Maszyny elektryczne Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Podział maszyn elektrycznych Transformatory - energia prądu przemiennego jest zamieniana w energię prądu przemiennego o innych parametrach. Prądnice energia mechaniczna jest zamieniana w energię elektryczną. Silniki energia elektryczna jest zamieniana w energię mechaniczną. Prądnice i silniki możemy podzielić na maszyny: prądu stałego prądu przemiennego
Podział maszyn prądu przemiennego: transformatory maszyny indukcyjne (asynchroniczne) maszyny synchroniczne Podział maszyn prądu stałego: szeregowe bocznikowe obcowzbudne z magnesami trwałymi
Elementy maszyn wirujących: Magneśnica (składa się z elektromagnesów lub magnesów stałych, stanowi źródło pola magnetycznego). Twornik (jest w nim wytwarzana SEM (prądnica) lub siły elektrodynamiczne (silnik). Część maszyny nieruchomą nazywamy stojanem, a wirującą nazywamy wirnikiem.
Każdą maszynę charakteryzują: napięcie znamionowe prąd znamionowy współczynnik mocy (maszyny prądu przemiennego) częstotliwość znamionowa (maszyny prądu przemiennego) moc znamionowa sprawność prędkość obrotowa masa
Transformatory. Służą one do zwiększania lub obniżania napięcia i prądu. Składają się z: uzwojenia pierwotnego (dolnego napięcia) cewki o liczbie zwojów N DN (N 1 ), uzwojenia (lub kilku uzwojeń) wtórnego (górnego napięcia) n- cewki o liczbie zwojów N GN (N 2 ), rdzenia wykonanego z pakietowanych blach, na którym nawinięte są uzwojenia.
Transformator jednofazowy: budowa i schemat W transformatorze energia jest przenoszona między uzwojeniami w oparciu o elektromagnetyczne oddziaływanie sprzężonych ze sobą magnetycznie uzwojeń.
Stosunek liczby zwojów transformatora określa nam przekładnia zwojowa n z : Zależności między prądami i napięciami strony pierwotnej i wtórnej określa przekładnia napięciowa K: Moc po obu stronach transformatora jest taka sama i wynosi: S = U 1 I 1 = U 2 I 2
Transformator może pracować w jednym ze stanów: jałowym obciążenia zwarcia Transformatory mają wysoką sprawność energetyczną, nie przekraczającą często 1% mocy znamionowej.
Transformatory trójfazowe
Metody połączenia uzwojeń transformatora trójfazowego: a) gwiazda, b) trójkąt, c) zygzak
Podstawowe typy transformatorów: energetyczne jednofazowe autotransformatory przekładniki prądowe i napięciowe transformatory bezpieczeństwa (U 2 = 24V) transformatory separacyjne (1:1) Autotransformator
Transformatory
Maszyny komutatorowe prądu stałego i przemiennego. Ich charakterystycznym elementem jest komutator pierścień złożony z segmentów wykonanych z materiału przewodzącego podzielonych materiałem izolacyjnym, umieszczonego na obrotowym wale. Poszczególne segmenty komutatora (działki) są połączone z uzwojeniami wirnika maszyny. Z zewnętrznym obwodem są one połączone poprzez ślizgające się po nim szczotki. Komutator umożliwia mechaniczną zamianę prądu stałego w przemienny i odwrotnie.
Zasada działania prądnicy prądu stałego: a) z komutatorem dwusegmentowym, b) z komutatorem czterosegmentowym.
Prądnica obcowzbudna prądu stałego
Schematy połączeń prądnicy prądu stałego: a) bocznikowej, b) szeregowej, c) szeregowo-bocznikowej
Silniki prądu stałego występują jako: szeregowe bocznikowe szeregowo-bocznikowe obcowzbudne z magnesami trwałymi Ich schematy są zbieżne ze schematami analogicznych prądnic. Zmianę kierunku wirowania uzyskujemy poprzez zamianę polaryzacji uzwojenia twornika lub wzbudzenia.
Charakterystyki mechaniczne silników prądu stałego: 1 bocznikowego, 2 szeregowo-bocznikowego, 3 szeregowego
Prędkość obrotową silnika prądu stałego regulujemy poprzez: zmianę rezystancji obwodu wirnika, zmianę rezystancji obwodu wzbudzenia, zmianę napięcia zasilania.
Silnik komutatorowy prądu stałego
Silnik prądu stałego Komutator Szczotka silnika prądu stałego
Silniki komutatorowe prądu przemiennego: Stosowane do zasilania z sieci jednofazowej. Stojan i wirnik są wykonane z blach. Posiadają duży moment rozruchowy i dużą prędkość obrotową. Można je zasilać również napięciem stałym.
Silniki indukcyjne (asynchroniczne). Wykonywane jako 1 i 3-fazowe. Są najpopularniejszymi z silników prądu zmiennego. Zasada działania opiera się o wykorzystanie wirującego pola magnetycznego uzyskanego w wyniku nakładania się na siebie zmiennych pól magnetycznych wytworzonych w uzwojeniach stojana. Pole to poprzez indukcję magnetyczną wzbudza w uzwojeniach wirnika przepływ prądu i pociąga go za sobą. Wirnik wiruje zawsze wolniej od pola stojana (asynchronizm). Różnica w prędkości wirowania wirnika i pola stojana w odniesieniu do prędkości pola stojana stanowi tzw. poślizg.
Silniki indukcyjne ze względu na konstrukcję wirnika dzielimy na: klatkowe (wirnik stanowi klatka z prętów połączonych na końcach pierścieniami zwierającymi), pierścieniowe (wirnik posiada uzwojenia wyprowadzone na zewnątrz za pośrednictwem pierścieni ślizgowych. Uzwojenia silników mogą być połączone: w gwiazdę, w trójkąt. Często podczas rozruchu maszyny indukcyjnej (najczęściej klatkowej) stosuje się metodę przełączania uzwojeń: gwiazda-trójkąt.
Połączenie uzwojeń w gwiazdę i w trójkąt.
Wirnik klatkowy Wirnik pierścieniowy z rezystorami rozruchowymi
Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest proporcjonalna do częstotliwości zasilania. Zależy również od ilości par biegunów stojana. Nieznacznie zależy też od obciążenia silnika i jego napięcia zasilania. W silnikach pierścieniowych zależy również od napięcia na pierścieniach wirnika (wartości wpiętych tam rezystorów). Obecnie najpopularniejszą metodą jej regulacji jest regulacja częstotliwości zasilania silnika indukcyjnego realizowana za pośrednictwem falowników energoelektronicznych. M f ωm Charakterystyka mechaniczna dla różnych częstotliwości zasilania silnika
Jednofazowe silniki indukcyjne. Składają się ze stojana o uzwojeniu dwufazowym i wirnika klatkowego. Dla jego rozruchu niezbędne jest stworzenie kondensatorowego uzwojenia rozruchowego, w którym prąd jest przesunięty w fazie, co pozwala na stworzenie pola wirującego i rozruch silnika. Jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorowym uzwojeniem rozruchowym (pojedynczy i podwójny kondensator)
Silniki indukcyjne
Maszyny synchroniczne. Najczęściej wykorzystywane jako generatory prądu zmiennego, rzadziej jako silniki. Wirują zawsze z tą samą prędkością obrotową niezależnie od obciążenia. Składają się z: stojana wirnika (z magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego) - z biegunami jawnymi (w maszynach o małych prędkościach) - z biegunami utajonymi (w maszynach szybkobieżnych)
Schemat maszyny synchronicznej a) b) Maszyna synchroniczna z biegunami a) jawnymi, b) utajonymi
W prądnicy synchronicznej wirnik zasilany prądem stałym obraca się, wytwarzając wokół siebie pole magnetyczne wirujące z taką samą prędkością jak sam wirnik. Przecina ono uzwojenia stojana, indukując w nim zmienne SEM. Uzyskane w ten sposób napięcie można wykorzystać do zasilania innych odbiorników. Jego częstotliwość zależy od prędkości obrotowej wirnika i jest z nią ściśle zsynchronizowana. Prądnice takie wykorzystujemy głównie w elektroenergetyce (elektrownie). Mogą one pracować samotnie lub w pracy równoległej z innymi generatorami (system elektroenergetyczny). W przypadku pracy równoległej konieczna jest synchronizacja prądnicy (generatora) z siecią. Synchronizuje się poziom napięcia, częstotliwość i zgodność faz.
Generator synchroniczny Alternatory. Są to prądnice synchroniczne pracujące w pojazdach samochodowych. Uzyskane z nich napięcie jest regulowane (poprzez regulator napięcia zmieniający napięcie zasilające magnes wirnika), a następnie prostowane i podłączone do akumulatora.
Silniki synchroniczne. Są kłopotliwe w użyciu. Wymagają specjalnych układów rozruchowych. Jednocześnie zapewniają stałą prędkość niezależnie od obciążenia. Mogą być wykorzystywane do kompensacji cos ϕ. Literatura: J.Nowicki Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN WSiP 1999