Wykład 4. Strumień magnetyczny w maszynie synchroniczne magnes trwały, elektromagnes. Magneśnica wirnik z biegunami magnetycznymi. pn 60.

Transkrypt

1 Serwonapędy w automatyce i robotyce Wykład 4 Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów Silnik synchroniczny - wprowadzenie Maszyna synchroniczna maszyna prądu przemiennego, której wirnik w stanie ustalonym obraca się z taką samą prędkością, z jaką wiruje pole magnetyczne f = pn 60 Strumień magnetyczny w maszynie synchroniczne magnes trwały, elektromagnes. Magneśnica wirnik z biegunami magnetycznymi 2

2 Silnik synchroniczny - wprowadzenie a) z wirnikiem jawnobiegunowym b) z wirnikiem cylindrycznym Silnik synchroniczny - wprowadzenie Maszyna synchroniczna trójfazowa

3 Silnik synchroniczny - wprowadzenie Elektromagnes uzwojenie magnesów zasilane jest prądem stałym prąd wzbudzenia: bateria akumulatorów, prądnica prądu stałego wzbudnica. Silnik synchroniczny - wprowadzenie Maszyny synchroniczne: Prądnice generatory synchroniczne Silniki, Kompensatory synchroniczne generatory mocy biernej.

4 Silnik synchroniczny - wprowadzenie Silnik stojan zasilany z sieci symetrycznej prądem trójfazowym o częstotliwości f 1 wirujące pole magnetyczne z prędkością n f = p 1 n1 Uzwojenie wirnika zasilane prądem stałym pole magnetyczne stałe Nieruchomy wirnik średnia wartość momentu = 0 Wirnik z prędkością n 1 moment synchroniczny. Działanie obciąŝenia. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 7 Silnik synchroniczny - wprowadzenie Silnik synchroniczny nie ma momentu rozruchowego. Wykorzystując moment asynchroniczny silnika synchronicznego wytworzony przez klatkę rozruchową i lity blok Ŝelaza wirnika, po włączeniu silnika do sieci. Stosując pomocniczą maszynę napędową, Wykorzystując moment synchroniczny ( rozruch Wykorzystując moment synchroniczny ( rozruch częstotliwościowy)

5 Silnik synchroniczny wprowadzenie Schemat połączeń silnika synchronicznego przy rozruchu asynchronicznym Silnik synchroniczny - wprowadzenie Moc czynna pobierana przez silnik P = mui cosϕ Moment elektromagnetyczny [Nm] M = 9,55 P n 1 Wirnik cylindryczny a = X I cosϕ = E sinϑ d E f I cosϕ = sinϑ X d f Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 10

6 Silnik synchroniczny - wprowadzenie Moment obrotowy wirnik cylindryczny m UE M 9,55 n X f 1 d sinϕ Silnik jawnobiegunowy Rdzeń wirnika jest symetryczny względem osi podłuŝnej d (osi biegunów jawnych), osi poprzecznej q (osi elektrycznie prostopadłej do osi d). Reaktancja synchroniczna w osi podłuŝnej X = X + X d ad r Reaktancja synchroniczna w osi poprzecznej X = X + X q aq r Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 11 Silnik synchroniczny - wprowadzenie Moment obrotowy silnik jawnobiegunowy M = m UE n X f 2 m U X d X q sinϑ + sin 2ϑ n 2 X X 1 d 1 d q Kąt mocy Moment synchroniczny Moment reluktancyjny (reakcyjny) Charakterystyka kątowa momentu maszyny synchronicznej jawnobiegunowej przy U = const, If = const Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 12

7 Silnik synchroniczny PrzeciąŜalność u = M M kn N Pk = P N = 1 sinϑ N Praca maszyny jest stabilna: Przy przemijających zmianach momentu elektromagnetycznego lub napędowego (obciąŝenia) maszyna powraca do wyjściowego stanu pracy, Przy trwałych zmianach momentu elektromagnetycznego lub napędowego ustala się praca maszyny w nowych warunkach. Współczynnik synchronizujący miara zdolności maszyny do utrzymywania się w synchronizmie k s = dm dϑ Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 13 Silnik synchroniczny Współczynnik synchronizujący: Ze wzrostem prądu wzbudzenia zwiększa się wspólczynnik synchronizujący, Warunkiem pracy stabilnej jest k s >0, Współczynnik synchronizujący jest równy zeru przy kącie mocy ϑ = ϑ k Krzywe V krzywe Mordeya zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia I = f ( I ), U = const, f f = const, P = const. Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 14

8 Silnik synchroniczny Praca silnikowa krzywe V obciąŝenie stałym momentem, Zasilanie z sztywnej sieci, MoŜliwość regulacji prądu wzbudzenia Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 15 Silnik synchroniczne Maszyny synchroniczne: Silniki reluktancyjne, Silniki histerezowe, Silniki synchroniczne o magnesach trwałych Silniki reduktorowe. Silnik reluktancyjny Stojan: uzwojenia trójfazowe zasilane z sieci trójfazowej uzwojenia dwufazowe z kondensatorem zasilane z sieci jednofazowej. Brak uzwojenia wzbudzenia, Warunek istnienia momentu niesymetria magnetyczna wirnika Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 16

9 Silnik reluktancyjny Moment reluktancyjny: M 2 m U n 2 1 X q X X q X d d sin 2ϑ Silnik reluktancyjny Wirnik z litej stali z dodatkową kratką rozruchową Wirnik z litej stali z dodatkową kratką rozruchową Wirnik ze stali z niemagnetycznymi przekładkami, Wirnik jawnobiegunowy z oddzielnymi klatkami rozruchowymi

10 Silnik histerezowy Silnik histerezowy wynaleziony juŝ w roku 1900 przez Steinmetza był do ostatnich lat uŝywany prawie wyłącznie jako silnik pracujący praktycznie bez obciąŝenia ( napędy zegarów elektrycznych, przekaźników czasowych itp. ). Sprawność ich wynosiła 0,1 do 0,5%. Obecnie mocach przekraczających nawet 500[W] i uzyskujących sprawność ponad 50%. Silnik histerezowy Podstawowe właściwości: silniki histerezowe mają samoczynny rozruch i łatwo wpadają w synchronizm, na skutek współdziałania momentów asynchronicznego i histerezowego silniki pracują stabilnie równieŝ przy przeciąŝeniach, przechodząc z charakterystyki synchronicznej na asynchroniczną, moment rozruchowy jest przewaŝnie większy od momentu maksymalnego, dzięki czemu silnik charakteryzuje się bardzo korzystną elektromechaniczną stałą czasową,

11 Silnik histerezowy Podstawowe właściwości: prąd pobierany z sieci w czasie rozruchu, biegu jałowego i obciąŝenia znamionowego zmienia się nieznacznie, co pogarsza sprawność silników nieobciąŝonych, ale wpływa korzystnie na stałą czasową i na system zasilający, silnik ten nie ma Ŝadnych styków ruchomych, co zapewnia ich stałą i bezawaryjną pracę, przy mocy mniejszej od 150 [W] i podwyŝszonych częstotliwościach zasilania do wartości 400 [Hz] stosunek cięŝaru do mocy jest korzystniejszy niŝ w innych typach silników o stałej prędkości obrotowej, na skutek duŝego prądu magnesującego współczynnik mocy jest mały i wynosi od 0,2 do 0,6. Silnik histerezowy JeŜeli wenątrz stojana o wielofazowym uzwojeniu umieścić wirnik wykonany z ferromagnetycznego tworzywa, to wirnik ten zacznie obracać się w kierunku działania pola wirującego wytworzonego przez prąd przepływający w uzwojeniach stojana. Moment obrotowy wirnika będzie się składał z dwóch składowych: z momentu asynchronicznego powstającego na skutek wzajemnego oddziaływania wirującego pola silnika i strumienia wywołanego prądami wirowymi wirnika oraz tzw. momentu histerezowego: M = M H + M W M H = cf*φ*sinγ M moment wypadkowy gdzie: F siła magnetyczna stojana, M H moment histerezowy φ strumień wirnika, M W moment asynchroniczny γ kąt histerezy

12 Silnik histerezowy Silnik histerezowy Charakterystyka silnika histerezowgo, M H moment histerezowy, M max moment synchroniczny maksymalny, M S moment obciążenia silnika, M W moment asynchroniczny, S - poślizg

13 Silnik histerezowy z wirnikiem zewnętrznym 1. Cylinder stalowy, 2. Część czynna wirnika, 3. Szczelina, 4. Stojan Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (silnik Merilla permasyn) magnesy trwały (1) źródło strumienia magnetycznego, 2 blachy wirnika, 3 Ŝłobki głębokie, 4 stojan,

14 Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi z rozruchem drgającym 1 wirnik, 2 - stojan Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi 28

15 Zagadnienia Podaj definicję maszyny synchronicznej, Jakie zastosowania znajdują maszyny synchroniczne, Zasada działania silnika synchronicznego. Podaj zaleŝność między mocą i momentem dla silnika synchronicznego Co to jest moment synchroniczny i od czego zaleŝy? Co to jest moment reluktancyjny i od czego zaleŝy? W jakiej maszynie występuje? Co to jest przeciąŝalność maszyny synchronicznej? Kiedy pracę maszyny synchronicznej uwaŝa się za stabilną. Co jest miarą zdolności maszyny synchronicznej do utrzymania się w synchronizmie Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 29 Zagadnienia Podaj warunek pracy stabilnej dla maszyny synchronicznej. Co ma wpływ na wartość współczynnika synchronizującego? Co to są krzywe V? Co wskazuje najniŝej połoŝony punkt na krzywej V? Porównaj silnik synchroniczny z indukcyjnym Wymień sposoby rozruchu silnika synchronicznego. Wymień nazwy silników synchronicznych, Silnik reluktancyjny zasada działania, budowa, Silnik histerezowy Piotr Sauer Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów 30