Maszyny prądu stałego reakcja twornika

Transkrypt

1 Maszyny prądu sałego reakcja wornika W maszynach prądu sałego niezbędne jes uwzględnienie zjawisk wynikających z krzywej magnesowania oraz z rzeczywisego rozkładu pola magneycznego w szczelinie powierznej pomiędzy sojanem a wirnikiem. Na Rys. 1 pokazano prakyczną zależność srumienia magneycznego od warości prądu wzbudzenia w maszynie prądu sałego. W prakyce zawsze wysępuje srumień remanenu magneycznego oraz nieliniowa zależność pomiędzy ymi wielkościami. Rys. 1 Zależność srumienia od prądu wzbudzenia Pole magneyczne wywarzane jes zawsze przez prądy płynące w obwodach. Prąd wzbudzenia wywarza srumień magneyczny pokazany na Rys. 1. W przypadku obciążenia maszyny prąd wornika akże wywarza pole magneyczne. Na Rys. 2 pokazano uproszczony rozkład pola magneycznego wywarzanego przez bieguny główne oraz bieguny pomocnicze (Rys. 2c). Rys. 2b jes wynikiem założenia o dużej liczbie żłobków wirnika i prezenuje kszał naężenia pola magneycznego wywarzany przez prąd płynący w wirniku. Wypadkowy kszał wymuszenia H (linia ciągła Rys. 2d) oraz przybliżony rozkład warości indukcji (linia przerywana Rys. 2d) w szczelinie powierznej jes wynikiem prądu wzbudzenia oraz prądu wornika przy szczokach umieszczonych w srefie geomerycznie neuralnej. Warość srumienia magneycznego jes proporcjonalna do powierzchni pod krzywą indukcji. W przypadku pominięcia nasycenia obwodu magneycznego, z uwagi na symerię pola wyworzonego przez wirnik, srumień wypadkowy pod biegunami jes warością sałą. Zmienia się rozkład pola zmniejszając jego warość pod jedną częścią bieguna i zwiększając pod drugą. Efekem jes zmniejszenie warości sił elekromoorycznych w uzwojeniach położonych pod obniżoną warością indukcji, naomias efek wypadkowej warości napięcia indukowanego nie zmienia się. Problem pojawia się w syuacji, gdy uwzględnimy nasycenie obwodu magneycznego. W części bieguna o zwiększonej warości Sołbu Adam Białysok2016 sr. 1

2 wymuszenia może dojść do nasycenia obwodu magneycznego i w efekcie nasępuje zmniejszenie warości srumienia. Rys. 2 Rozkład pola magneycznego w maszynie prądu sałego efek reakcji wornika [2]. Rys. 3 Rozkład pola magneycznego od prądu wornika (reakcja wornika) [2]. Sołbu Adam Białysok2016 sr. 2

3 Pole magneyczne wyworzone przez obwód wzbudzenia jes skierowane pomiędzy biegunami i wyznacza położenie osi podłużnej (osi d). Prąd wornika, przy szczokach umieszczonych w srefie geomerycznie neuralnej, wywarza pole skierowane pod kąem prosym do osi d, nazywamy ją osią poprzeczną q i umownie reakcję wornika przy szczokach umieszczonych w srefie neuralnej nazywamy poprzeczną reakcja wornika. Wpływ poprzecznej reakcji wornika na warość srumienia magneycznego pokazano na Rys. 4. Rys. 4 Zależność srumienia magneycznego w maszynie prądu sałego od prądu wornika: a) pominięcie nasycenia obwodu magneycznego, b) wpływ nasycenia fragmenów rdzenia. Widoczny efek zmniejszenia srumienia wysępuje u dopiero od pewnej warości prądu wornika. Zwykle zauważalny wpływ reakcji wornika wysępuje od ok 80% warości prądu znamionowego i oczywiście jes zależny od warości prądu wzbudzenia. Innym efekem reakcji wornika jes fak pojawienia się pola magneycznego w osi poprzecznej. Ma o isone znaczenie dla procesu zmiany kierunku prądu w zezwoju komuującym, sąd na Rys. 2c i Rys. 2d pokazano konieczność zasosowania biegunów komuacyjnych. Uzwojenie biegunów komuacyjnych musi byś szeregowo połączone z uzwojeniem wornika i musi zmniejszać warość pola magneycznego reakcji wornika w osi geomerycznie neuralnej. Największe problemy w maszynach prądu sałego związane są z procesem zmiany kierunku prądu w zezwojach kóre przechodzą pomiędzy biegunami. Nazywamy o procesem komuacji. Rys. 5 przesawia schemaycznie sposób połączenia uzwojenia wornika oraz jego połączenie z wycinkami komuaora i do nieruchomych szczoek. Sołbu Adam Białysok2016 sr. 3

4 Rys. 5 Uzwojenie wornika i jego połączenie do komuaora [6]. Rys. 6 Proces komuacji[6]. Sołbu Adam Białysok2016 sr. 4

5 Obró komuaora powoduje, że prąd płynący przez szczoki do 1 wycinka komuaora rozdziela się na dwie gałęzie równoległe Rys. 6a. Ruch komuaora powoduje zwarcie ze sobą sąsiednich wycinków (Rys. 6b) wraz z zezwojem komuującym przez szczokę. Po pewnym czasie całość prądu doprowadzonego do wornika jes przejmowana przez nasępny wycinek komuaora (Rys. 6b), co kończy proces komuacji w zezwoju dołączonym do 1 i 2 wycinka komuaora. Rys. 7 Schema zasępczy zezwoju komuującego [9]. Rys. 8 Komuacja prosoliniowa a), opóźniona b) i przyśpieszona c) [9]. Sołbu Adam Białysok2016 sr. 5

6 W zezwoju komuującym prąd płynący przed zwarciem był równy Ia (Rys. 7), po zakończeniu procesu komuacji jes równy -Ia. W czasie procesu komuacji obwód zwary można przedsawić w posaci schemau zasępczego (Rys. 7), w kórym wysępuje spadek napięcia na rezysancji zezwoju Rk, napięcie samoindukcji związana z indukcyjnością zezwoju Lk, napięcie roacji będące efekem indukcji różnej od zera przy przejściu przez srefę neuralną (efek reakcji wornika i isnienia biegunów komuacyjnych) oraz napięcie przejścia pomiędzy szczoką i wycinkami komuaora. Idealny proces komuacji o zapewnienie wyzerowania warości chwilowych sumy napięcia samoindukcji o roacji, mówimy wówczas o komuacji prosoliniowej (Rys. 8a). Zaleą akiego sposobu zmiany kierunku prądu w zezwoju jes sałość gęsości prądu na całej szerokości szczoki. W prakyce nie osiągalny, możliwe jes uzyskanie zerowej warości średniej ych napięć w czasie komuacji. Jeśli jes zby mała warość napięcia roacji o proces komuacji jes opóźniony (Rys. 8b). Opóźniony proces komuacji powoduje, że pod koniec procesu wzrasa gęsość prądu na części szczoki co może prowadzić do iskrzenia na syku szczoki i wycinka komuaora. Jeśli warość napięcia roacji będzie zby duża o gęsość prądu wzrasa po drugiej sronie szczoki i akże może prowadzić do iskrzenia. Jakość procesu komuacji jes zaem uzależniona od warości prądu wornika, prędkości obroowej wału wirnika oraz innych czynników akich jak san szczoek i komuaora czy eż zanieczyszczeń na komuaorze i siły docisku szczoek do komuaora. Proces en jes na yle skomplikowany, że w prakyce doświadczalnie dobiera się grubość szczeliny powierznej pomiędzy wirnikiem a biegunami pomocniczymi poprzez wsawianie przekładek magneycznych pomiędzy jarzmem sojana i pieńkami biegunów pomocniczych. Proces komuacji wymusza ograniczenie warości chwilowej prądu wornika. W sandardowych rozwiązaniach prąd en nie powinien być większy od 1,2 prądu znamionowego. Efek en wymusza sosowanie specjalnych mechanizmów rozruchowych w przypadku silników prądu sałego. Rys. 9 Schema umieszczenia uzwojeń kompensacyjnych [6]. Sołbu Adam Białysok2016 sr. 6

7 Maszyny prądu sałego o mocach 100 kw i większych mają dodakowe uzwojenie ułożone w żłobkach w nabiegunnikach biegunów głównych (Rys. 9). Ich zasosowanie ma na celu wyrównanie rozkładu pola magneycznego pod biegunami głównymi o prakyczną niwelację poprzecznej reakcji wornika. Wpływ reakcji wornika nie ogranicza się do reakcji poprzecznej. W przypadku, gdy wysuniemy szczoki ze srefy geomerycznie neuralnej nasępują przesunięcie rójkąnego rozkładu naężenia pola magneycznego wyworzonego przez prąd płynący w wirniku w kierunku zależnym od kierunku wysunięcia szczoek dla silnika i dla prądnicy. Zjawisko o nosi nazwę podłużnej reakcji wornika, gdyż jego efekem jes zmiana warości wypadkowego srumienia pod biegunami. Dla silnika wysunięcie szczoek w kierunku zgodnym z ruchem wirnika spowoduje wzros wypadkowego srumienia a w kierunku przeciwnym jego zmalenie. Dla prądnicy jes odwronie. Wysunięcie szczoek ze srefy neuralnej powoduje znaczne pogorszenie procesu komuacji. Isnienie syku ruchomego pomiędzy szczokami a komuaorem wprowadza powoduje, że nie wolno rakować rezysancji wornika jak warości sałej. Na syku dwóch maeriałów, w przypadku maszyn prądu sałego jes o zwykle grafiowa szczoka i miedziany komuaor, pojawia się zw. napięcie przejścia. Napięcie o jes efekem różnej ruchliwości nośników prądu w obu maeriałach. W przypadku maszyn elekrycznych napięcie o jes rzędu 2V. Przy nieruchomym wirniku warość napięcia na zaciskach będzie równa: U R I R I Up (1) k Sumę rezysancji w obwodzie wornika Rc można zaem wyznaczyć z zależności (Rys. 10): R c U I R R k Up I (2) Gdzie R jes rezysancją uzwojenia wornika, Rk rezysancją uzwojeń komuacyjnych a Rp jes nieliniową warością nazywaną rezysancją przejścia: R p Up I (3) Sołbu Adam Białysok2016 sr. 7

8 Rys. 10 Zależność całkowiej rezysancji w obwodzie wornika od prądu wornika. Sołbu Adam Białysok2016 sr. 8

9 Lieraura: [1] Rene Le Doeuff, Mohamed El Hodi Zaim: Roaing Elecrical Machines. John Wiley & Sons Inc., Hoboken 2010 [2] Wildi Theodore: Elecrical Machines, Drives and Power Sysems. Pearson Educaion, New Jersey 2006 [3] Chapman Sephen J.: Elecrical Machinery Fundamenals. McGraw Hill, New York 2005 [4] Fizgerald A. E., Kingsley Ch., Unmans S. D.: Elecric Machinery. McGraw Hill Higher Educaion 2003 [5] Paul C. Krause, Oleg Wasynczuk, Sco D. Sudhoff: Analysis of Elecric Machinery and Drive Sysems. John Wiley & Sons Inc. IEEE Press Piscaaway, New York 2002 [6] Sen P. C.: Principles of elecric machines and power elecronics. Queen s Universiy, Kingson, Onario, Canada, John Wiley & Sons, [7] Syed Nasar: Elecric machines and elecromechanics, Schaum s ouline series, McGraw Hill, New York, [8] Przyborowski W., Kamiński G.: Maszyny elekryczne, Oficyna Wydawnicza Poliechniki Warszawskiej, Warszawa [9] Miew E., Maszyny Elekryczne, T1, T2, Wyd. Poliechniki Radomskiej, Radom 2005 [10] Maulewicz W., Maszyny elekryczne w elekroenergeyce, PWN, Warszawa 2005 [11] Plamizer A.: Maszyny elekryczne. WNT, Warszawa 1982 Sołbu Adam Białysok2016 sr. 9