Nowy podręcznik. Montaż maszyn i urządzeń elektrycznych E.7.1. Zapowiedź. Branża elektroniczna, informatyczna. i elektryczna

Transkrypt

1 Montaż maszyn i urządzeń elektrycznych REFORMA 2012 Branża elektroniczna, informatyczna i elektryczna E.7.1 Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK ELEKTRYK ELEKTRYK ELEKTROMECHANIK 2016 Zapowiedź Nowy podręcznik

2 Podręcznik do nauki zawodu Podręcznik do nauki zawodu Podręcznik do nauki zawodu Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK ELEKTRONIK MONTER ELEKTRONIK TECHNIK INFORMATYK Podręcznik do nauki zawodu Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK ELEKTRONIK MONTER ELEKTRONIK TECHNIK ELEKTRYK ELEKTRYK ELEKTROMECHANIK Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHATRONIK EFEKTY KSZTAŁCENIA WSPÓLNE DLA BRANŻY TECHNIK ELEKTRYK ELEKTRYK Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHATRONIK EFEKTY KSZTAŁCENIA WSPÓLNE DLA BRANŻY Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK MECHATRONIK Oferta WSiP dla branży elektronicznej, informatycznej i elektrycznej Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne polecają publikacje do nauki zawodów: technik elektryk, elektryk, elektromechanik, technik elektronik, monter elektronik, technik mechatronik, monter mechatronik, technik informatyk i technik teleinformatyk przygotowane zgodnie z NOWĄ PODSTAWĄ PROGRAMOWĄ. Podręczniki REFORMA 2012 Montaż elementów, podzespołów i zespołów mechanicznych Kwalifikacja E.3.1 TECHNIK MECHATRONIK Montaż elementów, podzespołów i zespołów mechanicznych (E.3.1) Montaż elementów i podzespołów pneumatycznych i hydraulicznych (E.3.2) Montaż elementów i podzespołów elektrycznych i elektronicznych (E.3.3) Rozruch systemów i urządzeń mechatronicznych (E.18.1) Obsługa urządzeń i systemów mechatronicznych. Część 1 (E.18.2) Obsługa urządzeń i systemów mechatronicznych. Część 2 (E.18.2) Montaż maszyn i urządzeń elektrycznych (E.7.1) REFORMA 2012 REFORMA 2012 REFORMA 2012 REFORMA 2012 Montaż elementów i podzespołów pneumatycznych i hydraulicznych Montaż elementów i podzespołów elektrycznych i elektronicznych Rozruch systemów i urządzeń mechatronicznych Obsługa urządzeń i systemów mechatronicznych Obsługa urządzeń i systemów mechatronicznych Kwalifikacja E.3.2 TECHNIK MECHATRONIK Kwalifikacja E.3.3 TECHNIK MECHATRONIK Kwalifikacja E.18.1 PDG / BHP REFORMA 2012 REFORMA 2012 REFORMA 2012 REFORMA 2012 Konserwacja maszyn i urządzeń elektrycznych Kwalifikacja E.7.2 TECHNIK ELEKTRYK ELEKTRYK ELEKTROMECHANIK Instalowanie urządzeń elektronicznych E.6.1 Konserwacja instalacji urządzeń elektronicznych Kwalifikacja E.6.2 Prowadzenie działalności gospodarczej w branży elektronicznej, informatycznej i elektrycznej BHP w branży elektrycznej Konserwacja maszyn i urządzeń elektrycznych (E.7.2) Instalowanie urządzeń elektronicznych (E.6.1) Konserwacja instalacji urządzeń elektronicznych (E.6.2) PDG w branży elektronicznej, elektrycznej i informatycznej BHP w branży elektrycznej Publikacje do praktycznej nauki zawodu PRAKTYCZNA NAUKA ZAWODU Pracownia maszyn i urządzeń elektrycznych Kwalifikacja E.7 TECHNIK ELEKTRYK I ELEKTRYK Pracownia maszyn i urządzeń elektrycznych (E.7) NOWA PODSTAWA PROGRAMOWA PRAKTYCZNA NAUKA ZAWODU Pracownia aplikacji internetowych Kwalifikacja E.14 Pracownia aplikacji internetowych (E.14) NOWA PODSTAWA PROGRAMOWA Repetytoria i testy egzaminacyjne + TESTY EGZAMIN ZAWODOWY KWALIFIKACJA E.7 Technik elektryk, elektryk, elektromechanik (E.7) + TESTY EGZAMIN ZAWODOWY KWALIFIKACJA E.8 Technik elektryk, elektryk (E.8) Te i inne publikacje do nauki zawodów: technik informatyk i technik teleinformatyk, technik elektryk i elektryk (kwalifikacje E.12, E.13, E.14, E.8, E.24), można obejrzeć i kupić pod adresem sklep.wsip.pl

3 Szanowni Państwo, z przyjemnością przedstawiamy Państwu fragmenty nowego podręcznika, spełniającego wszystkie wymagania nowej podstawy programowej kształcenia zawodowego. Jest to publikacja gwarantująca skuteczne przygotowanie do egzaminów potwierdzających kwalifikacje w zawodzie, napisana językiem zrozumiałym dla ucznia i wzbogacona o atrakcyjny materiał ilustracyjny. Prawdziwa nowość, warta Państwa uwagi. 1 września 2012 roku Ministerstwo Edukacji Narodowej rozpoczęło reformę szkolnictwa zawodowego, która wprowadziła nową klasyfikację zawodów oraz ich podział na kwalifikacje. Dla wszystkich wyodrębnionych zawodów przygotowano nowe podstawy programowe. Zmieniła się także formuła egzaminu zawodowego wprowadzono egzamin potwierdzający kwalifikacje w zawodzie. Uczniowie kończący naukę w zasadniczej szkole zawodowej i technikum oraz słuchacze szkół policealnych, po zdaniu egzaminów pisemnego i praktycznego, otrzymują dyplom potwierdzający kwalifikacje w zawodzie. Aby umożliwić Państwu zapoznanie się z naszym podręcznikiem, prezentujemy wykaz zawartych w nim treści oraz fragmenty wybranych rozdziałów. Wierzymy, że przygotowana przez nas oferta umożliwi Państwu efektywną pracę oraz pomoże w skutecznym przygotowaniu uczniów i słuchaczy do egzaminu zarówno w części pisemnej, jak i praktycznej. Branża elektroniczna, informatyczna i elektryczna Zapraszamy do korzystania z naszego podręcznika. Warto uczyć z nami! Artur Dzigański Kierownik Zespołu Kształcenia Zawodowego Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna

4 Kształcimy zawodowo! WSiP skuteczne przygotowanie do egzaminów potwierdzających kwalifikacje w zawodzie Publikacje: zgodne z nową podstawą programową z aprobatą MEN opracowane w podziale na kwalifikacje napisane przez specjalistów i nauczycieli praktyków z dużą liczbą ćwiczeń, przykładów praktycznych, tabel i schematów z wyróżnieniem najważniejszych treści, rysunkami i ilustracjami ułatwiającymi zapamiętywanie

5 REFORMA 2012 Montaż maszyn i urządzeń elektrycznych Artur Bielawski, Wacław Kuźma E.7.1 Podręcznik do nauki zawodu TECHNIK ELEKTRYK

6 Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez ministra właściwego do spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia w zawodach na podstawie opinii rzeczoznawców: Typ szkoły: technikum, zasadnicza szkoła zawodowa Zawód: technik elektryk, elektryk i elektromechanik Kwalifikacja: E.7. Montaż i konserwacja maszyn i urządzeń elektrycznych. Część kwalifikacji: 1. Montaż maszyn i urządzeń elektrycznych. Rok dopuszczenia: 2016 Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Warszawa 2016 Wydanie I (rzut I) Opracowanie merytoryczne i redakcyjne: Zbigniew Dziedzic (redaktor koordynator) Konsultacja: mgr inż. Andrzej Rodak Redakcja językowa: Anna Rossa Projekt okładki: Dominik Krajewski Fotoedycja: Agata Bażyńska Skład i łamanie: Ledor Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna Warszawa, Aleje Jerozolimskie 96 Tel.: Infolinia: Publikacja, którą nabyłaś / nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegała / przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty. Szanujmy cudzą własność i prawo. Więcej na Polska Izba Książki

7 SPIS TREŚCI 5 1. Maszyny prądu stałego 1.1 Pojęcie i klasyfikacja maszyn prądu stałego Zasada działania maszyny prądu stałego Budowa maszyny prądu stałego Podstawowe wielkości maszyn prądu stałego tabliczka zaciskowa Uzwojenia maszyn prądu stałego Obwód magnetyczny maszyny prądu stałego Podstawowe zjawiska występujące w maszynach prądu stałego Silniki prądu stałego Prądnice prądu stałego Transformatory 2.1 Pojęcie i klasyfikacja transformatorów Zasada działania transformatora Podstawowe wielkości charakteryzujące transformatory Budowa transformatora Stany pracy transformatora Stan jałowy Stan obciążenia Stan zwarcia Transformatory energetyczne Transformatory specjalne Autotransformator Przekładniki Transformatory do zmiany liczby faz Transformator spawalniczy Transformatory stosowane w układach elektronicznych i automatyki Maszyny synchroniczne 3.1 Pojęcie i klasyfikacja maszyn synchronicznych Zasada działania maszyny synchronicznej Budowa maszyny synchronicznej Praca maszyn synchronicznych Bieg jałowy maszyny synchronicznej Stan zwarcia maszyny synchronicznej Charakterystyka zewnętrzna i regulacyjna maszyny synchronicznej Podstawowe parametry maszyn synchronicznych moc, moment obrotowy, stabilność, przeciążalność, krzywe V Praca równoległa maszyn synchronicznych Silnik synchroniczny Maszyny indukcyjne 4.1 Pojęcie i klasyfikacja maszyn indukcyjnych Budowa maszyn indukcyjnych Zasada działania maszyny indukcyjnej Podstawowe parametry maszyn indukcyjnych tabliczka znamionowa Parametry maszyn indukcyjnych umieszczane na tabliczkach znamionowych Zależności stosowane w obliczeniach silników indukcyjnych

8 6 SPIS TREŚCI 4.5 Stan pracy maszyny indukcyjnej Schemat zastępczy maszyny indukcyjnej Właściwości maszyny indukcyjnej Moc i momentelektromagnetyczny maszyny indukcyjnej Zależność momentu od poślizgu Bilans mocy czynnej w maszynie indukcyjnej Praca silnikowa maszyny indukcyjnej Bieg jałowy silnika indukcyjnego Stan zwarcia silnika indukcyjnego Stan obciążenia silnika indukcyjnego Silnik jednofazowy Silnik trójfazowy Użytkowanie silników indukcyjnych Rozruch Hamowanie Regulacja prędkości obrotowej Zmiana kierunku wirowania Silniki indukcyjne o budowie specjalnej Specjalne zastosowania maszyn indukcyjnych Maszyny komutatorowe prądu zmiennego 5.1 Silniki komutatorowe jednofazowe szeregowe małych mocy Komutacja silników jednofazowych Straty w silnikach jednofazowych Moment obrotowy silnika jednofazowego Wykres pracy silnika jednofazowego komutatorowego Silniki jednofazowe komutatorowe szeregowe dużych mocy Silnik repulsyjny Maszyny komutatorowe trójfazowe Komutacja maszyn komutatorowych wielofazowych Połączenia kaskadowe Zasady montażu maszyn elektrycznych 6.1 Dokumentacja techniczna maszyn i urządzeń elektrycznych Podstawowe układy sterowania oraz regulacji maszyn i urządzeń elektrycznych Układy regulacji i zabezpieczenia maszyn i urządzeń elektrycznych Narzędzia do montażu maszyn i urządzeń elektrycznych Podstawowe zasady montażu maszyn i urządzeń elektrycznych Podstawowe pomiary parametrów maszyn i urządzeń

9 1 Maszyny prądu stałego Pojęcie i klasyfikacja maszyn prądu stałego Zasada działania maszyny prądu stałego Budowa maszyny prądu stałego Podstawowe wielkości maszyn prądu stałego tabliczka zaciskowa Uzwojenia maszyn prądu stałego Obwód magnetyczny maszyny prądu stałego Podstawowe zjawiska występujące w maszynach prądu stałego Silniki prądu stałego Prądnice prądu stałego

10 8 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO 1.1 Pojęcie i klasyfikacja maszyn prądu stałego ZAGADNIENIA Co nazywamy maszyną elektryczną prądu stałego? Jak klasyfikujemy maszyny prądu stałego? Maszyny elektryczne prądu stałego to urządzenia elektromechaniczne, które przetwarzają z udziałem ruchu energię elektryczną w energię mechaniczną lub odwrotnie. W maszynach elektrycznych prądu stałego energia elektryczna ma zawsze postać napięcia elektrycznego stałego i natężenia prądu elektrycznego stałego. Zamiana energii w maszynach elektrycznych dokonuje się na podstawie zjawiska siły elektrodynamicznej oraz prawa indukcji elektromagnetycznej. Rysunek 1.1 przedstawia podstawowy podział maszyn prądu stałego. Rys Podstawowy podział maszyn prądu stałego

11 1.1. POJĘCIE I KLASYFIKACJA MASZYN PRĄDU STAŁEGO 9 Ze względu na formę zamiany energii elektrycznej maszyny elektryczne prądu stałego dzielimy na: silniki, prądnice, wzmacniacze elektromaszynowe. Silniki prądu stałego zamieniają energię napięcia i prądu stałego w energię mechaniczną w postaci ruchu obrotowego. Prądnice prądu stałego to maszyny, które zamieniają energię mechaniczną ruchu obrotowego w energię elektryczną napięcia i prądu stałego. Wzmacniacze elektromaszynowe to maszyny elektryczne, które wzmacniają sygnał elektryczny napięcia, prądu lub mocy. Maszyny elektryczne prądu stałego ze względu na sposób dostarczania lub odbierania energii elektrycznej dzielimy na komutatorowe, bezkomutatorowe (unipolarne), z komutacją elektroniczną. Maszyny komutatorowe to takie, w których energia elektryczna jest odbierana lub dostarczana do części ruchomej wirnika za pośrednictwem komutatora i szczotek. Maszyny te wykonuje się jako silniki oraz prądnice. Ze względu na sposób połączenia uzwojenia stojana i wirnika oraz zasilania dzieli się je na: obcowzbudne, równoległe, szeregowe, szeregowo-równoległe. Maszyny bezkomutatorowe nie są wyposażone w komutator, a energia elektryczna przepływa tylko za pośrednictwem szczotek. Maszyny te mogą być wykonane jako silniki albo prądnice. Maszyny z komutacją elektroniczną nie są wyposażone w komutator ani w szczotki, natomiast stosuje się w nich elektronicznie sterowany komutator, cewki są nieruchome, a na wirniku znajdują się magnesy trwałe. Są produkowane głównie jako silniki. Ze względu na specyficzne zastosowanie i budowę wyróżnia się także maszyny elektryczne prądu stałego specjalne, do których należą: wzbudnice maszyn synchronicznych, silniki trakcyjne, prądnice unipolarne, prądnice spawalnicze, maszyny wzbudzane z magnesami trwałymi, prądnice tachometryczne, silniki z wirnikiem drukowanym, silniki wykonawcze mikrosilniki silniki o mocach ułamkowych. Szczegółowy podział maszyn prądu stałego został przedstawiony w rozdziale 1.8.

12 10 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO Jeśli założymy, że pole magnetyczne prądnicy jest jednorodne, a boki zezwoju poruszają się ruchem jednostajnym postępowym, to przez zamknięty zwój popłynie prąd o kierunku zgodnym ze zwrotem indukowanej siły elektromotorycznej. Indukowana w czasie jednego obrotu siła elektromotoryczna będzie miała w tym przypadku przebieg jednego okresu sinusoidy, a napięcie odbierane na szczotkach, które nie ma stałej wartości i zmienia się w czasie, będzie napięciem przemiennym. Rys Siła elektromotoryczna i strumień magnetyczny Dwa pierścienie prądnicy możemy zastąpić dwoma półpierścieniami (rys. 1.5), po których ślizgają się szczotki. Półpierścienie w tym wypadku tworzą komutator, a jeden z półpierścieni stanowi wycinek komutatora. W modelu prądnicy na rysunku 1.5 przedstawiono komutator dwusegmentowy. Rys Półpierścienie komutatora

13 1.2. ZASADA DZIAŁANIA MASZYNY PRĄDU STAŁEGO 11 W przedstawionym modelu (rys. 1.6) jedna szczotka za każdym razem zbiera napięcie z boku ramki znajdującego się pod biegunem N, a druga napięcia z boku ramki znajdującego się pod biegunem S. Na obydwu szczotkach otrzymamy wówczas napięcie jednokierunkowe (rys. 1.6a). Z tego zjawiska wywodzi się nazwa komutator, gdyż urządzenie to komutuje, czyli zmienia kierunek, prądu. Jest to więc rodzaj mechanicznego prostownika prądu. Rys Zasada działania prądnicy prądu stałego: a) z komutatorem dwusegmentowym, b) z komutatorem czterosegmentowym Napięcie, o którym mowa, nie jest napięciem stałym, dlatego w polu biegunów magnesu trwałego umieszcza się wiele zwojów (ramek), z których każdy łączy się z odpowiednim wycinkiem komutatora. Rysunek 1.6b przedstawia układ z komutatorem czterosegmentowym. Otrzymany przebieg napięcia jest bardziej równomierny. Jeżeli zwiększymy liczbę wycinków komutatora, wahania napięcia staną się tak nieznaczne, że nie będą odgrywały żadnej roli, a otrzymany w ten sposób prąd będziemy mogli nazwać prądem stałym. Prądnica prądu stałego jest prądnicą prądu przemiennego, ale wyposażoną w komutator. Wszystkie maszyny prądu stałego mogą pracować jak prądnica i silnik. Jeżeli do uzwojenia naszej maszyny (wirnika) doprowadzimy napięcie, to płynący w nim prąd w wyniku oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z prądem zacznie je obracać. Maszyna taka będzie przetwarzała energię elektryczną w mechaniczną, czyli będzie silnikiem. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Jak działa prądnica? 2. Co to jest komutator? 3. Jaki wpływ na przebieg napięcia na szczotkach prądnicy ma zwiększenie liczby segmentów komutatora? 4. Czym się różni prądnica od silnika?

14 12 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO Podstawowe wielkości opisujące maszynę prądu stałego to: prąd twornika I t, prąd wzbudzenia I w, prąd obciążenia I (pobierany z sieci lub oddawany do sieci), napięcie twornika U (napięcie na zaciskach maszyny), rezystancja obwodu twornika R t, rezystancja obwodu wzbudzenia R w, siła elektromotoryczna indukowana w tworniku E, prędkość wirowania wirnika n, moment elektrodynamiczny M. O właściwościach maszyny prądu stałego decyduje sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia względem uzwojenia twornika. Silniki prądu stałego charakteryzują się dobrymi właściwościami ruchowymi, np. dużym zakresem prędkości obrotowej i dużym momentem obrotowym przy rozruchu. Ich własności użytkowe zależą od liczby i sposobu połączenia uzwojeń wzbudzających. Maszyny, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez elektromagnes, możemy podzielić na dwa rodzaje: a) maszyny obcowzbudne, w których uzwojenie wzbudzające jest zasilane z oddzielnego źródła innego niż twornik (rys. 1.17); b) maszyny samowzbudne, w których uzwojenie wzbudzające jest zasilane z tego samego źródła co uzwojenie twornika. Rys Uproszczone schematy połączeń uzwojeń silników prądu stałego Ze względu na sposób połączenia uzwojenia wzbudzającego i uzwojenia twornika rozróżnia się maszyny samowzbudne (rys. 1.17): bocznikowe uzwojenie wzbudzające jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika; szeregowe uzwojenie wzbudzające jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika; bocznikowo-szeregowe uzwojenie wzbudzające składa się z dwóch części, z których jedna jest połączona szeregowo, a druga równolegle z uzwojeniem twornika. W większych maszynach prądu stałego znajdują się tzw. uzwojenia pomocnicze, połączone szeregowo z uzwojeniem twornika, służące do poprawy warunków pracy maszyny. Są to: uzwojenia komutacyjne, uzwojenia kompensacyjne. Oznaczenie uzwojeń maszyny prądu stałego przedstawiono w tabeli 5.1.

15 1.2. ZASADA DZIAŁANIA MASZYNY PRĄDU STAŁEGO 13 Tabela 5.1. Oznaczenia zacisków uzwojeń maszyny prądu stałego Rodzaj uzwojenia Uzwojenie twornika obowiązujące Oznaczenie forma bardziej złożona Uzwojenie biegunów komutacyjnych Uzwojenie kompensacyjne Uzwojenie wzbudzające szeregowe Uzwojenie wzbudzające bocznikowe Uzwojenie obcowzbudne Uzwojenie pomocnicze w osi podłużnej Uzwojenie pomocnicze w osi poprzecznej Uzwojenie biegunów komutacyjnych w dwóch sekcjach (do połączenia po obu stronach uzwojenia twornika) z 4 zaciskami Uzwojenie kompensacyjne w dwóch sekcjach (do połączenia po obu stronach uzwojenia twornika) z 4 zaciskami Uzwojenie wzbudzające szeregowe z 2 odgałęzieniami, z 4 zaciskami Uzwojenie obcowzbudne przeznaczone do szeregowego lub równoległego połączenia z 4 zaciskami SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Co to jest prąd wzbudzenia, prąd twornika i prąd obciążenia? 2. Jakie są podstawowe parametry maszyn prądu stałego? 3. Czym różni się maszyna obcowzbudna od samowzbudnej? 4. Jak może być wzbudzona maszyna prądu stałego?

16 14 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO 1.5 Uzwojenia maszyn prądu stałego ZAGADNIENIA Uzwojenia biegunów Uzwojenia twornika W maszynie prądu stałego występują trzy rodzaje uzwojeń. 1. Uzwojenie biegunów głównych jest to uzwojenie wzbudzające. Ma za zadanie wytworzyć w maszynie główne pole magnetyczne. Uzwojenia te mają postać cewki nawiniętej na biegun główny. Uzwojenie wzbudzające nie występuje w maszynach, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez magnes trwały. 2. Uzwojenie biegunów komutacyjnych ma za zadanie poprawić parametry pracy maszyny. Uzwojenie ma postać cewki nawiniętej na biegun komutacyjny. Uzwojenie biegunów komutacyjnych nie występuje w maszynach małej mocy. 3. Uzwojenie twornika jest umieszczone na wirniku. W zależności od typu maszyny ma za zadanie przemienić energię elektryczną w mechaniczną (silnik) lub mechaniczną w elektryczną (prądnica). Uzwojenie twornika powstaje przez ułożenie w żłobkach twornika przewodu miedzianego tworzącego obwód. Elementem takiego obwodu jest zwój. Określona liczba zwojów połączonych szeregowo i ułożonych w tej samej parze żłobków tworzy zezwój (rys. 1.18). Zezwój jest wykonany z określonej liczby przewodów nawiniętych jednokierunkowo i tworzących Rys Położenie zwoju w żłobku zwoje o jednakowym kształcie. Zezwoje posiadające jeden zwój są nazywane jednozezwojnymi (jednozwojny), natomiast zawierające więcej niż jeden zwój wielozezwojnymi (wielozwojny). Część zezwoju leżąca w żłobkach nazywa się bokami zezwoju, a na zewnątrz żłobków połączeniami czołowymi albo czołami zezwojów. Każdy zezwój ma dwa wyprowadzenia, z których jedno jest początkiem, drugie zaś końcem przewodu tworzącego zezwój (rys. 1.19). Zezwoje są tak wykonywane, aby po włożeniu w żłobki jeden zezwój leżał w górnej warstwie żłobka, a drugi w dolnej, tworząc dwie warstwy w żłobku. W każdym żłobku umieszcza się więcej niż dwa boki zezwojów. Zwoje łączymy ze sobą przez wycinki komutatora. Z tego powodu każdy zezwój jest połączony z dwoma wycinkami komutatora. Do każdego wycinka komutatora są dołączone dwa końce dwóch różnych zezwojów (rys i 1.21).

17 1.5. UZWOJENIA MASZYN PRĄDU STAŁEGO 15 Rys Budowa uzwojeń wirnika Liczba wycinków komutatora K równa się liczbie wszystkich zezwojów w maszynie. Zezwoje z komutatorem łączymy na dwa sposoby. W zależności od sposobu połączeń rozróżnia się uzwojenia: pętlicowe (rys. 1.20) stosowane w maszynach o dużych wartościach prądu znamionowego twornika; faliste (rys. 1.21) stosowane w maszynach o wyższych wartościach napięć znamionowych. Rys Uzwojenie pętlicowe Y 1 poskok częściowy 1, Y 2 poskok częściowy 2, Y poskok całkowity, Y c poskok komutatorowy Rys Uzwojenie faliste Y 1 poskok częściowy 1, Y 2 poskok częściowy 2, Y poskok całkowity, Y c poskok komutatorowy

18 16 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO Wartość napięcia indukowanego określa tzw. prawo Faradaya, które brzmi: Napięcie indukowane w uzwojeniu objętym zmiennym w czasie strumieniem magnetycznym jest wprost proporcjonalne do liczby zwojów uzwojenia i szybkości zmian strumienia w czasie. Interpretując to prawo, można stwierdzić, że im więcej zwojów oraz im większy i szybciej zmieniający się strumień, tym wyższe napięcie. W związku z powyższym, prawo to można zapisać wzorem: e= B l v sin a gdzie: B indukcja magnetyczna [T]; l długość przewodu objętego polem magnetycznym (długość przewodu nawojowego uzwojenia objętego polem magnetycznym); v prędkość zmian pola magnetycznego; kąt między liniami pola magnetycznego a kierunkiem ruchu. Zjawiska elektrodynamiczne Zjawiska elektrodynamiczne polegają na tym, że jeżeli w polu magnetycznym znajduje się przewodnik z prądem, to działa na niego siła. W maszynach prądu stałego sprowadza się to do następujących przypadków działanie siły na przewód (uzwojenie) z prądem; oddziaływanie wzajemne dwóch przewodów (uzwojeń) z prądem przyciąganie się lub odpychanie przewodów; działanie siły na elementy wykonane z materiałów ferromagnetycznych elementów konstrukcyjnych. Do obliczeń siły elektrodynamicznej najczęściej wykorzystuje się wzór: Fe = B I l sin a, gdzie: B [T] indukcja magnetyczna, I [A] natężenie prądu elektrycznego, l [m] długość przewodu objętego polem magnetycznym, [ ] kąt, jaki tworzy przewód z liniami pola magnetycznego. W przypadku maszyn wirujących zamiast siły elektrodynamicznej wprowadza się pojęcie momentu elektromagnetycznego, który wyraża się wzorem: gdzie: F e [N] siła elektrodynamiczna, D [m] średnica wirnika. M F D e = e 2

19 1.7. PODSTAWOWE ZJAWISKA WYSTĘPUJĄCE W MASZYNACH Działanie sił elektrodynamicznych ma zarówno skutki pozytywne, jak i negatywne. W silnikach i prądnicach do przetwarzania jednej formy energii na drugą konieczne jest powstawanie momentów elektromagnetycznych. Natomiast szkodliwe działanie tych sił występuje wtedy, gdy powoduje odkształcenia uzwojeń lub blach. Najczęściej następuje to przy dużych prądach zwarciach. Zjawiska niekorzystne występujące podczas pracy maszyn Do zjawisk niekorzystnych zalicza się: nagrzewanie, prądy wirowe, drgania, hałas i szumy, zakłócenia radioelektryczne. Nagrzewanie maszyny jest skutkiem powstających w nich strat elektrycznych oraz mechanicznych. Wzrost temperatury powoduje szybsze starzenie się, a co za tym idzie skrócenie czasu eksploatacji poszczególnych części maszyny. Szczególnie podatne na skrócenie żywotności pod wpływem temperatury są materiały izolacyjne Zjawisko to jest więc szkodliwe. Prądy wirowe płyną pod wpływem zjawiska indukcji elektromagnetycznej, która powoduje indukowanie się napięć we wszystkich materiałach przewodzących objętych zmieniającym się strumieniem. Prądy te powstają więc w: przewodach nawojowych, z których są zbudowane uzwojenia; elementach obwodu magnetycznego w blachach ferromagnetycznych, w obudowach maszyny. Droga przepływu tych prądów ma kształt koła, więc nazwano je wirowymi. Dodatkowo mogą powstawać zarówno w ruchomych, jak i nieruchomych elementach maszyn. Prądy wirowe wywołują straty mocy czynnej, powodując nagrzewanie elementów, w których płyną. Prowadzi to do obniżenia sprawności maszyny. Zjawisko powstawania prądów wirowych ogranicza się, wykonując obwody magnetyczne z cienkich blach magnetycznych (ferromagnetycznych) izolowanych między sobą, ułożonych tak, aby ich płaszczyzna była prostopadła do drogi prądów wirowych. Drgania powstające w maszynach mogą mieć źródła mechaniczne, elektromagnetyczne lub wentylacyjne. Przyczynami drgań są zazwyczaj: drgań mechanicznych złe wyważenie wirujących elementów maszyny; drgań elektromagnetycznych asymetria obwodu magnetycznego; drgań wentylacyjnych burzliwy przepływ czynnika chłodzącego przez kanały wentylacyjne maszyn oraz między łopatkami wentylatora. Skutkiem drgań mechanicznych są najczęściej szybciej zużywające się łożyska oraz inne elementy mechaniczne. Drgania te nie pozostają także bez ujemnego wpływu na organizm ludzki, ponieważ mogą powodować zakłócenia zmysłu równowagi, wzroku, trwałe uszkodzenia organów wewnętrznych itp. Z tych względów przepisy bhp określają dopuszczalne poziomy drgań. Hałas i szumy wytwarzane przez maszyny elektryczne mają źródła elektromagnetyczne i mechaniczne. Hałas wynikający ze zjawisk elektromagnetycznych powstaje pod wpływem działania sił wytworzonych przez pole magnetyczne przemienne, szczególnie przez pola wyższych harmonicznych. Natężenie hałasu zależy od wartości napięcia i związanej

20 18 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO z nim wartości indukcji magnetycznej oraz od jego częstotliwości. Dodatkowo, hałas powstaje w wyniku powstawania tzw. szumów magnetycznych. Zjawisko to nosi nazwę magnetostrykcji i polega na zmianie kształtu ferromagnetyka w polu magnetycznym. Hałas wynikający z pracy mechanicznej maszyny jest związany z pracą łożysk wentylatora oraz szczotek. Hałas wytwarzany przez maszyny elektryczne określa się w decybelach (db). Maszyny muszą spełniać określone normy, aby nie przekroczyć dopuszczalnego poziomu dźwięku. Zakłócenia radioelektryczne są to napięcia, prądy lub pola elektromagnetyczne wysokiej częstotliwości generowane podczas pracy maszyn. Zakłócenia te utrudniają pracę innych urządzeń elektrycznych. Szczególnie widoczne jest to w przypadku odbiorników radiowych i telewizyjnych. Wartość zakłóceń określa się na podstawie wartości napięcia i natężenia pola magnetycznego. Zakłócenia radioelektryczne określa się dla przedziału częstotliwości od 15 Hz do 30 Mhz. Napięcia zakłóceń są rzędu μv, natomiast natężenie tych pól jest to największa wartość pola magnetycznego zmierzona przy danej częstotliwości. Wyznacza się je w paśmie o częstotliwości od 30 do 1000 MHz i podaje w uv/m. Wartości te można również wyrażać w decybelach [db]. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Jakie rodzaje zjawisk występują w trakcie pracy maszyn prądu stałego? 2. Na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej? 3. Na czym polegają zjawiska elektrodynamiczne? 4. Jakie zjawiska niekorzystne występują w trakcie pracy maszyn? 5. Jakie są przyczyny powstawania poszczególnych zjawisk niekorzystnych?

21 1.9. PRĄDNICE PRĄDU STAŁEGO Prądnice prądu stałego ZAGADNIENIA Parametry prądnicy prądu stałego Rodzaje prądnic prądu stałego Porównanie prądnic prądu stałego Parametry prądnicy prądu stałego: napięcie twornika U, prąd obciążenia I, moc obciążenia P, prąd wzbudzenia I f, prędkość obrotowa n. PRĄDNICE obcowzbudne samowzbudne bocznikowe Rys Rodzaje prądnic prądu stałego szeregowe szeregowo-bocznikowe Prądnica obcowzbudna to taka, w której uzwojenie wzbudzenia jest zasilane z zewnętrznego źródła energii (rys. 1.35). Rys Schemat prądnicy obcowzbudnej

22 20 1. MASZYNY PRĄDU STAŁEGO Właściwości elektryczne prądnic opisuje się za pomocą charakterystyk. Dla prądnicy obcowzbudnej są to charakterystyki: biegu jałowego (rys. 1.36), zwarcia (rys. 1.37), obciążenia (rys. 1.38) i zewnętrzna (rys. 1.39). Charakterystyka biegu jałowego określa właściwości ruchowe maszyny, która ma pewien strumień szczątkowy. Na jej szczotkach istnieje napięcie szczątkowe nawet wtedy, gdy nie płynie prąd. Rezystancja twornika jest mała i już przy niewielkiej wartości siły elektromotorycznej prąd zwarcia osiąga wartość prądu znamionowego. Rys Charakterystyka biegu jałowego E szcz napięcie szczątkowe na szczotkach prądnicy Rys Charakterystyka zwarcia I k prąd w zwartym obwodzie twornika, I m prąd magnesujący Charakterystyka obciążenia wskazuje zależność napięcia na zaciskach prądnicy przy stałej prędkości obrotowej i stałym obciążeniu. Charakterystyka zewnętrzna pokazuje, jak zmienia się napięcie na zaciskach prądnicy wraz ze wzrostem obciążenia przy stałej prędkości obrotowej i stałej rezystancji obwodu wzbudzenia. Rys Charakterystyka obciążenia Rys Charakterystyka zewnętrzna W prądnicy bocznikowej uzwojenie wzbudzenia jest zasilane prądem pobieranym z jej własnego twornika. Warunki samowzbudzenia prądnicy polegają na tym, że w prądnicy musi być strumień magnetyzmu szczątkowego. Uzwojenie wzbudzenia ma być tak połączone, aby prąd przez nie pływający powodował przepływ wzmacniający strumień szczątkowy. Rezystancja obwodu wzbudzenia musi być mniejsza od rezystancji krytycznej.

23 2 Transformatory Pojęcie i klasyfikacja transformatorów Zasada działania transformatora Podstawowe wielkości charakteryzujące transformatory Budowa transformatora Stany pracy transformatora Transformatory energetyczne Transformatory specjalne

24 22 2. TRANSFORMATORY 2.2 Zasada działania transformatora ZAGADNIENIA Elementy budowy transformatora Zasada działania transformatora Dodatkowe funkcje transformatora Zasada działania transformatora zostanie opisana na przykładzie modelu transformatora jednofazowego przedstawionego na rysunku 2.4. Każdy transformator składa się z dwóch zasadniczych elementów: 1. uzwojeń, zazwyczaj są to dwa uzwojenia: uzwojenie pierwotne, uzwojenie wtórne, 2. rdzenia ferromagnetycznego, na którym umieszcza się oba uzwojenia. Rys Budowa transformatora jednofazowego Rys Zasada działania transformatora Rdzeń jest obwodem magnetycznym transformatora i służy do przewodzenia strumienia magnetycznego. Uzwojenia pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora.

25 2.2. ZASADA DZIAŁANIA TRANSFORMATORA 23 Oba uzwojenia są zazwyczaj odseparowane galwanicznie, co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego między nimi, a energia jest przekazywana prze pole magnetyczne. Wyjątek stanowi autotransformator, w którym obydwa uzwojenia posiadają część wspólną. W zasadzie działania transformatora wykorzystano zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Jedno z uzwojeń jest zwane pierwotnym i jest podłączone do źródła napięcia przemiennego. Napięcie to powoduje w nim przepływ prądu przemiennego. Prąd przemienny wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego zamyka się przez rdzeń i sprzęga się z uzwojeniem wtórnym. Zmienny strumień magnetyczny indukuje w tym uzwojeniu siłę elektromotoryczną, która zmienia się tak jak strumień magnetyczny. Podczas przenoszenia energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego traci się część mocy. Straty występują: w rdzeniu transformatora, tzw. straty w żelazie, wynikają m.in. z prądów wirowych; straty w uzwojeniu, tzw. straty w miedzi, wynikają z oporu materiału, z którego wykonano uzwojenia. Oprócz zmiany wartości napięcia i prądu transformator może pełnić inne funkcje: umożliwia izolowanie od siebie obwodów elektrycznych uzwojenie pierwotne podłączone do zasilania nie jest połączone z uzwojeniem wtórnym podłączonym do odbiornika; odgrywać rolę filtra składowych stałych prądu i napięcia (nie przenosi na stronę wtórną napięcia i prądu stałego); może ograniczać prąd zwarcia włączony między źródło a odbiornik. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Z jakich elementów jest zbudowany transformator? 2. Co to jest uzwojenie pierwotne i wtórne? 3. Jak działa transformator? 4. Czy transformator może pracować podczas zasilania napięciem stałym?

26 24 3. MASZYNY SYNCHRONICZNE 3.4 Praca maszyn synchronicznych ZAGADNIENIA Bieg jałowy maszyny synchronicznej Stan zwarcia maszyny synchronicznej Stan obciążenia prądnicy synchronicznej charakterystyka zewnętrzna i regulacyjna maszyny synchronicznej Podstawowe parametry maszyn synchronicznych Bieg jałowy maszyny synchronicznej ZAGADNIENIA Definicja biegu jałowego maszyny synchronicznej Zasada działania maszyny synchronicznej w biegu jałowym Charakterystyka maszyny synchronicznej w biegu jałowym Bieg jałowy maszyny synchronicznej to taki stan, w którym uzwojenie stojana (twornika) jest rozwarte, a uzwojenie wirnika zasilane prądem wzbudzenia. W stanie tym występuje więc tylko prąd wzbudzenia płynący w wirniku, w związku z czym pole magnetyczne jest wytwarzane tylko przez wirnik. W stanie jałowym wirnik jest napędzany, więc jego strumień wiruje w uzwojeniach fazowych stojana i pod jego wpływem indukują się siły elektromotoryczne (napięcia) o wartości skutecznej: E = 444, k N F f f u f gdzie: k u współczynnik uzwojenia stojana, N liczba zwojów jednej fazy stojana, f [Wb] strumień magnetyczny wytwarzany przez wzbudzenie (wirnik), f [Hz] częstotliwość. Maszyna synchroniczna wiruje ze stałą prędkością obrotową, wtedy wartość indukowanego napięcia zależy od prądu wzbudzenia I f ze względu na to, że strumień magnetyczny zależy od strumienia wytworzonego przez wirnik f. Charakterystykę biegu jałowego przedstawiono na rysunku poniżej zależność napięcia biegu jałowego w funkcji prądu wzbudzenia (wirnika) U 0 = f(i f ).

27 3.4. PRACA MASZYN SYNCHRONICZNYCH Stan obciążenia prądnicy synchronicznej charakterystyka zewnętrzna i regulacyjna maszyny synchronicznej ZAGADNIENIA Pojęcie obciążenie prądnicy synchronicznej Charakterystyka zewnętrzna Charakterystyka regulacyjna Stan obciążenia prądnicy synchronicznej występuje wtedy, gdy jest bezpośrednio obciążona odbiornikiem pobierającym prąd. Odbiornik jest podłączony do zacisków twornika (stojana), czyli prąd obciążenia I jest jednocześnie prądem twornika (stojana). W stanie tym pracę prądnicy nazywamy pracą indywidualną lub samotną, a jej działanie opisują dwie charakterystyki zewnętrzna i regulacyjna. Charakterystyka zewnętrzna Charakterystyka zewnętrzna prądnicy to zależność miedzy napięciem a prądem twornika (stojana). Nazywa się ją zewnętrzną, ponieważ do zacisków stojana podłącza się zewnętrzne odbiorniki energii. Charakterystyka ta jest więc zależnością napięcia twornika (stojana) w funkcji prądu twornika, który jest prądem obciążenia U = f(i) i wykreśla się ją przy stałej prędkości obrotowej, stałym współczynniku mocy odbioru oraz stałym prądzie wzbudzenia n = const, cos = const, I f = const. Przedstawiono ją na rysunku 3.8. Rys Charakterystyka zewnętrzna Z charakterystyki wynika, że: zwiększenie prądu obciążenia o charakterze RL, L powoduje zmniejszenie się napięcia na zaciskach prądnicy;

28 26 3. MASZYNY SYNCHRONICZNE wzrost prądu obciążenia o charakterze RC powoduje, w zakresie pracy od biegu jałowego do obciążenia znamionowego, zwiększenie napięcia; w przypadku obciążenia tylko C prądów mogą mieć wartości większe niż ustalony prąd zwarciowy I z. Należy także pamiętać, że wielkości przedstawione na charakterystyce są uzależnione od innych wielkości w następujący sposób: wartości napięcia prądnicy synchronicznej zależy od prędkości obrotowej oraz wartości prądu wzbudzenia; częstotliwość zależy od prędkości obrotowej; kąt przesunięcia fazowego między napięciem a prądem zależy od charakteru odbiornika podłączonego do zacisków twornika (stojana). Wpływ prądu wzbudzenia na napięcie pokazują wykresy na rysunku poniżej. Wynika z nich, że większy prąd wzbudzenia (wirnika) powoduje podniesienie charakterystyki zewnętrznej, a co za tym idzie większe napięcie przy tych samych prądach obciążenia. Rys Wpływ prądu wzbudzenia na napięcie W prądnicy synchronicznej można także ustawić taki prąd wzbudzenia wirnika, że dla różnych charakterów obciążenia przy prądzie znamionowym pobieranym na zaciskach prądnicy występuje napięcie znamionowe. Charakterystyki dla takiego przypadku są przedstawione na rysunku Rys Charakterystyka zewnętrzna dla prądu wzbudzenia (wirnika) If oraz przy prądzie znamionowym obciążenia IN (prądnica wytwarza napięcie znamionowe UN)

29 3.4. PRACA MASZYN SYNCHRONICZNYCH 27 Charakterystyka regulacyjna Charakterystyka regulacyjna jest to zależność prądu wzbudzenia (wirnika) I f w funkcji prądu twornika (stojana), który jest jednocześnie prądem obciążenia I, czyli I f = f(i). Charakterystykę tą wykreśla się przy stałym napięciu, stałej prędkości obrotowej oraz stałym współczynniku mocy obciążenia U = const, n = const, cos = const. Została ona przedstawiona na rysunku Rys Charakterystyka regulacyjna Z charakterystyki wynika, że: gdy wzrasta prąd obciążenia o charakterze L, należy zwiększyć prąd wzbudzenia I f ; gdy prąd obciążenia nie zmienia się, natomiast maleje współczynnik mocy o charakterze L cos L, należy zwiększyć prąd wzbudzenia I f ; gdy prąd obciążenia nie zmienia się, natomiast maleje współczynnik mocy o charakterze C cos C należy zmniejszyć prąd wzbudzenia I f. W związku z powyższym ważne jest, aby była podana wartość znamionowego współczynnika mocy, ponieważ przy różnych jego wartościach prąd wzbudzenia I f będzie miał inną wartość. Gdy współczynnik mocy będzie maleć, prąd wzbudzenia będzie rósł, ale maksymalnie może się zwiększyć do wartość znamionowej I fn, której nie wolno przekroczyć. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Jaką pracę nazywamy pracą samotną lub indywidualną maszyny? 2. Co przedstawia charakterystyka regulacyjna prądnicy synchronicznej? 3. Co można odczytać z charakterystyki regulacyjnej prądnicy synchronicznej? 4. Co przedstawia charakterystyka zewnętrzna prądnicy synchronicznej? 5. Co można odczytać z charakterystyki zewnętrznej? 6. Do czego służy charakterystyka regulacyjna? 7. Jakie wnioski można wyciągnąć z analizy charakterystyk regulacyjnych? 8. Jakie wnioski można wyciągnąć z analizy charakterystyk zewnętrznych?

30 28 3. MASZYNY SYNCHRONICZNE Podstawowe parametry maszyn synchronicznych ZAGADNIENIA Moc czynna Moment elektromagnetyczny Moment obrotowy Stabilność Przeciążalność Krzywe V Moc czynna maszyny synchronicznej jest to moc wydawana przez prądnice do obciążenia lub moc pobierana z sieci w przypadku silnika. Wyraża się ona wzorem: P = m U I cosj gdzie: P [W] moc czynna; M liczba faz; U [V] napięcie wzbudzenia (stojana); I [A] prąd wzbudzenia (stojana), w przypadku prądnicy prąd obciążenia, a w przypadku silnika prąd pobierany z sieci; cos współczynnik mocy określający przesunięcie fazowe między U a I. P = m U E sin J X d J= 90 j X = X + X d ad r gdzie: m liczba faz, E f [V] napięcie indukowane w uzwojeniu twornika (stojana) w wyniku przenikania strumienia magnetycznego wytworzonego przez prąd wzbudzenia (wirnik) I f ; X d [Ω] reaktancja podłużna; X ad [Ω] reaktancja oddziaływania twornika (stojana), powstająca w wyniku oddziaływania strumienia magnetycznego wytworzonego przez prąd twornika (stojana) I t, który przenika przez wzbudzenie (wirnik); X r [Ω] reaktancja rozproszenia twornika (stojana) powstająca w wyniku oddziaływania strumienia magnetycznego wytworzonego przez prądy twornika (stojana) I t, który przenika tylko przez uzwojenie twornika przez wzbudzenie (wirnik); kąt mocy. Moment elektromagnetyczny wyraża się wzorem: gdzie: P [W] moc elektryczna, obr n 1 min prędkość obrotowa. P M = 955,, n f 1

31 3.4. PRACA MASZYN SYNCHRONICZNYCH 29 Dla prądnic warunki takie są do spełnienia po podłączeniu ich do sieci sztywnej, gdzie U = const, f = const. Dla silników należy obciążyć go stałym momentem oraz zasilać z sieci sztywnej. Na rysunku 3.14 przedstawiono krzywe mocy. a) b) c) Rys Krzywe V: a) dla różnych mocy, b) praca prądnicowa, c) praca silnikowa Z krzywych V wynikają przedstawione wnioski. Stan wzbudzenia prąd wzbudzenia I f, przy którym uzyskuje się cos = 1 przy danej mocy P, nazywa się stanem wzbudzenia normalnego. Prądnica pracująca przy obciążeniu indukcyjnym a silnik przy pojemnościowym nazywa się przewzbudzoną. Prądnica pracującą przy obciążeniu pojemnościowym a silnik przy indukcyjnym nazywa się niedowzbudzoną. Zmniejszenie prądu wzbudzenia I f do wartości, przy której kąt mocy osiągnie wartość = 90, jest prądem wzbudzenia granicznym, przy którym można jeszcze utrzymać stałość mocy czynnej. Dalsze zmniejszanie jego wartości spowoduje wypadnięcie maszyny z synchronizmu. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Podaj zależność między mocą a momentem dla maszyny synchronicznej. 2. Co to jest przeciążalność maszyny synchronicznej? 3. Kiedy pracę maszyny synchronicznej uważa się za stabilną? 4. Co jest miarą zdolności maszyny synchronicznej do utrzymania się w synchronizmie? 5. Co ma wpływ na wartość współczynnika synchronizującego? 6. Co to są krzywe V? 7. Jaki stan pracy nazywamy normalnym stanem wzbudzenia? 8. Wyjaśnij pojęcia maszyna przewzbudzona i niedowzbudzona. 9. Od czego zależy stan pracy, w jakim pracuje maszyna?

32 30 3. MASZYNY SYNCHRONICZNE Zalety samosynchronizacji: skraca czas przyłączania prądnic do pracy równoległej; koszt układu automatycznej samosynchronizacji jest znacznie mniejszy niż koszt układu automatycznej synchronizacji; umożliwia włączenie prądnicy w ciężkich warunkach ruchowych, trudne jest wtedy osiągnięcie synchronizacji dokładnej, a włączenie generatora wzbudzonego bez spełnienia warunków synchronizacji może powodować przepływ dużych prądów łączeniowych groźnych dla prądnicy. Praca na sieć sztywną Warunkiem pracy na sieć sztywną jest P NP P, gdzie: P NP moc znamionowa prądnicy, P NS suma mocy prądnic zainstalowanych w sieci elektroenergetycznej. Moc prądnicy synchronicznej jest znikoma mała w porównaniu z mocą sieci, do której prądnica jest podłączona. Moc sieci jest traktowana jako suma mocy prądnic zainstalowanych w sieci elektroenergetycznej P NS. Praca prądnicy synchronicznej na sieć sztywną charakteryzuje się tym, że napięcie i częstotliwość prądnicy podłączonej do sieci o mocy P NP są ustalone z zewnątrz z sieci, do której jest podłączona i ich wartości nie zależą od zmian dokonywanych w tej prądnicy do momentu utrzymania prądnicy w synchronizmie. W pracy prądnicy synchronicznej pracującej na sieć sztywną można zmieniać: prąd wzbudzenia; moment napędowy praca prądnicowa lub momentu obciążenia praca silnikowa. Mimo to napięcie i częstotliwość nie ulegnie zmianie natomiast: zmiana prądu wzbudzenia I f (wirnika) powoduje zmianę mocy biernej wydawanej do sieci; zmiana momentu napędowego, czyli mocy maszyny napędzającej (regulacja ilości doprowadzanej do turbiny parowej pary i turbiny wodnej wody), powoduje zmianę mocy czynnej wydawanej do sieci. Praca indywidualna Warunkiem pracy indywidualnej jest P NP NS P, gdzie: P NP moc znamionowa prądnicy, P NS suma mocy prądnic zainstalowanych w sieci elektroenergetycznej. Moc prądnicy synchronicznej jest więc znacznie większa w porównaniu z mocą sieci, czyli z sumą mocy prądnic zainstalowanych w sieci elektroenergetycznej. Podczas pracy indywidualnej wartość napięcia i jego częstotliwość zależą od podłączonej prądnicy synchronicznej. NS

33 3.5. PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH 31 Utrzymanie stałej prędkości obrotowej, a co za tym idzie częstotliwości, dokonuje się przy użyciu regulatora prędkości, który utrzymuje stałą prędkość obrotową maszyny napędzającej prądnicę. Zmiany obciążenia (prądu obciążenia) prądnicy synchronicznej pracującej indywidualnie powodują zmiany napięcia, więc aby utrzymać stałe napięcie, należy dodatkowo regulować prąd wzbudzenia (wirnika) I f. Dokonuje się to przez stosowanie automatycznych regulatorów napięcia, które dostosowują odpowiednio wartość prądu wzbudzenia. Praca na sieć elastyczną Warunkiem pracy indywidualnej jest: P NP P, gdzie: P NP moc znamionowa prądnicy, P NS moc znamionowa prądnic w zainstalowanych w sieci. Moc prądnicy synchronicznej jest więc w przybliżeniu równa mocy sieci, czyli sumie mocy prądnic zainstalowanych w sieci elektroenergetycznej. Następuje to w przypadku dwóch prądnic, wtedy obie prądnice mają taki sam wpływ na napięcie i częstotliwość w układzie. W pracy elastycznej prądnic występują następujące procesy regulacyjne: zmiana mocy maszyny napędzającej powoduje zmianę częstotliwości w układzie i zmianę rozpływu mocy czynnej przy założeniu, że prądnice są wyposażone w regulator prędkości, czyli pracują przy stałej prędkości obrotowej; zmiana prądu wzbudzenia jednej z prądnic powoduje zmiany napięcia i rozpływu mocy biernej przy założeniu, że prądnice są wyposażone w regulatory napięcia. Praca elastyczna występuje bardzo rzadko. W praktyce praca równoległa prądnicy synchronicznej nie jest nigdy w ścisłym tego słowa znaczeniu ani pracą na sieć sztywną, ani pracą indywidualną. Zawsze wykazuje ona pewne cechy pośrednie, przy czym najczęściej są one zbliżone do pracy na sieć sztywną. SPRAWDŹ SWOJĄ WIEDZĘ 1. Na czym polega praca równoległa? 2. Z czego wynika potrzeba pracy równoległej? 3. Opisz warunki synchronizacji. 4. Co to jest synchronizacja? 5. Opisz samosynchronizację. 6. Co to jest praca na sieć sztywną? 7. Co to jest praca na sieć elastyczną? 8. Co to jest praca indywidualna? NS

34 32 3. MASZYNY SYNCHRONICZNE 3.6 Silnik synchroniczny ZAGADNIENIA Definicja silnika synchronicznego Sposoby rozruchu silnika synchronicznego Właściwości ruchowe silnika synchronicznego Silnik synchroniczny to inaczej prądnica synchroniczna, która z pewnych przyczyn przestaje być napędzana, a obraca się nadal z prędkością synchroniczną, pobierając w tym celu energię z sieci elektrycznej. Można to wytłumaczyć także na przykładzie dwóch prądnic synchronicznych pracujących równolegle. Kiedy jedna z nich przestaje być napędzana, nie zatrzymuje się, lecz dalej wiruje z prędkością synchroniczną, pobierając energię od drugiej. Budowa silnika synchronicznego zasadniczo nie różni się od budowy prądnicy synchronicznej, z wyjątkiem tego, że w przeciwieństwie do prądnic silniki są budowane jako jawno biegunowe. Budowa jawno biegunowa powoduje, że oprócz momentu synchronicznego występuje także moment reluktancyjny. Silnik synchroniczny nie ma momentu rozruchowego i jest to jego największa wada. Podstawowym problemem jest więc sposób jego rozruchu. W związku z tym wyróżnia się następujące rodzaje rozruchu silnika synchronicznego: asynchroniczny, z pomocą dodatkowej maszyny, częstotliwościowy, synchroniczny. Rozruch asynchroniczny Rozruch asynchroniczny polega na tym, że silnik, dla którego przewiduje się ten typ rozruchu, musi być wyposażony w klatkę rozruchową podobną jak w silniku indukcyjnym. Wirnik więc ma dwa uzwojenia: wzbudzające i klatki rozruchowej. W trakcie rozruchu asynchronicznego w obwód wzbudzenia należy włączyć rezystor, aby uniknąć powstania przepięć. Przepięcia powstają z powodu indukowania się napięcia w otwartym uzwojeniu wzbudzenia, w związku z tym, że w chwili włączenia silnika do sieci wirnik jest nieruchomy względem wirującego z dużą prędkością pola magnetycznego stojana. Przepięcia takie mogą powodować uszkodzenia izolacji uzwojenia wzbudzenia oraz stanowią zagrożenie dla obsługi. Gdy silnik osiągnie prędkość obrotową bliską synchronicznej, rezystor jest odłączany, a obwód wzbudzenia jest zasilany napięciem stałym z wzbudnicy (prądnica napięcia stałego zamontowana na wspólnym wale). Następnie silnik, pod wpływem wytworzonego momentu synchronicznego, wchodzi w synchronizm w taki sam sposób jak przy samo synchronizacji.

35 3.6. SILNIK SYNCHRONICZNY 33 W przypadku biegu jałowego silnik synchroniczny wchodzi w synchronizm pod wpływem momentu reluktancyjnego Zasilając obwód wzbudzenia napięciem stałym, należy ustawić prąd wzbudzenia na wartość znamionową, aby przy zmianach momentu obciążenia na wale silnik nie wypadł z synchronizmu. Wadą rozruchu asynchronicznego jest pobieranie dużych prądów rozruchowych przekraczających prąd znamionowy, co powoduje spadki napięć w sieci. Dlatego należy je ograniczać takimi metodami, jak rozruch silników indukcyjnych. Rozruch za pomocą dodatkowej maszyny Rozruch za pomocą dodatkowej maszyny napędzającej polega na tym, że silnik synchroniczny włącza się do sieci tak jak prądnicę, czyli metodą synchronizacji dokładnej lub samosynchronizacji. Metoda ta jest rzadko stosowana, ponieważ jest kłopotliwe stosowanie dodatkowych maszyn. Rozruch częstotliwościowy Rozruch częstotliwościowy polega na tym, że uzwojenie twornika (stojana) jest zasilane ze źródła, w którym jest możliwa zmiana częstotliwości napięcia od zera do częstotliwości znamionowej częstotliwości sieci 50 Hz. W tym celu wykorzystuje się oddzielną prądnicę synchroniczną lub elektroniczny przetwornika częstotliwości. Przy zwiększaniu częstotliwości napięcia zasilającego stojan od zera do znamionowej i jednoczesnym pełnym zasilaniu wzbudzenia (wirnika) silnik synchroniczny będzie odpowiednio do zmian częstotliwości zwiększać swoją prędkość wirowania do prędkości synchronicznej, czyli odpowiadającej częstotliwości znamionowej sieci: 50 Hz. Można wtedy włączyć silnik do sieci i odłączyć prądnicę lub przetwornik częstotliwości. Właściwości rozruchowe silnika synchronicznego Właściwości silnika synchronicznego są takie same, jak prądnicy synchronicznej pracującej w sieci sztywnej, i można je zestawić w postaci następujących wniosków: charakter prądu pobieranego przez silnik zależy od wartości prądu wzbudzenia; gdy silnik pobiera z sieci prąd będący w fazie z napięciem, to mówimy, że jest wzbudzony normalnie, gdy prąd jest opóźniony, to silnik będzie niedowzbudzony, gdy prąd będzie wyprzedzał napięcie, to silnik będzie przewzbudzony zjawisko to wykorzystuje się do poprawienia współczynnika mocy w sieci; silnik synchroniczny zasilany z sieci sztywnej (U = const, f = const) utrzymuje stałą prędkość obrotową w całym zakresie obciążeń, aż do wypadnięcia z synchronizmu, czyli charakterystyka mechaniczna silnika synchronicznego n = f(m) jest linią prostą, którą przedstawiono na rysunku moment silnika zależy liniowo od napięcia zasilającego przy stałym prądzie wzbudzenia, dlatego przy wahaniach napięcia w sieci zasilającej silnik synchroniczny jest mniej podatny do wypadania z synchronizmu niż silnik indukcyjny do zatrzymania się; obciążenie silnika mocą większą niż moc maksymalna spowoduje wypadnięcie silnika z synchronizmu i jego zatrzymanie.

36 34 4. MASZYNY INDUKCYJNE prąd znamionowy uzwojenia wirnika I 2N, układ połączeń wirnika. Moc znamionowa P N jest to moc użyteczna na wale silnika. Napięcie znamionowe uzwojenia stojana U 1N dla silników trójfazowych to napięcie międzyfazowe. Znamionowy współczynnik mocy cos 1N to współczynnik mocy silnika od strony uzwojeń stojana. Częstotliwość znamionowa f 1N to częstotliwość napięcia zasilającego stojan. Znamionowa prędkość obrotowa n N to prędkość, z jaką wiruje silnik obciążony mocą znamionową. Napięcie znamionowe uzwojenia wirnika U 2N to wartość napięcia przy rozwartym i zahamowanym wirniku. Prąd znamionowy uzwojenia wirnika I 2N jest podawany tylko dla indukcyjnych silników pierścieniowych. Przeciążalność momentem znamionowym u to stosunek momentu krytycznego znamionowego M k do momentu użytecznego znamionowego M N, Prąd rozruchowy I 1rN to krotność prądu znamionowego. Użyteczny moment rozruchowy M rn to krotność użytecznego momentu znamionowego. Prąd jałowy I 10N to prąd przy biegu jałowym. Cos 0N to współczynnik mocy przy biegu jałowym. J moment bezwładności Zależności stosowane w obliczeniach silników indukcyjnych Wielkości odnoszące się do stojana oznacza się wskaźnikiem 1, np. U 1. Wielkości odnoszące się do wirnika oznacza się wskaźnikiem 2, np. f 2. Wielkości dla biegu jałowego (przy braku obciążenia) oznacza się indeksem 0, np. P 0. Wielkości dla stanu zwarcia oznacza się wskaźnikiem z, np. P z. Podstawowe wielkości określające pracę stojana: prędkość wirowania pola magnetycznego stojana n 1 zależy od częstotliwości f 1 i liczby par biegunów p; częstotliwość napięcia zasilającego stojan f 1 ; siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu stojana E 1. Podstawowe wielkości określające pracę wirnika: prędkość wirowania wirnika n; napięcie (siła elektromotoryczna) indukowane w nieruchomym wirniku E 20 ; napięcie (siła elektromotoryczna) indukowane w wirniku wirującym z dowolną prędkością E 2 ; liczba zwojów uzwojenia wirnika N 2 ; prąd płynący w wirniku I 2 pod wpływem napięcia E 2 ma częstotliwość f 2 ; częstotliwość napięcia w obracającym się wirniku f 2 zależy od prędkości n 2 wirowania pola względem wirnika i przy określonym poślizgu s wyraża się wzorem: f 2 pn ( 1 n) = 60 pn ( n) = f

37 4.4. PODSTAWOWE PARAMETRY MASZYN INDUKCYJNYCH 35 stąd: p = f n n Dodatkowe wielkości opisujące pracę maszyny indukcyjnej: strumień główny wirujący, moment elektromagnetyczny M, moment obciążenia (moment hamujący) M h, poślizg s, czyli stosunek prędkości pola względem wirnika do prędkości synchronicznej, wyraża się wzorem: lub Przy obciążeniu znamionowym: n1 n s = n n1 n s = 100% n 1 1 s N n1 n = n 1 N, S = 2 5% N Gdy wirnik jest nieruchomy: n1 0 s = = 1 n Gdy wiruje z prędkością synchroniczną (tylko przy napędzaniu wirnika): 1 n1 n s = = 0 n Możemy zatem wyznaczyć prędkość wirnika n: 1 n = n ( s ) który mówi, że im mniejszy poślizg, tym większa prędkość wirowania wirnika. 1 1 Pole magnetyczne wytworzone przez prąd stojana i wirnika są względem siebie nieruchome przy każdej prędkości wirnika. Moc czynna znamionowa pobierana P 1N dla silników trójfazowych: P1 = 3U1 I1 cos j 1 N N N N

38 36 4. MASZYNY INDUKCYJNE 4.6 Schemat zastępczy maszyny indukcyjnej ZAGADNIENIA Rozkład strumieni w maszynie indukcyjnej Silnik indukcyjny a transformator Maszyna indukcyjna z nieruchomym wirnikiem zachowuje się jak transformator (rozdział 4.5). Częstotliwość napięcia indukowana przy nieruchomym wirniku jest taka sama jak częstotliwość w stojanie. Poniżej przedstawiono podstawowe różnice między transformatorem a maszyną indukcyjną: Cechy transformatora przemienne pole magnetyczne skupione uzwojenie brak wyraźnej szczeliny w obwodzie magnetycznym Cechy maszyny indukcyjnej wirujące pole magnetyczne rozłożone uzwojenie szczelina między stojanem a wirnikiem Jeżeli założymy, że obwód pierwotny transformatora to stojan silnika, a obwód wtórny transformatora to wirnik silnika, to przy rozpatrywaniu maszyny indukcyjnej z nieruchomym wirnikiem możemy posłużyć się schematem zastępczym transformatora. Przekładnia napięciowa nu wyraża się wzorem: n u E1 = = E 2 Nk 1 u1 Nk 2 u2 gdzie: E 1 siła elektromotoryczna w uzwojeniu stojana, E 20 siła elektromotoryczna w uzwojeniu wirnika, N 1 liczba zwojów uzwojenia stojana, N 2 liczba zwojów uzwojenia wirnika, ku 1 współczynnik uzwojenia stojana, ku 2 współczynnik uzwojenia wirnika. Znając wartość napięcia (sem) E 20, indukowanego w nieruchomym wirniku, można obliczyć napiecie (sem) E 2 występujące przy dowolnym poślizgu. W maszynie indukcyjnej, oprócz strumienia głównego, występują strumienie rozproszone r1 i r2 wytworzone przez prądy I 1 i I 2.

39 4.7. WŁAŚCIWOŚCI MASZYNY INDUKCYJNEJ Właściwości maszyny indukcyjnej ZAGADNIENIA Moc i moment elektromagnetyczny maszyny indukcyjnej Poślizg Bilans mocy Moc i moment elektromagnetyczny maszyny indukcyjnej Zależność między mocą a momentem elektromagnetycznym maszyny wyraża się wzorem: gdzie: P [W], 1 [rad/s], n1 [obr./min], M [Nm] lub gdzie: P m moc mechaniczna, n prędkość obrotowa wirnika. M = PY 955, P n M Y w , Pm n Zakładając, że moment oporowy M 0 jest stały, moc mechaniczna P m, jaką wytwarza silnik, zależy od momentu silnika M i prędkości kątowej. P m = M w Moment użyteczny (na wale silnika) zależy od mocy oddawanej i wyraża się wzorem: gdy n [obr./s] lub gdy n [obr./min] M M uż uż PN n PN n

40 38 4. MASZYNY INDUKCYJNE 4.8 Praca silnikowa maszyny indukcyjnej ZAGADNIENIA Bieg jałowy silnika indukcyjnego Stan zwarcia silnika indukcyjnego Stan obciążenia silnika indukcyjnego Praca silnika indukcyjnego przy zasilaniu jednofazowym Praca silnika indukcyjnego trójfazowego przy połączeniu w gwiazdę i w trójkąt Bieg jałowy silnika indukcyjnego Bieg jałowy silnika indukcyjnego to stan pracy silnika, w którym do uzwojeń stojana zostało doprowadzone napięcie, obwód wirnika jest zamknięty, a wał silnika nie został obciążony żadnym momentem, czyli wał nie jest sprzęgnięty z żadną maszyną napędzaną. W takim przypadku wirnik wiruje z prędkością zbliżoną do synchronicznej i występuje niewielki poślizg s 0 = 0,001. W wirniku indukuje się niewielka siła elektromotoryczna i płynie prąd. Wał silnika nie jest obciążony, więc moc oddawana przez silnik wynosi zero. Moc pobierana przez silnik P 0 idzie w całości na pokrycie strat. Cała moc pobrana przez silnik w czasie biegu jałowego jest zużywana na pokrycie strat: w uzwojeniu stojana ΔP Cu0 : w stali stojana ΔP Fe0 : mechanicznych ΔP m : 2 Cu ΔP = m R I ΔP m U Fe0 = 1 R 2 1 Fe P = ΔP + ΔP + ΔP 10 Cu0 Fe0 m Prąd jałowy I 0 przy zasilaniu napięciem znamionowym I N wynosi: I 0 = ( 025, 05, ) Współczynnik mocy przy biegu jałowym cos 0 wynosi: cosj 0 = 01, 02, I N

41 4.8. PRACA SILNIKOWA MASZYNY INDUKCYJNEJ 39 Prąd jałowy jest duży w porównaniu z prądem znamionowym, co stanowi wadę silnika indukcyjnego. Współczynnik mocy jest mały, co oznacza, że silnik podczas biegu jałowego pobiera z sieci prawie wyłącznie moc bierną. Pobierana moc bierna powoduje zwiększenie strat zasilania. Z tego powodu stosujemy urządzenia kompensujące, np. baterie kondensatorów. Należy pamiętać, że silniki indukcyjne nieobciążone powinny być wyłączone z sieci Stan zwarcia silnika indukcyjnego Stan zwarcia silnika indukcyjnego to stan pracy silnika, w którym do uzwojeń stojana zostało doprowadzone napięcie, obwód wirnika jest zwarty i wirnik jest unieruchomiony. W takim przypadku obroty wirnika n = 0, poślizg s = 1, co powoduje, że prąd wirnika jest duży i może wynosić 4 10I N. Cała moc elektryczna pobrana przez silnik jest zamieniana na ciepło. Wirnik się nie obraca i silnik nie oddaje mocy mechanicznej. Można zatem zapisać, że całkowita moc pobrana Pz idzie na pokrycie strat w uzwojeniu stojana ΔP Cu1 i w uzwojeniu wirnika ΔP Cu2 (straty w rdzeniu są niewielkie i dlatego je pomijamy): P = ΔP + ΔP z Cu1 Cu2 Napięcie zwarcia uz maszyny indukcyjnej jest to napięcie, którym należy zasilić stojan, aby przy unieruchomionym wirniku był pobierany z sieci prąd znamionowy. Napięcie zwarcia określa się wzorem: u U z = 100 U z% % N Napięcie zwarcia typowych maszyn indukcyjnych wynosi 10 25%U N. Napięcie zwarcia umożliwia obliczenie prądu zwarcia I z, czyli prądu płynącemu przy zasilaniu pełnym napięciem znamionowym: I z = IN 100 U % W silnikach klatkowych stan zwarcia występuje przy każdym załączeniu silnika do sieci (przy rozruchu). Należy więc stosować urządzenia obniżające napięcia. W silnikach pierścieniowych można zmniejszyć prąd rozruchowy (prąd zwarcia) przez zwiększenie rezystancji wirnika, włączając rezystor dodatkowy, tzw. rozrusznik. Znajomość prądu zwarcia jest niezbędna do doboru zabezpieczeń przeciwzwarciowych Stan obciążenia silnika indukcyjnego Stan obciążenia silnika indukcyjnego to stan pracy silnika, w którym do uzwojeń stojana zostało doprowadzone napięcie, a silnik (wał) jest sprzężony z maszyną napędzaną. Silnik w stanie obciążenia pracuje przy stałych warunkach zasilania. W stanie obciążenia ustala się prędkość obrotową wirnika, przy jakiej występuje równowaga momentu wydawanego przez silnik M i hamującego M h. Przy każdej zmianie obciążenia zmienia się prędkość obrotowa wirnika, co powoduje, że moment wydawany przez silnik M dostosowuje się do momentu hamującego M h. Przy zmianie obciążenia zmienia się poślizg s, co powoduje zmianę wielu parametrów silnika aż do ponownego ustalenia równowagi momentów M = M h. z

42 40 4. MASZYNY INDUKCYJNE Najczęściej podawaną charakterystyką silników jest tzw. charakterystyka mechaniczna, czyli zależność momentu M silnika od jego obrotów n (rys. 4.31). Do analizy pracy silnika mogą być przydatne charakterystyki ruchowe, przestawiające zależność wielu parametrów silnika od momentu lub mocy P (rys. 4.31). Rys Charakterystyki ruchowe silnika indukcyjnego n prędkość obrotowa, sprawność, I 1 prąd pobierany z sieci, cos współczynnik mocy, s poślizg, M moment. W stanie ustalonym prędkość obrotowa wirnika n jest stała. Moment elektromagnetyczny M, rozwijany przez silnik, jest równy momentowi hamującemu M h : M = M h W stanie nieustalonym prędkość obrotowa wirnika n ulega zmianie. Powstaje wtedy moment dynamiczny M d : M = M M d Jeżeli moment napędowy M jest większy od momentu hamującego M h, to M d > 0 i układ przyspiesza. Jeżeli moment napędowy M jest mniejszy od momentu hamującego M h, to M d < 0 i układ zwalnia. Stan nieustalony w pracy silnika występuje podczas: rozruchu, hamowania, zmiany obciążenia, regulacji prędkości obrotowej, zmiany warunków zasilania. Po ustaniu stanu równowagi (stanu ustalonego) mogą wystąpić dwa przypadki pracy zespołu maszyn napędzającej i napędzanej (rys. 4.32): praca stabilna, jeżeli po zniknięciu zaburzenia układ wraca do stanu równowagi, praca niestabilna, jeżeli po zniknięciu zaburzenia układ zatrzymuje się lub wykazuje tendencję do rozbiegania się (nieograniczony wzrost prędkości obrotowej). h

43 4.8. PRACA SILNIKOWA MASZYNY INDUKCYJNEJ 41 Rys Charakterystyka naturalna silnika indukcyjnego M k moment krytyczny, M h moment hamujący, M d moment dynamiczny, s sprawność, n obroty wirnika Każde obniżenie napięcia w sieci spowoduje znaczne zmniejszenie momentu wytworzonego w silniku, ponieważ moment ten jest proporcjonalny do kwadratu doprowadzonego napięcia. Dlatego punkt pracy znamionowej silnika musi się znajdować w zakresie pracy stabilnej i to daleko od momentu krytycznego. W konsekwencji obniżenie napięcia może zahamować silnik. Przeciążalność silnika u wyraża się wzorem: M k u = 2 M Wynika z niego, że moment znamionowy M N jest co najmniej 2 razy mniejszy od momentu krytycznego M k. Przeciążalność przyjmuje zwykle wartość 2, Praca silnika indukcyjnego przy zasilaniu jednofazowym W przypadku awarii zasilania, np. braku jednej fazy, silnik trójfazowy może pracować przy zasilaniu jednofazowym. Gdy silnik jest połączony w gwiazdę, to dwie fazy uzwojenia silnika są połączone w szereg, a trzecia jest nieczynna. W sytuacji gdy uzwojenia silnika zostały połączone w trójkąt, silnik pracuje również jako jednofazowy, z tym że jedna faza jest połączona równolegle z dwoma pozostałymi (rys. 4.33). Jeżeli nastąpi zanik jednej fazy w czasie pracy silnika, to będzie on dalej pracował, ale prąd pobierany z sieci wrośnie 3 razy. Gdy przerwa w zasilaniu nastąpi w czasie, gdy silnik pracuje przy obciążeniu znamionowym, to silnik będzie przeciążony i może nastąpić jego uszkodzenie wskutek przegrzania. Z tego względu przy braku jednej fazy dopuszczalne obciążenia silnika nie może być większe niż 50% obciążenia znamionowego. Jeżeli nastąpi zanik fazy w czasie, gdy silnik nie pracuje, to w takiej sytuacji silnik samodzielnie nie ruszy. N

44 42 4. MASZYNY INDUKCYJNE a) b) Rys Silnik indukcyjny trójfazowy podczas przerwy braku jednej fazie: a) przy połączeniu w gwiazdę, b) przy połączeniu w trójkąt Gdy dysponujemy silnikiem trójfazowym, a nie mamy dostępu do sieci trójfazowej możemy wtedy włączyć dodatkową impedancję w obwód jednej z faz stojana (kondensator) i zasilić silnik napięciem jednofazowym (rys. 4.34). Pojemność takiego kondensatora można wyliczyć ze wzoru: C ( 60 70) 0, 8 [μf] P N Rys Podłączenie silnika trójfazowego do sieci jednofazowej przy różnych kierunkach wirowania Praca silnika indukcyjnego trójfazowego przy połączeniu w gwiazdę i w trójkąt Silniki trójfazowe połączone w trójkąt niekiedy ze względów ruchowych łączy się w gwiazdę. W tym przypadku napięcie na uzwojeniach stojana zmniejsza się z międzyfazowych na jednofazowe, czyli razy. Skutkuje to zmniejszeniem pobranej mocy z sieci. Prąd w czasie rozruchu, jaki pobiera silnik, zależy od napięcia fazowego oraz od impedancji danej fazy. Natomiast przy obciążeniu prąd pobierany przez silnik zależy od obciążenia. gdzie: P P Δ l = 3 P = 3U I cosj Δ fδ fδ Δ PΔ = U f I f cosj 3 l l l

45 4.9. UŻYTKOWANIE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Użytkowanie silników indukcyjnych ZAGADNIENIA Rozruch Hamowanie Regulacja prędkości obrotowej Zmiana kierunku wirowaniayyy Rozruch silników indukcyjnych Rozruch jest to okres między załączeniem zasilania do nieruchomej maszyny do czasu osiągnięcia przez nią nominalnych warunków pracy, np. prędkości obrotowej. Aby rozruch był możliwy, to moment M wytworzony przez silnik powinien być większy od momentu obciążenia M h. Rozruchowi towarzyszy zwiększona wartość prądu pobieranego z sieci zasilającej. Prąd ten nazywa się prądem rozruchowym I r, a wartość momentu rozwijanego przez silnik w chwili rozruchu nazywa się momentem rozruchowym M r. Dodatkowo należy uwzględnić czas trwania rozruchu. Prąd rozruchowy I r może być kilkakrotnie większy od prądu znamionowego I N (nawet dziesięciokrotnie). Duży prąd rozruchowy może być niebezpieczny dla silnika. Dotyczy to w szczególności dużych silników przy często powtarzanych rozruchach. Duży prąd rozruchowy wpływa również na pracę linii zasilającej, powodując duże spadki napięcia, które niekorzystnie wpływają na pracę pozostałych urządzeń podłączonych do tej samej linii zasilającej. W czasie rozruchu silnik indukcyjny nie rozwija dużego momentu rozruchowego, co minimalnie wydłuża czas jego rozruchu. Bezpośrednio do zasilania podłącza się tylko silniki małej mocy (do kilku kw). W pozostałych przypadkach należy: zmniejszyć prąd rozruchowy, powiększyć moment rozruchowy. Zostaje to osiągnięte dzięki: użyciu przełącznika gwiazda-trójkąt, użyciu autotransformatora, użyciu transformatora, włączeniu rezystancji dodatkowej w obwód wirnika, włączenie reaktancji dodatkowej w obwód wirnika, włączenie rezystancji dodatkowej w obwód stojana, włączenie reaktancji dodatkowej w obwód stojana, zmianę częstotliwości napięcia zasilającego uzwojenie stojana.

46 44 4. MASZYNY INDUKCYJNE Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt stosowany najczęściej w przypadku silników asynchronicznych klatkowych (możemy je również zasilać bezpośrednio, dotyczy to małych silników), które na tabliczce zaciskowej mają sześć końcówek uzwojeń stojana. W takim przypadku napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu uzwojenia stojana, połączonemu w trójkąt. Silnik załącza się do sieci przy uzwojeniu stojana połączonemu w gwiazdę (rys. 4.38). Wirnik silnika zaczyna się obracać. Jeżeli po pewnym czasie prędkość obrotowa wirnika się ustali (nie zmienia się), to możemy przełączyć uzwojenie stojana w trójkąt. Rys Rozruch silnika indukcyjnego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt Silnik połączony w gwiazdę na każdym uzwojeniu stojana ma napięcie -krotnie mniejsze niż napięcie znamionowe. Natomiast prąd jest w przybliżeniu 3-krotnie mniejszy niż prąd przy połączeniu w trójkąt. Niestety, moment rozruchowy jest w takim przypadku również około 3-krotnie mniejszy niż przy połączeniu w trójkąt, dlatego przy rozruchu silnik nie może być obciążony dużym momentem hamującym Rozruch za pomocą autotransformatora Rozruch za pomocą autotransformatora (lub transformatora) przedstawiono na rysunku Transformatory stosowane do rozruchu mają regulowaną przekładnię napięciową nu (płynnie lub skokowo). Napięcie wejściowe transformatora powinno być równe napięciu znamionowemu stojana. Rozruch rozpoczyna się od ustawienia napięcia zasilającego na wartość mniejszą od znamionowej, tak by uzyskać prąd rozruchowy. Następnie zamyka się wyłącznik W1, W2 i W3, pozostawiając W4 otwarty. Zwiększa się napięcie zasilające do wartości znamionowej. Rośnie prędkość silnika, po jej ustaleniu otwiera się wyłącznik W2 i W3, jednocześnie zamykając W4, co powoduje, że napięcie zasilające silnik jest mniejsze niż napięcie sieci. Zaletą tego rozwiązania jest zmniejszenie prądu rozruchowego, który płynie w uzwojeniach silnika n u razy. Natomiast wadą tego rozwiązania jest zmniejszenie momentu rozruchowego n u 2 razy.

47 4.9. UŻYTKOWANIE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH 45 Rys Rozruch silnika za pomocą transformatora Hamowanie Kiedy maszyna asynchroniczna pracuje jako hamulec elektromagnetyczny, to wirnik obraca się w kierunku przeciwnym do wirowania pola magnetycznego. Możemy zastosować trzy rodzaje hamowania: hamowanie naturalne (przeciwprądem), hamowanie prądnicowe, hamowanie dynamiczne Hamowanie przeciwprądem Hamowanie naturalne występuje wówczas, gdy wirnik jest napędzany w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola magnetycznego. Z takim stanem mamy do czynienia gdy włączymy dużą rezystancję w obwód wirnika. Wtedy moment wytworzony w silniku M jest mniejszy od momentu hamującego M h, ponieważ rezystancja ogranicza prądy indukowane w wirniku, a co za tym idzie moment. Na rysunku 4.40 pokazano układ połączeń silnika pierścieniowego napędzającego dźwig, który podnosi ciężar G. Rys Układ połączeń silnika pierścieniowego napędzającego dźwig

48 46 4. MASZYNY INDUKCYJNE Rys Hamowanie naturalne i prądnicowe maszyną indukcyjną: 1a charakterystyka mechaniczna naturalna silnika, 2a, 3a, 4a charakterystyki mechaniczne przy coraz większych rezystancjach włączonych w obwód wirnika Hamowanie prądnicowe Hamowanie prądnicowe może nastąpić przy opuszczaniu ciężaru za pomocą silnika, który ten ciężar podnosi. Aby uzyskać hamowanie prądnicowe, zamienia się w silniku kierunek wirowania strumienia, krzyżując dwa przewody doprowadzające napięcie do silnika. Zmienia się znak momentu wytworzonego w maszynie i zależność M = f(n) ma postać jak na rysunku Moment jest równy zero, czyli maszyn wiruje synchronicznie przy prędkości n 1. Włączając odpowiednie rezystancje w obwód wirnika, uzyskuje się proste 1c, 2c, 3c, które w punktach przecięcia z prosta M h (obciążenie) wyznaczają odpowiednie prędkości. Maszyna pracuje wtedy jako prądnica i przekazuje do sieci moc uzyskaną od opadającego ciężaru G, który ją napędza Hamowanie dynamiczne (prądem stałym) Hamowanie dynamiczne polega na odłączeniu uzwojenia stojana od zasilania i podłączeniu do niego napięcia stałego. W stojanie wytwarza się wtedy stały strumień magnetyczny. Indukują się napięcia i płyną prądy, które wytwarzają moment skierowany przeciwnie do kierunku wirowania wirnika. Włączając dodatkową rezystancje R d w uzwojenie wirnika lub zmieniając wartość napięcia stałego zasilającego stojan, możemy regulować wartością tego momentu.

49 4.9. UŻYTKOWANIE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH 47 Rys Układy zasilania uzwojeń stojana przy hamowaniu dynamicznym Układy zasilania uzwojeń stojana przedstawiono na rysunku Źródłem prądu stałego jest najczęściej odpowiedni układ prostowniczy, który jest zasilany z sieci przez transformator obniżający napięcie. Napięcie zasilające wynosi tylko kilka procent napięcia znamionowego silnika. Moc pobierana przez silnik przy hamowaniu dynamicznym jest znacznie mniejsza niż przy hamowaniu przeciwprądem Regulacja prędkości obrotowej Prędkość kątową silnika indukcyjnego opisuje zależność: 2P f1 w= w1 ( 1 s)= 1 s p ( ) gdzie: 1 prędkość kątowa wirowania pola [rad/s], n 1 prędkość obrotowa wirowania pola [obr./min], f 1 częstotliwość sieci zasilającej, p liczba par biegunów, s poślizg. Prędkość obrotową silnika indukcyjnego opisuje zależność: 60 f1 n = n1 ( 1 s)= 1 s p ( ) Prędkość silników indukcyjnych można regulować poprzez: zmianę częstotliwości f 1, zmianę liczby par biegunów p, zmianę wartości poślizgu s (przy założeniu, że moment oporowy silnika M h jest stały) Regulacja prędkości przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego Przez regulację częstotliwości f 1 sieci zasilającej możemy zmienić prędkość wirowania pola magnetycznego, co prowadzi do zmian prędkości wirowania wirnka. Schemat układu do regulacji prędkości silnika przez zmianę częstotliwości pokazano na rysunku Układ taki wymaga dodatkowego źródła zasilania o regulowanej częstotliwości (np. asynchroniczna przetwornica częstotliwości lub falowniki).

50 48 WYKAZ PODSTAWOWYCH POJĘĆ W JĘZYKACH POLSKIM... WYKAZ PODSTAWOWYCH POJĘĆ W JĘZYKACH POLSKIM, ANGIELSKIM I NIEMIECKIM JĘZYK POLSKI JĘZYK ANGIELSKI JĘZYK NIEMIECKI autotransformator autotransformer der Spartransformator, der Autotransformator bezpiecznik fuse die Sicherung biegun główny main pole der Hauptpol biegun komutacyjny commutation pole der Schaltpol czujnik asymetrii napięcia sensor voltage unbalance der Phasenasymetriewächter czujnik kolejności faz phase sequence detector das Phasenfolgerelais dioda mocy power diode die Leistungsdiode, die pin-diode falownik inverter der Wechselrichter grupa połączeń transformatora transformer connection group die Schaltgruppe eines (Dreiphasen) Transformators izolacja insulation die Isolation klatka wirnika rotor cage der Läuferkäfig, das Rotorengehäuse komutacja commutation die Kommutierung, die Stromwendung komutator commutator der Kommutator, der Stromwender kondensator pracy run capacitor der Betriebskondensator kondensator rozruchowy split capacitor der Anlaufkondensator łącznik prądu stałego DC connector der Gleichstromschalter łącznik sterowniczy bistabilny bistable switch control der bistabile Steuerschalter łącznik sterowniczy monostabilny monostable control switch der monostabile Steuerschalter łożysko bearing das Wälzlager maszyna synchroniczna cylindryczna cylindrical synchronous machine die zylindrische Synchronmaschine maszyna synchroniczna reluktancyjna reluctance synchronous machine die Relunktanz Synchronmaschine, der Synchron Reluktanzmotor moment elektromagnetyczny electromagnetic torque das elektromagnetische Moment moment elektromagnetyczny krytyczny electromagnetic torque critical der kritische (elektromagnetische) Moment moment rozruchowy starting torque das Anlaufmoment natężenie światła light intensity die Lichtintensität poślizg slip das Gleiten, der Schlupf poślizg krytyczny critical slip der kritische Schlupf prąd rozruchowy starting current der Anlaufstrom prądnica prądu stałego dynamo der Gleichstromgenerator prędkość synchroniczna synchronous speed die synchrone Geschwindigkeit Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne oświadczają, że podjęły starania mające na celu dotarcie do właścicieli i dysponentów praw autorskich wszystkich zamieszczonych utworów. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, przytaczając w celach dydaktycznych utwory lub fragmenty, postępują zgodnie z art. 29 ustawy o prawie autorskim. Jednocześnie Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne oświadczają, że są jedynym podmiotem właściwym do kontaktu autorów tych utworów lub innych podmiotów uprawnionych w wypadkach, w których twórcy przysługuje prawo do wynagrodzenia.

51 Klub Nauczyciela uczę.pl cenną pomocą dydaktyczną! Co można znaleźć w Klubie Nauczyciela? podstawy programowe programy nauczania materiały metodyczne: rozkłady materiału, plany nauczania, plany wynikowe, scenariusze przykładowych lekcji materiały dydaktyczne i ćwiczeniowe klucze odpowiedzi do zeszytów ćwiczeń

52 Kształcimy zawodowo! Największa oferta publikacji zawodowych w Polsce podręczniki repetytoria i testy przygotowujące do egzaminów seria Pracownie do praktycznej nauki zawodu ćwiczenia do nauki języków obcych zawodowych dodatkowe materiały dla nauczycieli na uczę.pl wszystkie treści zgodne z nową podstawą programową Skuteczne przygotowanie do nowych egzaminów potwierdzających kwalifikacje w zawodzie Wszystkie nasze publikacje można zamówić w księgarni internetowej sklep.wsip.pl