MASZYNY ELEKTRYCZNE. Wprowadzenie. Podział maszyn elektrycznych (rodzaj prądu): Podstawowe części składowe maszyn elektrycznych:

Transkrypt

1 ASZYNY LKTRYCZN Wprowadzeie aszya elektrycza urządzeie elektromechaicze działające a zasadzie idukcji elektromagetyczej i zjawiska dyamiczego oddziaływaia pola magetyczego a przedwodik z prądem służące do przetwarzaia eergii przy udziale ruchu mechaiczego. Rodzaje maszy elektryczych: PRĄDNC (GNRATORY) przetwarzają eergię mechaiczą a elektryczą, SLNK - przetwarzaję eergię elektryczą a mechaiczą, PRZTWORNC LKTROASZYNOW przetwarzają eergię elektryczą a elektryczą ze zmiaą apięcia, częstotliwości, liczby faz, itp. Podział maszy elektryczych (rodzaj prądu): prądu stałego o siliki, o prądice, o prądice tachometrycze, o wzaciacze maszyowe prądu przemieego o asychroicze idukcyje siliki pierścieiowe, klatkowe, wykoawcze, prądice tachometrycze komutatorowe o sychroicze siliki, prądice prądice tachometrycze Podstawowe części składowe maszy elektryczych: stoja ieruchoma część silika wirik część ruchoma wirująca wokół stałej osi szczotki styki ślizgowe doprowadzające prąd do wirika komutator przłączik prądu zmieiający kieruek przepływu prądu w obwodzie pierścieie Tworik część maszyy (stoja, wirik), do której doprowadzaa jest przetwarzaa eergia elektrycza lub z której odprowadza się eergię elektryczą przetworzoą. ageśica część maszyy, w której wytwarza się pole magetycze.

2 SLNK LKTRYCZN PRĄD STAŁGO. Silik boczikowy prądu stałego.. Kostrukcja 2 N w 3 ω 4 S t N oś eutrala t 2 2 S 5 Rys.. Silik boczikowy prądu stałego: - stoja, 2 - biegu główy z uzwojeiem wzbudzającym, 3 - wirik z uzwojeiem wirika (tworika), komutatorem i szczotkami, 4 - biegu komutacyjy (dodatkowy) z uzwojeiem komutacyjym, 5 - uzwojeie kompesacyje; liią przerywaą zazaczoo rozpływ strumieia magetyczego uzwojeia wzbudzeia a) + - R wd w + - w b) + - R wd B2 A F2 F B2 A 2 t t w R td R td 2 = t 2 = t + w Rys.2. kłady połączeń silików boczikowych prądu stałego: a) silik obcowzbudy, b) silik samowzbudy (boczikowy); - uzwojeie wzbudzeia, 2 - uzwojeie komutacyje i ewetualie uzwojeie kompesacyje (dla dużych mocy)

3 .2. Zasada działaia Prąd magesujący w, przepływający przez uzwojeie cewek wzbudzeia, wytwarza strumień magetyczy, który zamyka się przez rdzeie bieguów, szczelię powietrzą, rdzeń wirika i przez część stojaa zwaą jarzmem. Strumień te dzieli się a dwa strumieie po /2, przeikające przez dwie rówoległe części obwodu magetyczego (rys.2.2). Strumień te jest ieruchomy względem stojaa. b) B, e oś biegua N oś eutrala oś biegua S oś eutrala a) α N Φ km π 2π Φ t t F ω A B S N Φ kt ' c) B t ' α F t α S - + t d) B oś eutrala oś eutrala α α α ' ' Rys.3. Zasada działaia silika prądu stałego: a) szkic ideowy silika, b) rozkład idukcji B w pod bieguami przy biegu jałowym, c) rozkład idukcji oddziaływaia tworika, d) wypadkowy rozkład idukcji z uwzględieiem asyceia; - oś eutrala przy biegu jałowym lub z bieguami komutacyjymi, - oś eutrala przy obciążeiu i bez bieguów komutacyjych F = B t l. Kieruek tych sił mechaiczych moża określić posługując się regułą lewej dłoi. Siły mechaicze działając a przewody wirika powodują powstaie mometu elektromagetyczego (apędowego), który z kolei powoduje ruch obrotowy wirika.

4 = Fr, P =, P = t. ω = N a p Φ 6 w = c Φ gdzie: N - liczba wszystkich przewodów wirika, a - liczba par gałęzi rówoległych uzwojeia wirika, p - liczba par bieguów, - prędkość obrotowa wirika, - strumień uzwojeia wzbudzeia, Np c - stała kostrukcyja c =. 6a pn = Φ w t = c Φ w t, 2 π a gdzie c jest stałą kostrukcyją, iezmieą dla daej maszyy pn c = 2π a. Związek między mocą, mometem i prędkością obrotową day jest wzorem P = 9, 55, w którym jest liczoe w N m, P w kw, a w obr/mi. Napięcie zasilaia jest rówoważoe przez siłę elektromotoryczą i spadek apięcia a rezystacji całkowitej tworika R tc = + R tc t. Rezystacja R tc jest sumaryczą rezystacją: uzwojeia tworika R t, rezystacją przejścia między szczotkami a komutatorem R p, szczotek R k oraz uzwojeia bieguów komutacyjych R k (i ewetualie uzwojeia kompesującego) w, R tc = R t + R p + R sz + R k. R tc t =. c Gdy silik zajduje się w staie tzw. idealego biegu jałowego, tz. gdy t =, wówczas apięcie sieci zasilającej jest rówoważoe tylko przez siłę elektromotoryczą i prędkość obrotowa silika wyosi =. c Φ m Prędkość obrotową silika przy dowolym prądzie obciążeia t moża teraz wyrazić przez prędkość obrotową biegu jałowego Φ m R = tc t.

5 .3. Charakterystyki mechaicze Charakterystykami mechaiczymi silika azywa się zależości = f() oraz = f(), (rys.4). () 2 2 () Rys.4. Charakterystyki mechaicze = f(), = f(): - maszya skompesowaa, 2 - maszya ieskompesowaa.4. Charakterystyka zewętrza Charakterystyką zewętrzą silika azywamy zależość prędkości obrotowej silika od prądu tworika przy stałym apięciu a zaciskach tworika i stałym prądzie wzbudzeia, = f( t ). 2 w2 Rys.5. Charakterystyka zewętrza silika = f( t ) przy = cost, w = cost w w2 < w = cost t z = R tc

6 .5. Charakterystyka obciążeia Charakterystyka obciążeia silika określa zależość prędkości obrotowej silika od prądu wzbudzeia, = f( w ) przy = cost i t = cost. t < t2 < t3 t t2 t3 w Charakterystyka ta pozwala a wyciągięcie wiosków o zachowaiu się silika przy regulacji prędkości obrotowej w górę poprzez osłabieie wzbudzeia z zachowaiem stałości apięcia zasilaia i stałej wartości prądu obciążeia. Rys.6. Charakterystyka obciążeia silika = f( w ) przy = cost i t = cost.6. Charakterystyka regulacji w w2 w 2 < = cost 2 t Charakterystyka regulacji jest to zależość prądu wzbudzeia od prądu tworika, w = f( t ) przy stałym apięciu zasilaia i stałej prędkości obrotowej. Charakterystyka regulacji pozwala określić zakres obciążeia silika, przy którym możliwe jest utrzymaie stałej prędkości obrotowej poprzez regulację prądu wzbudzeia. Rys.7. Charakterystyka regulacji silika w = f( t ) przy = cost i = cost.7. Straty i sprawość silika prądu stałego Przy pracy silika prądu stałego moc elektrycza P el, doprowadzoa do silika, rozdziela się a moc mechaiczą P m a wale silika oraz moc strat P el = P m + P. Straty P dzielą się a trzy grupy: straty jałowe P, straty wzbudzeia P wz, straty obciążeia P obc. Straty jałowe są to straty w żelazie a histerezę i prądy wirowe oraz straty mechaicze a tarcie w łożyskach, tarcie szczotek o komutator oraz straty wetylacyje P = P Fe + P m. Straty wzbudzeia są to straty mocy a ciepło Joule'a w uzwojeiu wzbudzającym wz ( R ) 2 w Rwd w P = +.

7 Straty obciążeiowe są związae z przepływem prądu w obwodzie tworika Straty całkowite P = P = R obc Cu tc 2 t P = P + P wz + P obc.. Sprawość silika prądu stałego oblicza się według zależości Pm Pm η = =. P P + P el m.8. Rozruch silika boczikowego prądu stałego Prędkość obrotowa silika boczikowego prądu stałego wyraża się wzorem R c Φ tc =. Przy ieruchomym siliku (=) brak jest w obwodzie tworika siły elektromotoryczej. W chwili włączeia silika do sieci płyie w uzwojeiu wirika bardzo duży prąd tz ( tz 2 ) tc m tz =. R Rozruch apięciowy silika polegający a zmiejszeiu apięcia w chwili rozruchu ie jest stosoway dla silików boczikowych. oża w te sposób ograiczyć prąd rozruchowy, ale jedocześie momet rozruchowy jest bardzo mały, gdyż strumień wzbudzeia jest iewielki. W silikach boczikowych prądu stałego ograiczeie prądu rozruchowego przy jedoczesym odpowiedio dużym momecie rozruchowym uzyskuje się przez włączeie w obwód wirika dodatkowych rezystorów rozruchowych R td = R d. Silik zasilay jest apięciem zamioowym. Tym samym w uzwojeiu wzbudzeia płyie prąd zamioowy. Wartość rezystacji rozruchowych dobiera się tak, aby prąd rozruchowy ie przekroczył dwukrotej wartości prądu zamioowego silika r = 2. R + R tc Gdy wirik zaczya się obracać, powstaje w im siła elektromotorycza i prąd rozruchowy maleje liiowo ze wzrostem prędkości obrotowej zgodie z rówaiem k r = =. R + R R + R tc d d tc d

8 a) b) + A B2 R tc R R 2 R 3 op 2 P R tc R A B C R 4 3 R 2 D R F op 2 op 2 R 4 Rys.8. Rozruch rezystacyjy silika boczikowego prądu stałego: a) układ połączeń rozruszika, b) charakterystyki mechaicze rezystację ostatiego stopia rozruchowego gdzie z jest liczbą stopi rozruszika. R z =, 2 Rz = Rz 2, R = z Rz 2 2, R =. Rtc 2 Wprowadzając stosuek przełączaia λ λ = 2 = 2 Rz Rz R λ = = = K =. R R R z z 2 tc Wyika stąd, że rezystacje obwodu tworika tworzą ciąg geometryczy o ilorazie λ, wyrazie początkowym R tc, wyrazie końcowym R z i liczbie wyrazów z+. Jest zatem Stąd liczba stopi rozruszika:. z R z = R tc λ. l R z l Rtc z =. lλ

9 .9. Regulacja prędkości obrotowej silika boczikowego prądu stałego Zmiaa apięcia zasilaia a) b) () t = cost Φ m = cost () > 2 > 3 Φ m = cost R tc t Rys.9. Zmiaa apięcia zasilaia silika boczikowego prądu stałego: a) charakterystyka = f(), b) charakterystyki mechaicze = f() i = f() Zmiaa strumieia w szczeliie powietrzej a) b) max ( w ) w2 2 = ( w ) w2 < w mi = cost t = cost w w w mi w max r2 r Rys.. Zmiaa strumieia w szczeliie powietrzej: a) charakterystyka magesowaia = f( w ) i charakterystyka = f( w ), b) charakterystyka mechaicza = f() Zmiaa rezystacji obwodu tworika () R td = () R td2 R td3 Rys.. Charakterystyki mechaicze przy zmiaie rezystacji obwodu tworika; R td < R td2 < R td3 < R td4 R td4 op

10 .. Hamowaie silika boczikowego prądu stałego Hamowaie polega a wytworzeiu przez silik mometu hamującego przeciwego do kieruku ruchu wału silika. stieją trzy sposoby hamowaia elektryczego:. odzyskowe (prądicowe), 2. dyamicze, 3. przeciwprądowe. Hamowaie elektrycze silików boczikowych prądu stałego wymaga zmiay kieruku mometu obrotowego silika a przeciwy do kieruku obrotów przy pracy silikowej. Hamowaie odzyskowe R tc R tc +R d () () Hamowaie odzyskowe zachodzi po przekroczeiu prędkości obrotowej idealego biegu jałowego. W pukcie tym astępuje przejście od pracy silikowej do pracy prądicowej w sposób ciągły, siła elektromotorycza rośie powyżej apięcia, prąd zmieia kieruek a przeciwy i płyie do sieci (rys.2) Rys.2. Charakterystyki hamowaia odzyskowego (prądicowego) Hamowaie dyamicze zwojeie wzbudzeia zasila się z obcego źródła. Silik odłączoy jest od sieci zasilającej, a załączoy jest a rezystację dodatkową R d (rys.3a). a) b) () R d2 R tc R d + - B2 2 A R d op - () Rys.3. Hamowaie dyamicze: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowaia dyamiczego dla R d <R d2

11 Hamowaie przeciwprądowe R d R d2 () Rys op - - Charakterystyki hamowaia przeciwprądowego; R d < R d2 () Hamowaie przeciwprądowe silika realizuje się przez zmiaę bieguowości tworika. Wirik obraca się w kieruku przeciwym do kieruku mometu elektromagetyczego, który staje się wobec tego mometem hamującym. Prąd i momet obrotowy są wtedy bardzo duże; dla wartości dopuszczalej ograicza się je przez włączeie dużych rezystacji do obwodu tworika (rys.4). omet hamujący maleje wraz z malejącą prędkością obrotową. Aby uikąć poowego rozruchu w kieruku przeciwym, wyłącza się silik w chwili zatrzymaia się lub tuż przed osiągięciem stau spoczyku. ergia hamowaia, ie przekształcoa przez maszyę roboczą, zamieia się a ciepło w obwodzie tworika.

12 2. Silik szeregowy prądu stałego. Kostrukcja + - R td B2 A D2 D R wb 2 Rys.5. kład połączeń silika szeregowego prądu stałego: - uzwojeie wzbudzeia, 2 - uzwojeie komutacyje i ewetualie kompesacyje 2. Zasada działaia = w = t. = c 2, gdzie c jest stałą kostrukcyją silika. Ze schematu zastępczego (rys.5) otrzymuje się rówaie apięć silika (R td =, R wb = ) = + R c, w którym rezystacja całkowita jest sumą rezystacji całkowitej tworika R tc i rezystacji uzwojeia wzbudzeia R w Siła elektromotorycza daa jest wzorem R c = R tc + R w. = c Φ = c, gdzie c jest ową stałą kostrukcyją silika.

13 amy więc wzór a prędkość obrotową silika: który jest rówaiem hiperboli. Rc =, c względiając zależość mometu od prądu dostajemy charakterystyki mechaicze. () () Rys.6. Charakterystyka mechaicza = f() oraz zależość = f() silika szeregowego prądu stałego 3. Rozruch silika szeregowego Rozruchu silika szeregowego prądu stałego dokouje się przez włączaie do obwodu tworika rezystacji dodatkowej R td. Rezystacja obwodu tworika wzrasta do R z R z = R td + R c. Prędkość obrotowa silika zmieia się przy określoym prądzie i strumieiu wzbudzeia w stosuku z ( Rc + Rtd ) =. R Przyjmując prądy przełączeiowe i 2 oraz odpowiadające im momety obrotowe i 2 oblicza się ajwiększą rezystację rozruszika dla prędkości obrotowej = R = td R c. 2

14 a) b) + R c op R td = R td2 R td R td3 A 2 D R td3 3 4 C R td2 R td - B op 2 Rys.7. Rozruch silika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń rozruszika, b) charakterystyki mechaicze dla R td > R td2 > R td3 4. Regulacja prędkości obrotowej silika szeregowego prądu stałego Zmiaa apięcia zasilaia () () > 2 > Rys.8. Charakterystyki mechaicze silika szeregowego prądu stałego przy stopiowej zmiaie apięcia zasilaia Zmiaa strumieia w szczeliie powietrzej () Φ 3 Φ 2 Φ () Φ 3 Rys9. Charakterystyki mechaicze silika szeregowego prądu stałego przy osłabiaiu strumieia wzbudzeia za pomocą rezystacji boczikującej Φ 2 Φ > Φ 2 > Φ 3 Φ Zmiaa rezystacji obwodu tworika

15 () R t R t2 Rys.2. Charakterystyki mechaicze silika szeregowego prądu stałego o rezystacji dodatkowej w obwodzie tworika R t3 > R t2 > R t R t3 Boczikowaie tworika a) b) + - R b = w R b > R b2 > R b3 A t 2 R b b R b B2 D2 D 3 R b2 R b3 Rys.2. Boczikowaie tworika: a) układ połączeń, b) charakterystyki mechaicze silika szeregowego prądu stałego 5. Hamowaie silika szeregowego prądu stałego Hamowaie odzyskowe + - w R d t Rys.22. kład hamowaia odzyskowego silika szeregowego prądu stałego z przełączoym uzwojeiem wzbudzeia Hamowaie dyamicze

16 b) a) R d3 () () t R d2 () A R d D2 D B op R d - 3 R d < R d2 < R d3 () Rys.23. Hamowaie dyamicze silika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowaia dyamiczego Hamowaie przeciwprądowe b) a) R d R d2 () () A D2 D op B2 R d - 2 R d < R d2 () - () Rys.24. Hamowaie przeciwprądowe silika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowaia przeciwprądowego