po stroie echaiczej jest oet a wale, to tok rozuowaia jest ieco iy. Przypuśćy, że aszya wiruje z pewą prędkością przy takiej rezystacji f, - rys.1.1b, że prąd pobieray z sieci jest zikoy. ówiy wówczas o idealy staie jałowy, w rzeczywistości jest to praca silikowa przy obciążeiu oete strat własych. Jeżeli zostaie przyłożoy oet echaiczy a wale e działający zgodie z kierukie wirowaia (dodati) to rówoważący go w staie ustaloy oet elektroagetyczy oraz wyikający stąd prąd tworika są ujee (praca prądicowa) e = wew 2π = c Φ c = Φ 2π e (1.6) Napięcie idukowae w tych warukach 1 będzie większe od apięcia sieci 1 = 2Δ (1.7) podobie jak prędkość obrotowa odiesioa do wyjściowej prędkości w staie jałowy 1 1 = > = (1.8) c Φ c Φ c Φ Dla pracy silikowej oet a wale jest ujey, stąd oet elektroagetyczy oraz prąd tworika będą dodatie, a prędkość obrotowa 2 <.

3 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory Wykorzystując przytoczoe wyżej wzory, zależość prędkości od oetu echaiczego, azywaa też charakterystyką echaiczą, jest w postaci 2π e = + 1 c Φ a 2Δ (1.9) 1 2 prądica silik e ys.1.2. Charakterystyka echaicza obcowzbudej aszyy prądu stałego przy stały prądzie wzbudzeia i apięciu zasilaia. W praktyce eksploatacyjej ajwiększe zaczeie ają charakterystyki regulacji prędkości obrotowej silika poprzez ziaę apięcia zasilającego obwód tworika przy stały oecie obciążeia. Zależości aalitycze otrzyuje się za poocą tych saych wzorów co poprzedio, wprowadzając jedyie drobe ziay. Jeżeli regulowae jest tylko apięcie przyłożoe do obwodu tworika, to przy stały oecie i prądzie wzbudzeia rówież prąd tworika jest stały. Zależość prędkości obrotowej od apięcia otrzyuje się w postaci Δ = = 2 (1.1) c Φ c Φ Jest to fukcja liiowa względe apięcia, a jej przebieg dla kilku wartości prądu tworika pokazao a rys.1.3. f = cost N < 2 < 3 N N ys.1.3. Charakterystyki regulacji prędkości obrotowej przy ziey apięciu i stały prądzie wzbudzeia oraz oecie a wale.

4 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory Poieważ apięcie ie oże przekroczyć wartości zaioowej, to regulacja ta jest ograiczoa do prędkości iejszych od zaioowej. Jeżeli zachodzi potrzeba wyraźego zwiększeia prędkości, to uzyskuje się to poprzez ziejszaie prądu wzbudzeia przy stały apięciu, ajczęściej rówy zaiooweu. Wyzaczeie charakterystyk dokouje się rówież w oparciu o wzór (1.1) z jedy zastrzeżeie jeśli paraetre charakterystyki jest jak poprzedio prąd tworika, to regulacja odbywa się przy stałej ocy a wale oet rozwijay przez silik jest proporcjoaly do prądu wzbudzeia (przy poiięciu efektów wyikających z asyceia obwodu agetyczego) ax = cost N 1 < 2 < 3 N fn f ys.1.5. Charakterystyki regulacji prędkości obrotowej przy ziey prądzie wzbudzeia i stały apięciu oraz ocy a wale. aksyala prędkość obrotowa wyika z dopuszczalych wartości dla łożysk i koutatora. Współczese apędy prądu stałego są zasilae z przekształtików pozwalających a praktyczie dowole kształtowaie czasowych przebiegów prądów i apięć. Ty say proces rozruchu odbywa się według krzywych pokazaych a rys.1.4. potyka się jeszcze proste układy zasilae wprost z sieci prądu stałego o ieziey apięciu, gdzie zachodzi potrzeba ochroy silika przed uderzeie prądu w chwili gdy prędkość a więc i siła elektrootorycza rówe są zeru. Wartość prądu tworika w wyika wtedy jedyie z rezystacji tego obwodu i przy bezpośredi włączeiu osiągała by wielkość rzędu 2 N wyikającą z typowych proporcji poiędzy siłą elektrootoryczą a apięcie w warukach zaioowych. ilik zabezpiecza się poprzez dołączeie szeregowe w obwodzie tworika tzw. rozruszika, będącego ajczęściej regulowaą skokowo rezystacja d, Poszczególe sekcje rozruszika dobiera się wg. (1.1) tak, aby wartość prądu ie przekraczała (1.-1.2) N. = c d Φ + 2 Δ (1.11) Należy podkreślić, że rozruszik jest projektoway a krótkotrwałe obciążeia i pozostawieie go w obwodzie po okresie rozruchu prowadzi do jego ziszczeia w wyiku przekroczeia

5 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory dopuszczalych teperatur. + - B1 f d1 d2 d3 d = ax = cost d B2 A1, 1 2 f obc d1 > d2 d3 A2 c Φ a. b. ys.1.6. ozruch silika obcowzbudego a. scheat połączeń, b. przebieg prądu w trakcie rozruchu. Pokazaa a rys.1.6b charakterystyka prądu obciążeia obc odpowiada staowi ustaloeu, tak więc adwyżka prądu tworika (i jedocześie oetu) ad prąde (oete) obciążeia powoduje zwiększeie prędkości obrotowej aż do wartości ustaloej przy zwarciu rozruszika. Bieguy wzbudzeia w aszyach prądu stałego posiadają oprócz uzwojeia boczikowego 12 dodatkowe uzwojeie szeregowe D1D2, przez które płyie prąd tworika wytwarzając dodatkowy struień ΔΦ () rzędu 1% struieia główego i współdziałający z ty struieie. Jeżeli uzwojeie to jest wykorzystywae rys.1.1, to bilas apięć w aszyie wyika z zależości [ Φ + ΔΦ ) ] + + Δ = c ( 2 (1.11) Zadaie tego uzwojeia jest zwiększeie oetu w przypadku pracy silikowej oraz ziejszeie zieości apięcia przy pracy prądicowej Prądica boczikowa saowzbuda. zczególy przypadkie pracy prądicowej aszyy prądu stałego jest zasilaie wydzieloych odbiorików eergii bez połączeia z iyi geeratorai. cheat połączeń aszyy w tych warukach pokazao a rys.1.7. Należy zwrócić uwagę, że teraz zasilaie uzwojeia wzbudzeia pochodzi z zacisków obwodu tworika, a ie z zewętrzego źródła jak poprzedio. Aby ógł popłyąć prąd f, a zaciskach A1A2 usi być apięcie wywołae iy struieie agetyczy. Pochodzi o z efektu trwałego aagesowaia (reaecji agetyczej) poszczególych eleetów obwodu agetyczego powstałego

6 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory w wyiku uprzediego przepływu prądu z zewętrzego źródła w obwodzie wzbudzeia. Wartość tego struieia Φ re jest iewielka, zwykle około 5% Φ, Przy łączeiu aszyy ależy zwrócić uwagę, aby struieie Φ re oraz Φ, który powstaie w wyiku przepływu prądu fre wywołaego siłą elektrootoryczą e re, były skierowae w ty say kieruku c Φ re f re = (1.12) f W przeciwy wypadku astąpi całkowite odagesowaie aszyy i trzeba będzie powtórzyć procedurę wytworzeia pozostałości agetyczej Φ re. obc B1 B2 A1 A2 + - t f c Φ 1 Φ re 2 Φ f c Φ re fkr f fn f fn = c Φ = N 12 f = c Φ = kr a. b. ys.1.7. Prądica boczikowa saowzbuda (strzałkowaie prądów wg scheatu źródłowego) a. scheat połączeń, b. przebieg procesu saowzbudzeia. f Aby ożliwe było saowzbudzeie prądicy boczikowej uszą być spełioe dwa waruki: - rezystacja obwodu wzbudzeia usi być iejsza od tzw. rezystacji krytyczej fkr pokazaej a rys.1.7b. Wartość tej rezystacji zależy w oczywisty sposób od prędkości obrotowej. - prędkość obrotowa usi być większa od tzw. prędkości krytyczej kr, przy której rezystacja krytycza fkr = 12. Najistotiejsza różica poiędzy prądicą obcowzbudą a boczikową dotyczy wielkości prądu w staie zwarcia obwodu tworika. Dla obydwu aszy prąd zwarcia wyika z podzieleia siły elektrootoryczej poprzez rezystację obwodu tworika Σ. W przypadku prądicy obcowzbudej sta zwarcia tworika ie a wpływu a obwód wzbudzeia, gdzie płyie dotychczasowy prąd p. fn więc siła elektrootorycza jest bliska apięciu zaiooweu a prąd zwarcia wyiesie, podobie jak w siliku boczikowy w chwili początkowej rozruchu, około 2 N dlatego też często używa się pojęcia sta zwarcia silika dla sytuacji kiedy

7 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory jest o zatrzyay i zasilay apięcie z sieci. Dla prądicy boczikowej w staie zwarcia prąd w obwodzie wzbudzeia ie oże płyąć, bowie apięcie a jego zaciskach jest rówe zeru. dukowaa w tworiku pochodzi wyłączie od struieia pozostałości agetyczej będącego kilkaaście razy iejszy od struieia w warukach zaioowych. Dlatego też prąd zwarcia k w tej prądicy ie jest groźy, poieważ jego wartość jest bliska prądowi zaiooweu. c Φre k = dla prądicy boczikowej, c Φ k = dla prądicy obcowzbudej (1.13) Należy także zwrócić uwagę, że w wyiku ziejszaia się apięcia a zaciskach tworika prądicy boczikowej w iarę zwiększaia prądu obciążeia, aleje rówież prąd wzbudzeia, co ziejsza dodatkowo i apięcie a zaciskach. prądica szeregowo-boczikowa prądica boczikowa prądica obcowzbuda ys.1.8. Charakterystyki zewętrze prądic prądu stałego. N 1.3. ilik szeregowy prądu stałego. Budowa silika szeregowego jest praktyczie idetycza jak w aszyach boczikowych za wyjątkie bieguów wzbudzeia pola, gdzie zajduje się tylko jedo uzwojeie połączoe szeregowo z obwode tworika. B1 f B2 A1 A2 c Φ D1 Φ D2 ys.1.9. cheat połączeń silika szeregowego.

8 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory Powoduje to odiee własości regulacyje silika w stosuku do aszy boczikowych. ówaie bilasu apięciowego pozostaje ie zieioe [ Φ ) ] + + Δ = c ( 2 (1.14) ty ieiej struień wzbudzeia jest teraz zależy od prądu obciążeia. Jeżeli poiiey wpływ asyceia, to struień Φ wyosi Podstawiając do rówaia (1.14) otrzyuje się Φ = c (1.15) Δ = 2 c Φ Φ (1.16) zyskaa hiperbolicza zależość prędkości od prądu obciążeia pozwala a stosukowo łatwą regulację prędkości w szeroki zakresie, dlatego też siliki te zalazły szerokie zastosowaie w apędach trakcyjych. Często spotykay układe regulacji jest rówoległe połączeie z uzwojeie wzbudzeia oporika regulacyjego f rys.1.9. Ziaa tej rezystacji powoduje ziaę prądu płyącego przez uzwojeie wzbudzeia, a więc i struieia Φ. Niewielka ziaa suaryczej rezystacji obwodu tworika praktyczie ie wpływa a pobór prądu. Jedak w przypadku, kiedy regulacja odbywa się przy stały oecie obciążeia atężeie prądu usi ulec ziaie poieważ zieił się struień. Charakterystyki regulacji są podobe jak w siliku boczikowy, przy czy prąd wzbudzeia został zastąpioy prąde tworika a krzywe są paraetryzowae wartością rezystacji boczikującej. Napięciowe charakterystyki ie uległy ziaie co do kształtu, atoiast zacząco zwiększyły się odległości poiędzy poszczególyi krzywyi odpowiadający ty say względy prądo obciążeia. f3 f2 f1 = cost ax 2 3 f = cost N f1 < f2 < f3 N 1 1 < 2 < 3 N N N a. b. ys.1.1. Charakterystyki regulacji silika szeregowego. Całkowicie odiea jest charakterystyka echaicza =f(), co wyika z jedoczesego zaikaia oetu i struieia wzbudzeia w siliku szeregowy.

9 ateriały poocicze do wykładu aszyy lektrycze i Trasforatory ilik szeregowy = N ilik boczikowy N N ys Porówaie charakterystyk echaiczych silików szeregowego i boczikowego. Jak wyika z przedstawioych wykresów silik szeregowy ie oże pracować w staie jałowy ze względu a adierą prędkość obrotową. olę iezbędego wstępego obciążeia w apędach trakcyjych pełi siła tarcia wyikająca z asy pojazdu wirik silika trakcyjego jest zazwyczaj trwale sprzęgięty z osią jezdą pojazdu.