Badanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego

Transkrypt

1 Szkoła Główna Służby Pożarniczej Katedra Techniki Pożarniczej Zakład Elektroenergetyki Ćwiczenie: Badanie maszyn elektrycznych rądu rzemiennego Oracował: mł. bryg. dr inż. Piotr Kustra Warszawa 2011

2 1.Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest oznanie budowy, zasady działania, właściwości maszyn asynchronicznych oraz wyznaczenie charakterystyk regulacyjnych silnika asynchronicznego. 2.Wrowadzenie teoretyczne. Maszyny rądu rzemiennego znajdują bardzo szerokie zastosowanie zarówno w rzemyśle jaj również w gosodarstwach domowych. O owszechnym zastosowaniu decydują nastęujące odstawowe ich zalety: Duża srawność, Niezawodność działania, Możliwość regulacji rędkości obrotowej, Możliwość zdalnego sterowania. Maszyny elektryczne dzielimy z unktu widzenia zachodzących w nich rzemian energetycznych na rądnice elektryczne i silniki elektryczne. Przedmiotem ćwiczenia będą maszyny bez komutatorowe, do których należą maszyny elektryczne indukcyjne, racujące zwykle, jako silniki i maszyny synchroniczne. W silnikach indukcyjnych jest wykorzystywane ole magnetyczne wirujące wytwarzane rzez uzwojenia zasilane rądami wielofazowymi. Najważniejszą zaletą rądu trójfazowego, która zdecydowała o jego rozowszechnieniu, jest łatwość wytwarzania ola magnetycznego wirującego, co umożliwiło skonstruowanie bardzo rostego w budowie i eksloatacji silnika elektrycznego. Nie mniej ważnym była możliwość rzesyłu energii elektrycznej na duże odległości orzez odniesienie naięcia wyjściowego generatorów rądu do wartości setek kilowoltów, dzięki czemu obniżono rzesyłane rądy z dziesiątków kiloamerów do wartości setek amerów. Pozwoliło to zmniejszyć rzekroje rzewodów elektroenergetycznej sieci rzesyłowej. Pole magnetyczne wirujące można wytworzyć za omocą układu cewek nieruchomych, umieszczonych w stojanie od odowiednim kątem względem siebie i zasilanych rądami rzesuniętymi względem siebie w fazie. Pierwszy silnik, którego działanie olegało na wykorzystaniu ola magnetycznego wirującego skonstruował Nikola Tesla. Zastosował on dwie cewki umieszczone w stojanie od kątem 90 0 względem siebie i zasilał je rzesuniętymi względem siebie w fazie o 90 0 naięciami układu dwufazowego. Rozwiązanie to nie znalazło szerokiego zastosowania. W silnikach o mocy rzędu ułamka kilowata zasilanych jednofazowo tzn. jednej fazy układu trójfazowego, stosuje się często dwa uzwojenia i wywołuje sztuczne rzesunięcie fazy rądu w jednym z nich. Można to zrealizować rzez włączenie kondensatora w szereg z tym uzwojeniem. Praca takich silników jest odobna do racy silników dwufazowych. Mikrosilniki dwufazowe szerokie zastosowanie znalazły w automatyce n. w układach wykonawczych. Sosób owstawania wirującego ola magnetycznego w układzie dwufazowym zostanie wyjaśniony w oarciu o rysunek 1. Na rys.1a rzedstawiono rzebiegi rądów w dwóch fazach, a na rys 1b,c,d orientacyjne obrazy ola magnetycznego dla kilku kolejnych 2

3 czasów t=0, t= 8 T i t= 4 T. Uzwojenie każdej fazy składa się z trzech cewek, ułożonych w trzech arach żłóbków i ołączonych ze sobą w szereg. Samych żłóbków, w celu większej rzejrzystości rysunku nie zaznaczono. Na owyższym rysunku rzedstawiono widok cewek rzekroju orzecznego stojana. Cewki te rozmieszczone są równomiernie na obwodzie stojana. 3

4 Rys.1. Powstawanie ola magnetycznego wirującego w stojanie o uzwojeniu dwufazowym: a) rzebiegi rądów b), c),d), obrazy ól w chwilach t=0 (b), t= 8 T (c), t= 4 T (d). W oisie tego rysunku rzyjęto taką zasadę, że rąd wływający do kartki aieru zaznaczono krzyżykiem zaś wyływający z niej zaznaczono kroką. Jest to niezbędna dla określenia kierunku rzeływu rądu, a co za tym idzie i nakreślenie obrazu ola magnetycznego, które wytwarza ten rąd. Jak widomo z fizyki każdemu rzeływowi rądu elektrycznego towarzyszy ole magnetyczne wirowe, obraz, którego możemy wyznaczyć za omocą reguły śruby rawoskrętnej, co okazano na rysunku 2. Rys. 2. Obraz linii sił ola magnetycznego wokół rzewodnika rostoliniowego. Jeżeli wyrostowany kciuk rawej dłoni wskazuje kierunek rzeływu rądu w rzewodniku, to zgięte alce rawej dłoni obejmujące ten rzewodnik wskazują zwrot linii sił ola wokół tego rzewodnika. Kolejnym rzyadkiem obrazu linii sił ola jest jego obraz, jaki wytwarza rzewodnik zamknięty n. kołowy. Rys. 3. Obraz ola magnetycznego wytworzonego rze ojedynczy zamknięty rzewodnik rądu elektrycznego. Jak widać na rys. 3, ole magnetyczne wytworzone rzez rzewodnik kołowy ma konfigurację odobną do ola magnetycznego magnesu sztabkowego, dlatego też rzewodnik kołowy z rądem traktujemy, jako diol magnetyczny. Kierunek ola magnetycznego wytworzonego rzez rzewodnik kołowy w owiązaniu z kierunkiem rądu w rzewodniku wyznaczamy również za omocą reguły śruby rawoskrętnej. Pojedynczy rzewodnik kołowy wytwarza stosunkowo słabe ole magnetyczne. Efekt ten można znacznie owiększyć, stosując układ rzewodników kołowych (lub innych 4

5 kształtów zamkniętych) ołączonych w szereg. Uzyskujemy w ten sosób zwojnicę (cewkę wielozwojową). Obraz ola magnetycznego cewki okazany jest na rys.4. Rys. 4. Obraz linii sil ola magnetycznego wytwarzany rzez cewkę rzewodzącą rąd elektryczny. Analogicznie wytwarzane jest ole magnetyczne wytwarzane rzez dwie cewki (dwa ramiona cewek) stojana silnika elektrycznego okazane na rysunku 1 zasilane sinusoidalnie zmiennym rądem elektrycznym w różnych chwilach czasu. W chwili t=0 rąd i 1 =I m a i 2 =0 (rysunek 1a). Pole magnetyczne wytwarza w tej chwili czasowej uzwojenie fazy 1 (okazano to na rysunku 1b). Jeżeli rzy rzyjętym oznaczeniu, że krzyżyk oznacza kierunek rądu łynącego do kartki aieru to zgodnie z regułą śruby rawoskrętnej linie sił ola magnetycznego tych rzewodników będą tworzyły krzywe zamknięte o kierunku okazanym na rys1b. Analogicznie z drugiego boku cewki rąd będzie łynął od kartki aieru zaznaczono to kroką. Linie sił ola będą w tym rzyadku wirować w kierunku rzeciwnym. Pokazano to narys.1b. Obraz ola magnetycznego jest taki sam jak magnesu sztabkowego. W chwili czasowej 8 T rądy i1 = i 2 = 2 2 Im. Oba uzwojenia wytwarzają wsólne ole magnetyczne obrócone o kąt 45 0 T (co odowiada ) od orzednio wyznaczonego ołożenia 8 (rysunek 1c). Bieguny ola magnetycznego wyznaczają zwroty linii sił ola, tu gdzie linie sił wchodzą do magnesu jest biegun S a gdzie wychodzą jest biegun N. T W chwili rąd i1 =0 a i 2 =I m.. Pole magnetyczne dla tych wartości rzyjmuje 4 ołożenie okazane na rys. 1d, co odowiada obrotowi o kąt Dla chwili czasu równej T ( ) rąd i 1 =- Im a i 2 = Im. Dla tej wartości czasu ole magnetyczne obróci się o kąt

6 T Dla czasu równego rąd i1 =-I m, zaś i 2 =0. Pole magnetyczne stojana obróci się 2 o Jak widać z owyższych rozważań ole magnetyczne w ciągu okresu wykona jeden obrót. Jest to ole wirujące dwubiegunowe. Kierunek wirowania ola magnetycznego uzwojenia dwufazowego można zmienić rzez zamianę oczątku z końcem uzwojenia jednej z faz, czyli rzez zmianę zwrotu rądu w uzwojeniu jednej z faz stojana, co łatwo srawdzić oisanym wyżej sosobem. Analogicznie można wykazać, że trzy jednakowe uzwojenia (cewki) rozmieszczone symetrycznie na obwodzie stojana, co i zasilane rądami rzesuniętymi w fazie, co wytwarzają dwubiegunowe wirujące ole magnetyczne, co okazano na rys.5. Rys. 5. Powstawanie ola magnetycznego wirującego w stojanie o uzwojeniu trójfazowym: T T T a) rzebiegi rądów: b), c), d), e) obrazy ola w chwilach t=0 (b), t= (c), t= (d), t= (e), co odowiada kątom: 0 0, 30 0, 60 0 i Początki uzwojeń oznaczono U1, V1, W1, a końce rzez U2, V2, W2. Gdy rąd danej fazy ma wartość dodatnią, to łynie od oczątku jej uzwojenia do końca, a rzy wartości 6

7 ujemnej od końca do oczątku. Poglądowe obrazy ola magnetycznego dla chwil czasu t=0, T t= (30 0 T ), t= (60 0 T ), t= (90 0 ), rzedstawiono kolejno na rysunkach 5 b,c,d,e Dla chwili czasu t=0 rąd i R =0 zaś i T = Im a i S =- Im. Prądy łynące w tych 2 2 cewkach wytwarzają ole magnetyczne dwubiegunowe zgodne z osią oziomą układu T wsółrzędnych, tzn. tworzy z osią kąt zero stoni (rys. 5b). W chwili czasu t= (30 0 ) rąd 12 i R =i T = 2 1 Im zaś I S =-I m. Obraz ola magnetycznego jakie wytwarzają rądy łynące w tych cewkach okazany jest na rysunku 5c. Jak łatwo zauważyć ole to jest olem dwubiegunowym i jest obrócone o kąt 30 0 w stosunku do rzedniego ołożenia. Analizując obraz ola w kolejnych chwilach czasowych można zauważyć, że ole to wykona jeden ełny obrót w czasie jednego okresu. Na jedną sekundę rzyadnie f obrotów ola magnetycznego wirującego. Można tak uzwoić stojan, że cewki (układu trójfazowego zasilania rądem) będą wytwarzać ole magnetyczne o dowolnej arzystej liczbie 2 biegunów (=1,2,3 oznacza liczbę ar biegunów). Pole magnetyczne wirujące wielobiegunowe wykonuje w czasie jednego okresu obrót o 1/ części obwodu, a w czasie jednej sekundy, f/ obrotów. I tak n. dla stojana nawiniętego cewkami wytwarzającymi dwie ary biegunów jeden ełny obrót ola uzyska się o czasie dwóch okresów, tzn. że ole wiruje dwa razy wolniej niż rzy jednej arze biegunów. Wobec owyższego rędkość kątową (obrotową) ola magnetycznego wirującego wyraża się wzorem. 2πf ω = rad / s 60 f n= obr / min Liczba ar biegunów jest liczba naturalną, więc rzy f=50hz ole magnetyczne może się obracać z jedną odanych oniżej rędkości obrotowych, n zwanych rędkościami synchronicznymi: (1), 1500(2), 1000(3), 750(4), 600(5), obr / min Chcąc zmienić zwrot rędkości kątowej ola magnetycznego, wytworzonego rzez uzwojenie trójfazowe, należy zamienić ze sobą dwa dowolne rzewody fazowe układu zasilającego dane uzwojenie. Zasada działania silnika indukcyjnego. Silnik indukcyjny składa się ze stojana zaoatrzonego w uzwojenie wytwarzające ole magnetyczne wirujące i z wirnika. Uzwojenia stojana są wykonywane z drutów okrągłych lub rofilowanych w olocie bawełnianym, umieszczonych w żłobkach, od których są dodatkowo odizolowane. Obwód magnetyczny stojana wykonany jest z blach o bardzo dobrej 7

8 rzewodności magnetycznej i odowiednio dużej oorności elektrycznej w celu ograniczenia straty mocy na rądy wirowe. Wirnik ma kształt walca utworzonego z akietu blach o wykroju kołowym, osadzonych na osi. Na obwodzie wirnika znajdują się otwory lub żłobki, w których umieszczone jest uzwojenie. W zależności od sosobu wykonania uzwojenia rozróżnia się wirniki ierścieniowe i klatkowe. Rys.6. Widok wirnika indukcyjnego silnika ierścieniowego a) oraz wirnika klatkowego b) i c). Wirnik ierścieniowy (rys.6a) jest uzwojony analogicznie jak stojan. Uzwojenia wirników silników trójfazowych łączy się z reguły w gwiazdę. Konce uzwojeń faz wirnika są ołączone ze sobą, a oczątki są ołączone z trzema odizolowanymi od osi i między sobą ierścieniami mosiężnymi.do ies cieni rzylegają grafitowe metalizowane szczotki ołączone z oornikiem trójfazowym. Oornik ten wykorzystywany jest do rozruchu jak i do regulacji rędkości obrotowej maszyny indukcyjnej. Metoda ta ze względu na znaczne straty energii elektrycznej (grzanie się rezystorów regulacyjnych) tym większe im większej mocy była maszyna obecnie nie jest stosowana. Aktualnie do regulacji rędkości obrotowej maszyny indukcyjnej wykorzystuje się rzetwornice częstotliwości. W wirniku klatkowym kształt którego jest analogiczny jak wirnika ierścieniowego otwory w rdzeniu stalowym są wyełnione rętami aluminiowymi lub miedzianymi ołączonymi ze sobą na obu końcach. Układ rętów wirnika rzyomina swa budową klatkę (rys.6c), skąd ochodzi nazwa wirników klatkowych. Niekiedy wirnik ten nazywany jest zwartym gdyż ręty na obu końcach są zwarte. Uzwojenie stojana ołączone jest w gwiazdę lub trójkąt, stanowi wraz z zasilającym je źródłem trójfazowym zamknięty obwód elektryczny, nieołączony z wirnikiem. Uzwojenie wirnika tworzy oddzielny obwód elektryczny, srzężony ze stojanem tylko magnetycznie rzez ole wirujące. Dla uzyskania jak najleszej srawności dąży się do zminimalizowania szczeliny owietrznej omiędzy obwodami magnetycznymi stojana i wirnika. Minimalna wielkość szczeliny jest odyktowana możliwością zaewnienia ruchu obrotowego wirnika. Zbyt mała szczelina owietrzna mogłaby sowodować mechaniczne uszkodzenie maszyny odczas ruchu wywołane niedoskonałością wykonania i sasowania jej elementów. 8

9 Linie ola magnetycznego wirującego, wytworzonego rzez rąd w uzwojeniu stojana, zamykają się wzdłuż drogi: stojan-szczelina- wirnik- szczelina-stojan. Efekt wywołany rzez ole magnetyczne, wirujące z rędkością ω, jest taki, jak gdyby zewnętrzna część silnika była magneśnicą o tej samej liczbie biegunów obracającą się również z rędkością kątową ω. W celu objaśnienia zasady działania silnika indukcyjnego rzedstawiono na rys.7 fragment stojana i wirnika z zaznaczeniem linii ola magnetycznego wirującego. Rys. 7. Rysunek objaśniający zasadę działania silnika indukcyjnego. Z chwilą włączenia uzwojeń stojana do źródła naięcia trójfazowego ole 2πf magnetyczne zaczyna wirować z rędkością kątową ω = a wirnik jeszcze się nie obraca. Pole rzecina wówczas ręty wirnika z rędkością v. Na rysunku 7 wektor wirującego ola magnetycznego stojana zaznaczono strzałką nad symbolem v. W rętach silnika indukuje się rzemienna siła elektromotoryczna oisana wzorem: = gdzie: B oznacza wartość chwilową indukcji magnetycznej w miejscu znajdowania się rozatrywanego ręta, v oznacza rędkość względną ręta w stosunku do ola magnetycznego, która rożni się od rędkości ola tylko zwrotem, co okazano na rysunku 7. Kierunek indukowanej siły elektromotorycznej wyznacza się z reguły rawej dłoni. Prawą dłoń należy ułożyć tak, aby linie ola były zwrócone do dłoni, odchylony duży alec w kierunku rędkości względnej rzewodu w stosunku do ola: cztery wyciągnięte alce wskażą kierunek i zwrot siły elektromotorycznej. Na rys. 7 siła elektromotoryczna jest zwrócona rzed łaszczyznę rysunku. Gdy obwód wirnika jest zamknięty, siła elektromotoryczna indukowana w rętach wirnika wywołuje w nich rzeływ rądu i, który rzy rezystancyjnym charakterze obwodu wirnika byłby w fazie z siłą elektromotoryczną. W olu magnetycznym stojana na ręt wirnika działa siła elektrodynamiczna, którą można zaisać wzorem: = 9

10 Oznaczenia zgodne z rzedstawionymi na rys. 7. Zwrot siły elektrodynamicznej wyznaczamy za omocą reguły lewej dłoni, jest zgodny ze zwrotem rędkości v ola wirującego. Jeżeli siła F jest dostatecznie duża wirnik zaczyna się obracać zgodnie z olem wirującym. Z uwagi na to, że rąd w wirniku owstaje wyłącznie dzięki indukcyjnemu działaniu ola magnetycznego wirującego, oisany silnik nazwano silnikiem indukcyjnym. Indukowanie się siły elektromotorycznej, a więc i rądu w wirniku jest możliwe tylko rzy istnieniu rędkości względnej rzewodu względem ola magnetycznego. Stąd wynika, że rędkość kątowa ω w (obrotowa n w ) wirnika nie może się zrównać z rędkością ola ω, gdyż wówczas nie indukowałaby się w wirniku siła elektromotoryczna. Dla takiego stanu rąd w wirniku byłby równy zeru, a więc znikłaby siła F utrzymująca wirnik w ruchu. Prędkość kątowa wirnika w silniku indukcyjnym jest mniejsza od rędkości kątowej ola, czyli wirnik obraca się z oślizgiem w stosunku do ola. Poślizg w silniku indukcyjnym jest to względna różnica rędkości kątowej (obrotowej) ola magnetycznego i wirnika. ω ωw s = = ω n n n w = n 1- n w Poślizg jest wielkością niemianowaną. Przeciętna wartość oślizgu s=0,015.0,05 rzy czym mniejsza wartość dotyczy silników o mocy rzędu 100kW a większa dotyczy silników o mocy rzędu 1kW rzy obciążeniu znamionowym silnika. Przekształcając ostatni wzór wyznaczamy zależność rędkości obrotowej wirnika silnika indukcyjnego. n w =n (1-s)= 60 f (1-s) Z ostatniego wzoru wynika, że rędkość obrotową wirnika maszyny indukcyjnej można regulować orzez: 1. zmianę częstotliwości naięcia trójfazowego zasilającego silnik, jest tu możliwość regulacji w kierunku wzrostu jak i zmniejszenia rędkości obrotowej, 2. zmianę liczby ar biegunów ola magnetycznego wirującego, w tym rzyadku możemy tylko zmniejszać rędkość obrotową maszyny w stosunku do rędkości, jaką można uzyskać dla jednej ary biegunów magnetycznego ola wirującego. Realizację regulacji rędkości obrotowej w tym rzyadku można uzyskać orzez odowiednie nawinięcie cewek stojana w wyniku, czego orzez odowiednie rzełączenia można zmieniać liczbę ar biegunów ola wirującego od jednej ary do odowiednio dużej. Im większa liczba ar biegunów ola magnetycznego wirującego tym silnik ma mniejszą rędkość obrotową. 3. zmianę (wzrost) oślizgu uzyskaną w wyniku dołączenia rezystancji do obwodu wirnika, okazane jest to na rys.6. metoda ta ma zastosowanie tylko w silnikach ierścieniowych. Rezystory dołączone do obwodu wirnika orócz regulacji rędkości obrotowej ozwalają 10

11 na bezieczny rozruch maszyny indukcyjnej orzez ograniczenie rądu łynącego w obwodzie wirnika w stanie zahamowania. Stan zahamowania maszyny jest równoznaczny ze stanem zwarcia. Prądnica W zestawie laboratoryjnym silnik indukcyjny srzęgnięty jest mechanicznie z rądnicą samowzbudną. Prądnica elektryczna jest rzetwornikiem energii mechanicznej w energie elektryczną. Działanie rądnicy oarte jest na zjawisku indukowania się siły elektromotorycznej w rzewodzie oruszającym się w olu magnetycznym. Załóżmy, że omiędzy biegunami elektromagnesu obraca się zwój w formie ramki z rzewodu miedzianego. Stałe, co do wartości i kierunku ole magnetyczne wytwarzane rzez elektromagnes rzedstawia na rysunku wektor indukcji magnetycznej B Rys. 8. Schemat oglądowy rądnicy (generatora) elektrycznej (a), oraz rzebieg zmian strumienia magnetycznego skojarzonego z ramką Ф B a także indukowanej w niej siły elektromotorycznej ε. Wartość indukowanej w ramce siły elektromotorycznej ε zależy od rędkości kątowej (obrotowej v) ramki ω, długości rzewodu zanurzonego w olu magnetycznym wytworzonym rzez elektromagnes oraz od wartości indukcji magnetycznej B obejmowanej rzez ramkę, czyli ε=blv. W rzeczywistej rądnicy mamy nie jeden zwój w ostaci ramki, lecz cały zesół zwojów tworzących uzwojenie. Uzwojenie nawinięte jest na walcu wykonanym z blach z blach ze stali magnetycznie miękkiej, zaoatrzonym na obwodzie w żłobki, w których znajdują się oszczególne zwoje. Walec ten wraz z uzwojeniem nazywamy twornikiem rądnicy. Naięcie wytworzone w uzwojeniach twornika odbierane jest z rądnicy za omocą układu ierścieni szczotek tak jak to okazano na rys.8a. Część rądnicy służącą do wytwarzania ola magnetycznego nazywamy magneśnicą. Na biegunach magneśnicy nawinięte są uzwojenia magnesujące, wytwarzające ole magnetyczne stałe, co do kierunku (wzbudzające). W zależności od tyu rądnicy elektrycznej twornik może stanowić jej część wirującą lub część nieruchomą. Prądnice elektryczne o mocach znamionowych owyżej 1kVA budowane są z magneśnicą umiejscowiona w wirniku maszyny, zaś twornik umieszczony jest na części nieruchomej (stojanie) maszyny. Prądnica wchodząca w skład zestawu laboratoryjnego jest rądnicą z magneśnicą znajdującą się w wirniku maszyny i wykorzystującą zjawisko ozostałości magnetycznej. Prądnice te nazywane są samowzbudnymi gdyż nie otrzebują zewnętrznych źródeł energii elektrycznej do zasilania uzwojeń magneśnicy. 11

12 Rys. 9. Pętla histerezy materiału magnetycznie twardego. Dużą wartość ozostałości magnetycznej B r mają materiały magnetycznie twarde to znaczy, że materiały te można trwale namagnesować. Materiały te charakteryzują się szeroką ętlą histerezy. Natomiast obwód magnetyczny elektrycznego obwodu twornika osada ętlę histerezy bardzo wąską, z niewielką ozostałością magnetyczną. Obracając magnes z olem magnetycznym szczątkowym, w uzwojeniach twornika (stojana) indukuje się siła elektromotoryczna sinusoidalnie zmienna. Do zacisków twornika dołączone są uzwojenia wzbudnicy (wirnika). Pod wływem zaindukowanego naięcia w tworniku w uzwojeniu wzbudnicy ołynie rąd elektryczny. Pole magnetyczne wytworzone od wływem rzeływającego rądu w uzwojeniu magneśnicy musi mieć ten sam kierunek, ek, co ole magnetyzmu szczątkowego. W celu uzyskania ożądanego kierunku rzeływu rądu rzez uzwojenie magneśnicy, nicy, uzwojenie to jest ołączone z uzwojenie twornika orzez diodę rostującą. Dzięki takiemu rozwiązaniu zaniu uzyskuje się sumowanie strumieni magnetycznych magnetyzmu szczątkowego ze strumieniem wytworzonym rzez rąd łynący w uzwojeniu magneśnicy. Przy braku tego rozwiązania zania rądnica by się nie wzbudziła i na zaciskach twornika nie uzyskałoby się naięcia znamionowego. Materiały magnetycznie miękkie (o bardzo wąskiej ętli histerezy) stosowane są na obwody magnetyczne tworników rądnic, obwody magnetyczne silników indukcyjnych, transformatorów. Związane jest to z tym, że dzięki wąskiej ętli histerezy zmniejsza się straty mocy na rzemagnesowanie rdzenia magnetycznego. Wielkość strat jest wrost roorcjonalna do owierzchni histerezy. Przetwornica częstotliwości Przetwornice częstotliwości służą do rzekształcania energii elektrycznej rądu rzemiennego o określonych arametrach (naięcie, częstotliwość) na energię rądu rzemiennego o zadanych arametrach zgodnych z wymaganiami użytkownika. Za ich omocą można łynnie regulować rędkość obrotową silników (asynchronicznych) naędzających różne urządzenia n. wentylatory, omy sieci wodociągowej, wej, rzenośnikach, taśmociągach, widach it. 12

13 Przetwornica częstotliwości utrzymuje zadaną charakterystykę momentu obciążenia silnika dzięki kontroli stosunku naięcia wyjściowego do częstotliwości rądu wyjściowego U U ( ) oraz rądu obciążenia. Przy stałej wartości strumień magnesujący silnika jest stały f f (ola magnetycznego wirującego), co owoduje utrzymanie stałego momentu obrotowego silnika. Zaobiega również nadmiernemu wzrostowi rądu magnesującego w rzyadku regulacji w dół rędkości obrotowej maszyny indukcyjnej. Jak wiadomo z odstaw elektrotechniki uzwojenie stojana silnika może być rzedstawione w schemacie zastęczym, jako szeregowe ołączenie oorności indukcyjnej (X L =2пfL) i rezystancji. Przy zmniejszaniu częstotliwości oorność indukcyjna maleje a co za tym idzie maleje całkowita oorność uzwojenia Z= ( ) 2 2 2π fl + R. Dla częstotliwości równej ojedynczym Hertzom oorność uzwojenia jest raktycznie równa rezystancji tego uzwojenia, wówczas rąd uzwojenia może być równy rądom zwarcia. Schemat oglądowy rzetwornicy częstotliwości rzedstawia rys.10. Rys. 10. Schemat oglądowy rzetwornicy częstotliwości. Jak widać na rysunku nowoczesne rzetwornice częstotliwości ozwalają na regulację rędkości obrotowej jak również ełnią rolę zabezieczeń silników indukcyjnych. Stany niebeziecznej racy maszyny indukcyjnej to: a) Przeciążenie silnika, gdy moment obciążający wał silnika jest większy od momentu naędowego maszyny. Przy zbyt długotrwałym rzeciążeniu wzrasta temeratura wnętrza maszyny, rzy zbyt niebeziecznych jej wzrostach układ kontroli wyłączy zasilanie silnika i zatrzyma go. b) Zbyt niskie naięcie zasilające silnik rzy obciążeniu nominalnym wału maszyny. W takich warunkach racy rzy zbyt niskim naięciu zasilającego maszynę w celu okonania oorów, jakie stwarza stałe obciążenie na wale maszyny silnik będzie obierał znacznie większy rąd zgodnie z zależnością: P=U I cosφ. Jeżeli maleje U to musi rosnąć I aby iloczyn tych wartości był stały. Przy zbyt niskim naięciu zasilania silnik zostanie rzez zabezieczenia odłączony od sieci. c) Układ zabezieczenia monitoruje również liczbę faz zasilających maszynę rzy zaniku jednej fazy zasilania silnik racuje nadal, zaś rzy zaniku dwóch faz układ zabezieczenia odłącza maszynę od sieci zasilającej. 13

14 Wsółczesna rzetwornica częstotliwości jest secjalizowanym mikrokomuterem. Porzez odowiednie moduły wejściowe możliwe rogramowanie racy rzetwornicy z komutera, jak również za omocą anelu oeratorskiego można odczytywać niezbędne dane o racy maszyny. Pomiary laboratoryjne Pomiary zostaną rzerowadzone dla silnika asynchronicznego klatkowego zasilanego rzez rzetwornicę częstotliwości oraz rądnicy samowzbudnej. Silnik jest zamontowany na wsólnej odstawie z rądnicą rądu rzemiennego a wirniki tych maszyn są ołączone za omocą sztywnego srzęgła. Zadanie 1. Określić ty i wisać dane znamionowe maszyn na odstawie tabliczek znamionowych. Ty rzetwornicy Ty silnika P n.. I n U n.. Ty rądnicy. P n I n. U n.. n n Zadanie 2. Pomiar rezystancji uzwojenia rądnicy. Pomiar rezystancji uzwojenia rądnicy należy wykonać omomierzem dwukrotnie raz, gdy silnik jest zimny na oczątku ćwiczenia i o raz drugi, gdy silnik jest cieły na zakończenie ćwiczenia. Dla silnika zimnego i ciełego obliczamy średni rzyrost temeratury odczas racy maszyny (rzy odrabianiu ćwiczenia) według wzoru: Wyniki omiaru rezystancji i temeratury uzwojeń zimnych zanotować: R Z = υ z =. oraz ciełych zanotować: R g = 14

15 Zadanie 3. Badanie stanu jałowego maszyn. Badanie stanu jałowego maszyn rzerowadzamy w układzie rzedstawionym na rysunku 11. Rys. 11 Układ omiarowy do badania maszyn rądu rzemiennego: a) stan jałowy norze wyłącznika W-2 otwarte rądnica niej jest obciążona rądem, b) stan obciążenia W-2 zamknięty rądnica obciążona odbiornikiem rezystancyjnym regulowanym. Podczas badań stanu jałowego obciążenie rądnicy jest odłączone, wyłącznik W-2 w ozycji otwartej. Po załączeniu układu ustawić wartości znamionowe silnika (naięcie, częstotliwość). Autotransformatorem obniżamy naięcie i notujemy wskazania mierników Po wykonaniu kilku unktów omiarowych ustawiamy z owrotem naięcie znamionowe i zmieniamy częstotliwość. Dla każdej zmienionej częstotliwości wskazania mierników oraz odczyt z anelu kontrolnego notujemy w tabeli 1. Tabela1 Zadanie 4. Badanie maszyn w stanie obciążenia. Próbę obciążenia silnika i rądnicy rzerowadza się rzy dołączonym do zacisków wyjściowych rądnicy regulowanej rezystancji, W-2 w ozycji zamkniętej (rys.11). Porzez zmianę częstotliwości naięcia zasilającego (rzetwornica) oraz zmianę rezystancji obciążenia uzyskuje się różną moc oddawaną rzez silnik i rądnicę otrzymane wyniki omiarów zanotować w tabeli 2. 15

16 Tabela 2. Wyniki omiarów i obliczeń dla stanu obciążenia maszyn rądu rzemiennego Obliczenia należy wykonać korzystając z nastęujących wzorów: Zadanie 5. Badanie stanów awaryjnych. W układzie jak na rys.11 należy rzerowadzić nastęujące stany awaryjnej racy sieci zasilającej: a) Autotransformatorem obniżać naięcie sieci zasilającej rzetwornicę do momentu ojawienia się ostrzeżenia na anelu oeratorskim rzetwornicy, b) Zasymulować zaniki faz zasilania rzetwornicy najierw jednej, otem dwóch. Podczas Tyc rób należy zanotować: 1. Czas reakcji układu sterowania rzetwornicy na zaistniałe nierawidłowości w układzie zasilania. 2. Sosób reakcji. 3. Komunikaty ostrzegawcze wyświetlacz anelu oeratorskiego. Oracowanie wyników omiarów Uzuełnić tabele o odowiednie obliczenia. Narysować charakterystyki biegu jałowego tzn. cosф, I, P=f(U), P, I=f(n) dla silnika oraz U=f(n) dla rądnicy, Narysować charakterystyki obciążenia tzn. cosф, I, η=f(p), Pytania kontrolne 1. Podaj warunki konieczne do wytworzenia ola magnetycznego wirującego. 2. Omów okrótce zasadę działania silnika indukcyjnego. 3. Czym różni się w budowie i zasadzie działania silnik klatkowy i ierścieniowy. 4. Wymień i okrótce omów sosoby regulacji rędkości obrotowej silników indukcyjnych. 5. Przetwornikiem, jakiej energii, na jaką jest silnik elektryczny i jakim rzetwornikiem energii jest rądnica 6. Oisz zasadę działania rądnicy rądu zmiennego. 16

17 7. Jak działa rądnica samowzbudna. 8. Omów okrótce właściwości rzetwornicy częstotliwości, (jakie zadania sełnia we wsółracy z maszynami indukcyjnymi). 9. Jakie konsekwencje owodują stany rzeciążenia i awarii zasilania w silnikach indukcyjnych. Literatura: Roman Kurdziel - Podstawy elektrotechniki, WNT, 1965 Elżbieta Goźlińska - Maszyny elektryczne, WSiP, 2007 Stanisław Bolkowski - Elektrotechnika, WSiP, 2006 Eugeniusz Koziej - Elektrotechnika ogólna, wyd. Politechnika Warszawska,