Temat: Maszyny synchroniczne specjalne (kompensator synchroniczny, prądnica tachometryczna synchroniczna, silniki reluktancyjne, histerezowe, z magnesami trwałymi. 1. Kompensator synchroniczny. - kompensator synchroniczny, to właściwie silnik synchroniczny biegnący jałowo (rys.7.41) i odpowiednio wzbudzony; - pobiera z sieci nieznaczną moc czynną na pokrycie wszelkich strat w maszynie oraz właściwą dla jego pracy moc bierną pojemnościową; - pobiera moc bierną pojemnościową, wydając jednocześnie moc bierną indukcyjną, przez co poprawia bilans mocy biernej w sieci, w której pracuje wiele odbiorników o charakterze indukcyjnym; - aby kompensator synchroniczny pobierał moc bierną pojemnościową, musi być przewzbudzony; - podstawową charakterystyką kompensatora synchronicznego jest zależność I = f(i f ) przy U = const, f = const, 0; - charakterystyka ta pokazuje jak należy regulować prąd wzbudzenia, aby uzyskać pożądaną zmianę prądu obciążenia; BUDOWA Jeżeli maszyna synchroniczna służy wyłącznie do kompensacji mocy biernej i nie jest przewidziana ani do pracy silnikowej, ani do pracy prądnicowej, to jej wał przenosi znikomo małe momenty w porównaniu z silnikami czy prądnicami o takich samych wymiarach. Z tego względu średnica wału kompensatora jest nietypowo mała, przy czym końce wału nie są wyprowadzone na zewnątrz obudowy. str. 1
2. Prądnica tachometryczna synchroniczna. - zasada działania i budowa prądnic tachometrycznych synchronicznych jest analogiczna do zasady działania i budowy zwykłych prądnic synchronicznych z tym, że najczęściej są to prądnice jednofazowe z magnesami trwałymi umieszczonymi w wirniku; - napięcie indukowane w tworniku jest proporcjonalne do częstotliwości, a więc i do prędkości obrotowej; - do prędkości obrotowej są także proporcjonalne reaktancje wewnętrzne prądnicy i reaktancje zewnętrzne obwodów, co powoduje nieliniowość charakterystyk U = f(n) tych prądnic; - wadą jest to, że prądnice te nie są stosowane jako człony układów automatyki; - zaletami są: prosta budowa, brak styku ślizgowego; - zastosowanie: wskaźniki prędkości (wraz z odpowiednio wyskalowanym woltomierzem) 3. Silniki reluktancyjne. - silniki reluktancyjne to silniki synchroniczne budowane jako jawno biegunowe bez uzwojeń wzbudzających; - jedynym momentem występującym w takim silniku jest moment reluktancyjny, który pojawia się mimo braku wzbudzenia, wskutek dynamicznego działania pola magnetycznego na element magnetycznie niesymetryczny wykonany z materiału ferromagnetycznego; - w wyniku tego działania wirnik dąży do zajęcia takiego położenia (rys. 7.42a) względem stojana, przy którym reluktancja dla strumienia jest najmniejsza; - moment reluktancyjny nie powstanie w przypadku elementu magnetycznie symetrycznego względem dowolnej osi (rys. 7.42b); - silnik reluktancyjny podobnie jak silnik synchroniczny ze wzbudzeniem, nie rozwija momentu rozruchowego i dlatego wirnik takiego silnika musi być doprowadzony do stanu synchronizmu; str. 2
- silniki reluktancyjne mają w stojanie uzwojenie trójfazowe zasilane z sieci trójfazowej lub dwufazowe z kondensatorem w jednej fazie, zasilane z sieci jednofazowej; - silnikami reluktancyjnymi są również: a) silniki impulsowe W silniku impulsowym wykorzystuje się również różnicę reluktancji przy różnych położeniach wirnika względem stojana. Silnik ten ma wystające bieguny również i na stojanie (rys. 7.44). Na biegunach stojana jest umieszczone uzwojenie skupione. Szerokość biegunów stojana i wirnika jest jednakowa. Uzwojenie wzbudzające (na stojanie) jest zasilane prądem impulsowym. Gdy silnik znajduje się w ruchu synchronicznym, każdy impuls powoduje obrót wirnika o podziałkę żłobkową. Prędkość obrotowa nie zależy od liczby biegunów stojana, a jedynie od liczby żłobków wirnika Q 2 i wynosi: 60 Silnik nie ma momentu rozruchowego, a więc aby go uruchomić trzeba mu nadać prędkość początkową, od której też zależy kierunek ruchu silnika, gdyż może być on dowolny. W przypadku zasilania silnika prądem przemiennym, wirnik obraca się o podziałkę żłobkową w każdym półokresie prądu. W rezultacie prędkość wirnika ulega podwojeniu: 60 Moment obrotowy silnika ma charakter pulsujący. 2 str. 3
b) silniki reduktorowe - silnik reduktorowy jest stosowany wtedy, gdy zachodzi potrzeba uzyskania bardzo małych prędkości kątowych; - silniki reduktorowe mogą mieć różne konstrukcje (rys. 7.45) BUDOWA - silnik składa się ze stojana w kształcie pierścienia oraz wirnika wykonanych z blach prądnicowych; - stojan, jak również wirnik mają półkoliste żłobki; - liczby żłobków stojana i wirnika są różne; - na stojanie jest nawinięte uzwojenie toroidalne, które składa się z czterech części obejmujących po ¼ części obwodu stojana, jeśli ma być zasilane z sieci jednofazowej lub z trzech części jeśli ma być zasilane z sieci trójfazowej str. 4
ZASADA DZIAŁANIA Uzwojenie stojana wytwarza pole wirujące. Wirnik jedna nie obraca się synchronicznie z polem wirującym. Jeśli w początkowej chwili oś strumienia jest zgodna z kierunkiem A a (najmniejsza szczelina jest między zębami 1 i 1 oraz 9 i 10 ), to w następnej chwili, gdy oś strumienia jest zgodna z kierunkiem B b, wirnik obróci się tylko tyle, aby szczelina między zębami 2 i 2 oraz 11 i 10 była najmniejsza. Gdy pole obróci się o kąt 2π, wirnik obróci się do położenia, w którym zęby 1 i 17 będą naprzeciw siebie, to znaczy obróci się o dwie podziałki żłobkowe. - liczba zębów jest znacznie większa i prędkości obrotowe silników reduktorowych są rzędu kilkudziesięciu obrotów na minutę 4. Silniki histerezowe. - silnikami histerezowymi nazywa się silniki synchroniczne, w których wykorzystuje się zjawisko histerezy magnetycznej; - wirniki tych silników są wykonane całkowicie lub częściowo w postaci pierścienia z twardej stali o szerokiej pętli histerezy; - często jest stosowana konstrukcja odwrócona w tym sensie, że nieruchomy uzwojony stojan jest umieszczony wewnątrz wirnika, którego część czynna znajduje się po stronie wewnętrznej (rys. 7.49); - niektóre wirniki silników histerezowych są wykonywane ze sproszkowanych spiekanych materiałów magnetycznych; - moment obrotowy w takim silniku zależy jedynie od objętości wirnika i jednostkowych strat histerezowych; ZALETY duży moment rozruchowy; niewielki prąd rozruchowy (o 20 30% większy od prądu jałowego); płynne wchodzenie w synchronizm ; cicha praca tak w zakresie podsynchronicznym, jak i synchronicznym. str. 5
WADY duży koszt; mały współczynnik mocy; kołysanie. ZASTOSOWANIE napędy magnetofonów; napędy gramofonów; napędy zegarów elektrycznych; napędy żyroskopów. 5. Silniki z magnesami trwałymi. - najbardziej rozpowszechnionym silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych jest silnik Merilla, zwany również permasynem; - uzwojenie stojana (najczęściej jednofazowe, z fazą pomocniczą jak w jednofazowym silniku indukcyjnym) wytwarza pole wirujące; - silnik synchroniczny nie ma momentu rozruchowego, więc na wirniku umieszcza się klatkę rozruchową; - rozruch jest asynchroniczny, a po osiągnięciu prędkości bliskiej synchronicznej następuje wciągnięcie w synchronizm dzięki działaniu magnesów trwałych; Na rysunku 7.47 przedstawiono silnik synchroniczny Merilla, w którym magnesy trwałe są wprasowane w blachy wirnika. - w blachach wirnika są wytłoczone żłobki, w których jest umieszczona klatka rozruchowa; - cztery żłobki, znajdujące się nad przerwami między biegunami magnesów trwałych, mają większą głębokość; - linie pola magnetycznego nie zmykają się przez blachy wirnika, lecz przechodzą przez szczelinę powietrzną do stojana; - w żłobkach stojana są umieszczone uzwojenia fazy głównej i pomocniczej; str. 6
- dobre parametry takiego silnika uzyskuje się stosując materiały magnetyczne o dobrych właściwościach; - silniki o mocy kilku watów mają specjalną konstrukcję zapewniającą im własny moment rozruchowy; - silnik o konstrukcji jak na rys. 7.48 ma 30 biegunów wzbudzanych prądem przemiennym; - wirnik ma 6 niesymetrycznych ramion z materiału magnetycznie twardego; - na każdym ramieniu znajdują się 2 występy o szerokości równej szerokości bieguna, oddalone od siebie o 1,5 lub 2 podziałki biegunowe stojana; - bieguny stojana zmieniają okresowo swą biegunowość i przyciągają na przemian, w obu kierunkach, niesymetryczne magnetycznie ramiona wirnika; - pole wytworzone w stojanie jest pulsujące, silnik taki nie ma określonego kierunku obrotów; - w celu nadania mu określonego kierunku obrotów stosuje się blokadę ruchu w jedną stronę za pomocą sprężyny spiralnej, zapadki. ZASTOSOWANIE Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są stosowane: w układach automatyki i zdalnego sterowania, do zegarów elektrycznych, do magnetofonów w urządzeniach do przesuwu taśmy z uwagi na stałość prędkości kątowej, w charakterze liczników impulsów. str. 7