PRĄDNICE I SILNIKI Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Prądnice i silniki (tzw. maszyny wirujące) W każdej maszynie można wyróżnić: - magneśnicę i twornik, - stojan i wirnik. magneśnica Składa się z elektromagnesów lub magnesów trwałych, stanowiąc źródło pola magnetycznego. twornik Wytwarzana jest w nim SEM (prądnica) lub siły elektrodynamiczne (silnik). stojan Nieruchoma część maszyny. Może być magneśnicą lub twornikiem. wirnik Obraca się na wale wewnątrz stojana. Jeśli magneśnica jest stojanem, to twornik jest wirnikiem. Jeśli magneśnica jest wirnikiem, to twornik jest stojanem. 2
Prądnica prądu przemiennego model: 3
4
Maszyny komutatorowe Komutator - umożliwia przekształcenie prądu przemiennego na stały. Jest mechanicznym prostownikiem. Komutacja - zmiana zwrotu prądu w zwoju. 5
Prądnica prądu stałego z komutatorem 2-segmentowym 6
Prądnica prądu stałego z komutatorem 4-segmentowym 7
Typy prądnic prądu stałego 1) prądnice z magnesami trwałymi pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy trwałe 2) prądnice obcowzbudne uzwojenia elektromagnesów są zasilane z obcego źródła napięcia: 8
3) prądnice samowzbudne uzwojenia elektromagnesów są zasilane napięciem wytwarzanym przez samą prądnicę: 9
Silniki elektryczne Wykorzystywane w nich zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej. Oddziałuje ona na znajdujący się w polu magnetycznym przewodnik, przez który płynie prąd: F B I l sin Reguła lewej dłoni. 10
Silniki prądu stałego (komutatorowe) analogiczne do prądnic prądu stałego W silniku prądu stałego komutator pełni funkcję odwrotną niż w prądnicy: powoduje, że prąd stały dostarczony ze źródła napięcia zmienia w wirniku kierunek przepływu. Dzięki temu przemienny prąd w wirniku oddziałuje ze stałym polem magnetycznym wytwarzanym przez stojan, sprawiając że na wirnik zaczyna działać moment obrotowy. model: 11
12
Rodzaje silników komutatorowych (w zależności od sposobu zasilania magneśnicy): - szeregowy używany do napędu urządzeń wymagających dużego momentu rozruchowego (np. rozruszniki silników spalinowych, napędy dźwigów, tramwajów, lokomotyw) - bocznikowy - szeregowo-bocznikowy - obcowzbudny - z magnesami trwałymi Kierunek w jakim się obraca silnik zależy od biegunowości doprowadzonego napięcia stałego. 13
Silniki komutatorowe prądu przemiennego Są przeznaczone do zasilania z sieci jednofazowej. Szerokie zastosowanie w gospodarstwach domowych (miksery, odkurzacze, wiertarki). Charakteryzują się dużą prędkością obrotową. W większości silniki te można zasilać zarówno napięciem stałym, jak i przemiennym. 14
model: Silnik indukcyjny 1) Magnes trwały obraca się z prędkością obrotową n p 2) Pole magnetyczne indukuje w prętach SEM, np. e a = B l v 3) Pręty są zwarte poprzez pierścienie, więc prętami płyną prądy i a, i b, i c 4) Prądy płynące prętami oddziaływują z polem magnetycznym, więc na każdy pręt działa siła: F = B i l 5) Siły działające na poszczególne pręty wytwarzają elektromagnetyczny napędowy moment obrotowy M. 6) Klatka obraca się zgodnie z kierunkiem obrotu pola magnetycznego (kierunkiem wirowania magnesu). 15
W miarę wzrostu prędkości obrotowej klatki maleje względna prędkość ruchu klatki i pola magnetycznego. Wskutek powyższego: - maleją indukowane SEM - w związku z powyższym maleją prądy - w związku z powyższym maleją siły F - w związku z powyższym maleje moment obrotowy M Wniosek : Prędkości obrotowe klatki i magnesu nie mogą się zrównać. (bo wówczas byłoby: i = 0 F = 0 M = 0) 16
Zachodzi więc: n < n p Czyli klatka (wirnik) obraca się z pewnym poślizgiem w stosunku do pola magnetycznego. Nie są ze sobą zsynchronizowane. stąd silniki indukcyjne nazywane są silnikami asynchronicznymi poślizg = względna różnica prędkości obrotowej wirującego pola magnetycznego i wirnika: s = (n p - n) / n p n = n P (1 - s) Przeciętna wartość poślizgu przy znamionowym obciążeniu silnika: s = 0,02 0,05 17
Czy omówiony model jest silnikiem elektrycznym? Nie, bo nie ma przekształcenia energii elektrycznej na energię mechaniczną. 18
Pole magnetyczne wirujące Wykorzystywane jest w silnikach zamiast magnesu trwałego. Powstawanie pola wirującego: 1. Każda cewka podłączona jest do innej fazy (zasilanie 3-fazowe). 2. Wokół każdej cewki wytwarza się pulsujące pole magnetyczne. 19
3. Trzy nieruchome w przestrzeni pola pulsujące poszczególnych cewek wytwarzają wypadkowe pole magnetyczne. 20
4. To wypadkowe pole magnetyczne wiruje ze stałą prędkością względem nieruchomego układu cewek. 21
stojan silnika indukcyjnego 1 - żeliwna lub stalowa obudowa, 2 - pierścień z blach z wyciętymi żłobkami, 3 - uzwojenia ułożone w żłobkach zasilane z sieci 3-fazowej, wytwarzające wirujące pole magnetyczne 22
Typy silników indukcyjnych ze względu na budowę wirnika 1) klatkowe Wirnik klatkowy: 1 - pręty z miedzi lub aluminium, 2 - pierścienie zwierające Najczęstsze zastosowania tych silników: napęd obrabiarek, maszyn przemysłowych, dźwigów itp. 23
Przekrój silnika klatkowego: 1 - wał, 2 - skrzynka zaciskowa, 3 - wirnik klatkowy, 4 - wentylator, 5 - kadłub, 6 - uzwojenia stojana 24
Typy silników indukcyjnych ze względu na budowę wirnika 2) pierścieniowe Wirnik pierścieniowy: 1 - pierścienie, 2 - szczotki, r P - rezystory rozruchowe Wirnik ma uzwojenie 3-fazowe takie jak stojan. Końce uzwojeń faz wirnika są połączone z trzema odizolowanymi od siebie i wału pierścieniami mosiężnymi. 25
Pierścieniowy silnik indukcyjny: a) wygląd zewnętrzny, b) wirnik silnika 26
Eksploatacja silników indukcyjnych trójfazowych - zmiana kierunku obrotów Trzeba zmienić zwrot wirowania pola magnetycznego. Realizacja - zamiana ze sobą dwóch faz (odpowiednie przełączniki). - regulacja prędkości obrotowej zmiana rezystancji w obwodzie uzwojeń wirnika (silniki pierścieniowe) zmiana liczby par biegunów zmiana częstotliwości sieci zasilającej (przetwornice częstotliwości) - hamowanie mechaniczne elektryczne (tzw. praca hamulcowa silnika) - odłączenie zasilania stojana i przyłączenie go do źródła napięcia stałego, - hamowanie przez przeciwwłączenie (przeciwny kierunek obrotów) 27
Jednofazowy silnik indukcyjny Zasilanie z jednej fazy nie można uzyskać wirującego pola magnetycznego. Samoczynnie nie powstaje więc moment rozruchowy. Wirnik będzie się obracał w tę stronę, w jaką nada mu się początkowy moment rozruchowy (w tym celu - dodatkowe uzwojenie rozruchowe). Najczęstsze zastosowania: napęd sprężarek lodówek, napęd pralek. 28