Maszyny prądu sałego - charakerysyki Dwa podsawowe uzwojenia w maszynach prądu sałego, wornika i wzbudzenia, mogą być łączone ze sobą w różny sposób (Rys. 1). W zależności od ich wzajemnego połączenia możliwe jes kszałowanie charakerysyk uzyskując różne efeky działania. Rys. 1 Różne sposoby połączeń uzwojenia wzbudzenia w obwodem wornika: (a) maszyna obcowzbudna (b) maszyna szeregowa. (c) maszyna bocznikowa. (d) połączenia mieszane (bocznikowo-szeregowe) [6]. Rys. 2 Schema połączeń generaora obcowzbudnego [6]. Najczęściej obecnym sosowaną maszyną prądu sałego (Rys. 2) są maszyny obcowzbudne, gdzie obwód wzbudzenia jes zasilany z odrębnego źródła zasilania. Prędkość wirowania wirnika w generaorach jes wymuszona prędkością urbiny i w analizach przyjmujemy, że prędkość jes warością sałą. Warość napięcia na zaciskach wornika jes zależna od napięcia indukowanego (siły elekromoorycznej) oraz warości rezysancji w obwodzie: Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 1
U k R I (1) Przyjęcie założenia o sałej prędkości i sałej warości srumienia powoduje że zależność pomiędzy napięcia na zaciskach jes liniowo zależna od prądu wornika (Rys. 3a). Uwzględnienie poprzecznej reakcji wornika spowoduje, że przy większych warościach prądu nasępuje zmniejszenie srumienia, sąd rzeczywisy kszał charakerysyki zewnęrznej pokazano na Rys. 3b. Warość napięcia na zaciskach przy biegu jałowym generaora jes równa sile elekromoorycznej: U 0 k (2) Prąd zwarcia jes wymuszony przez siłę elekromooryczną i ograniczony jedynie rezysancją w obwodzie wornika: I z k R c (3) Rys. 3 Charakerysyka zewnęrzna generaora obcowzbudnego. I Warość prądu przy obciążeniu rezysancją o warości R można obliczyć wg. zależności: k R R c Generaory prądu sałego częso sosuje się jako model obciążenia silnika. Zmiana prądu obciążenia powoduje bowiem zmianę momenu maszyny: M e ki (5) Generaor prądu sałego można zbudować łącząc bocznikowo uzwojenie wzbudzenia i wornika (Rys. 4). Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 2 (4)
Rys. 4 Schema połączeń generaora bocznikowego [6]. Rys. 5 Proces samowzbudzenia w generaorze bocznikowym [6]. Jeśli po rozpędzeniu wirnika do prędkości włączymy wyłącznik SW, o na skuek isnienia remanenu magneycznego w uzwojeniu wornika zaindukuje się siła elekromooryczna Ear (Rys. 5). Taka warość siły elekromoorycznej spowoduje w sanie usalonym przepływ prądu ograniczonego sumaryczną rezysancję w obwodzie wzbudzenia i wornika i spowoduje przepływ prądu If1 przez uzwojenie wzbudzenia. Prąd en wyworzy srumień, kóry przy prawidłowym połączeniu uzwojeń, spowoduje wzros srumienia magneycznego a ym samym wzros siły elekromoorycznej do warości Ea1. Syuacja aka powórzy się aż do momenu, gdy warość siły elekromoorycznej będzie równa spadkowi napięcia na sumarycznej rezysancji obwodu (punk P na Rys. 5. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 3
Rys. 6 Rezysancja kryyczna w generaorze bocznikowym [6]. Proces samowzbudzenia przebiega poprawnie, gdy warość rezysancji w obwodzie będzie mniejsza od zw. rezysancji kryycznej (Rys. 6). Warunkiem koniecznym jes akże odpowiednie połączenie począków i końców uzwojenia wzbudzenia i wornika w aki sposób, by prąd płynący na skuek remanenu magneycznego zwiększał wypadkową warość srumienia. W syuacji błędnego połączenia (lub nieprawidłowego kierunku obrou wału wirnika) proces samowzbudzenie nie nasąpi maszyna ma endencje do rozmagnesowania. Taki sposób połączeń nazywa się połączeniem samobójczym. W przypadku, gdy w obwodzie wysępuje ylko rezysancja uzwojeń (brak dodakowej rezysancji w obwodzie wzbudzenia), proces samowzbudzenia nasąpi jedynie przy odpowiednio dużej prędkości obroowej. Jaj warość minimalna nazywana jes prędkością kryyczną. Rys. 7 Obciążenie generaor bocznikowego [6].. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 4
Po wzbudzeniu się generaora można podłączyć do zacisków wornika rezysancję obciążenia. Wraz ze wzrosem prądu wornika zmieniać się akże będzie napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia. Pojawi się spadek napięcia na rezysancji w obwodzie wornika, co spowoduje zmianę prądu wzbudzenia oraz zmniejszenie siły elekromoorycznej. Przy zerowej warości prądu na zaciskach wornika będzie wysępować napięcie równe Vp (Rys. 7). W sanie usalonym pionowy odcinek IaRa reprezenuje spadek napięcia na rezysancji wornika. Odcinek qbn jes równiolegóły do 0p, dlaego pq=ab=mn=ia1ra. Maksymalną warość prądu obciążenia wysąpi w momencie gdy pojawi się maksymalne odchylenie przebiegu siły elekromoorycznej od linii prosej 0p. Zwarcie zacisków wornika spowoduje akże zwarcie uzwojenia wzbudzenia. W akim przypadku o warości siły elekromoorycznej decyduje srumień remanenu magneycznego, a prąd zwarcia jes mniejszy od prądu znamionowego ej maszyny i jes równy: I sc E R ar c k R ar c (6) Rys. 8 Charakerysyka zewnęrzna generaora bocznikowego [6]. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 5
W przypadku pracy silnikowej (Rys. 9) maszyny momen elekromagneyczny Me jes równy momenowi obciążenia M0: M e k I (7) M 0 Prąd wornika jes zaem wymuszony warością momenu obciążenia i zależy akże od srumienia w maszynie: M k 0 I (8) Prędkość wirowania wału wirnika jes zaem związana z warością napięcia zasilającego oraz spadku napięcia na rezysancji wornika: U (9) R I k Rys. 9 Schema połączeń silnika obcowzbudnego [6]. Rys. 10 Charakerysyka mechaniczna silnika obcowzbudnego: a) obwód magneyczny liniowy, b) uwzględnienie poprzecznej reakcji wornika. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 6
Zależność a opisuje, przy sałej warości srumienia, linię prosą pokazaną na Rys. 10a. Prędkość idealnego biegu jałowego (M0=0), jes zależna od napięcia zasilającego oraz srumienia magneycznego: U k 0 (10) Prąd zwarcia wysępuje przy prędkości równej zero: U I z R M Momen zwarcia jes proporcjonalny do srumienia magneycznego: z ki z (12) W przypadku uwzględnienia zmniejszenia się srumienia na skuek poprzecznej reakcji wornika momen zwarcia jes mniejszy niż w przypadku pominięcia nasycenia obwodu magneycznego (Rys. 10b). Kszał charakerysyk mechanicznych maszyny obcowzbudnej prądu sałego jes zależny od napięćia zasilającego (Rys. 11), sumarycznej rezysancji w obwodize wornika (Rys. 12), oraz różnych warości srumienia wywarzanego przez prąd wzbudzenia (Rys. 13). (11) Rys. 11 Charakerysyka mechaniczna silnika obcowzbudnego dla różnych warości napięcia wornika. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 7
Rys. 12 Charakerysyka mechaniczna silnika obcowzbudnego dla różnych warości rezysancji w obwodzie wornika. Rys. 13 Charakerysyka mechaniczna silnika obcowzbudnego dla różnych prądu wzbudzenia. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 8
Rys. 14 Schema połączeń silnika bocznikowego [6]. Rys. 15 Charakerysyka mechaniczna silnika bocznikowego dla różnych warości napięcia wornika. Silnik bocznikowy prądu sałego ( Rys. 14) zachowuje się podobnie do maszyny obcowzbudnej jedynie przy sałej warości napięcia wornika. Napięcia na zaciskach wornika jes jednocześnie napięciem wzbudzenia, sąd jego zmiana powoduje proporcjonalną (przy założeniu liniowości obwodu magneycznego) zmianę srumienia, sąd maszyna a inaczej reaguje na zmianę napięcia zasilającego. Należy akże podkreślić, że dla silnika bocznikowego obciążonego momenem znamionowym niedopuszczalne jes zmniejszanie napięcia zasilającego. Taka zmiana powoduje bowiem zmniejszenie srumienia i zwiększenie prądu wornika powyżej jej warości znamionowej. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 9
Rys. 16 Schema połączeń silnika szeregowego [6]. Rys. 17 Charakerysyka mechaniczna silnika szeregowego dla liniowego obwodu magneycznego oraz uwzględniającego nasycenie. W silniku szeregowym prądu sałego (Rys. 16) warość prądu wzbudzenia jes jednocześnie prądem wornika. Przy pominięciu nasycenia obwodu magneycznego warość srumienia jes zaem proporcjonalna do prądu wornika: k ci (13) Momen elekromagneyczny jes równy: 2 Me ci (14) Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 10
Rys. 18 Charakerysyka mechaniczna silnika szeregowego różnych warości rezysancji w obwodzie wornika (pominięcie nasycenia obwodu magneycznego). Rys. 19 Charakerysyka mechaniczna silnika szeregowego różnych warości napięcia wornika (pominięcie nasycenia obwodu magneycznego). Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 11
Prędkość wirowania wirnika wyraża się zależnością: U R I ci U ci R c (15) Kszał charakerysyk mechanicznych dla różnych warości rezysancji w obwodzie wornika pokazano na Rys. 18 dla różnych napięć zasilających na Rys. 19. Prąd wornika jes wymuszony przez momen obciążenia, sąd w maszynie szeregowej wysępuje zmiana wzbudzenia w szerokim zakresie pracy i niewąpliwie przy większych warościach prądu obwód magneyczny będzie silnie nasycony, sąd uwzględnienie nasycenia powoduje, że od pewnej warości prądu wornika srumień prakycznie się nie zwiększy i wówczas prędkość wirnika można wyrazić zależnością: U R I k nas Charakerysyka mechaniczna przy silnym nasyceniu przechodzi zaem w linię prosą (Rys. 17). (16) Rys. 20 Charakerysyka mechaniczna silnika bocznikowego z dozwojeniem szeregowym. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 12
W prakyce używa się częso dwóch źródeł pola magneycznego. Oprócz bocznikowego (obcowzbudnego) uzwojenia sosuje się jednocześnie dozwojenie szeregowe. Prędkość obroowa zależy wówczas zarówno od prądu wzbudzenia jak i od prądu wornika, a prędkość obroową można wówczas obliczać wg. zależności: U R I k ci (17) Kszał charakerysyk uzależniony jes od sposobu podłączenia dozwojenia szeregowego. Może ono wywarzać pole magneyczne w kierunku przeciwnym do pola wywarzanego przez uzwojenie bocznikowe (obcowzbudne). Rozwiązanie akie sosuje się częso w celu uszywnienia charakerysyki mechanicznej silnika bocznikowego (Rys. 20a). Teoreycznie można ak dobrać część pola wywarzaną przez dozwojenie szeregowe by ze wzrosem prądu prędkość nie zmieniała się (Rys. 20b) (pełnia kompensacja spadku napięcia na rezysancji wornika). Możliwy jes nawe san, gdy ze wzrosem obciążenia rośnie prędkość (Rys. 20c) W prakyce, przy prądzie wornika większym od ok 80% prądu znamionowego, reakcja poprzeczna wornika powoduje zmniejszenie srumienia i niemożliwe jes uzyskanie linii prosej jako charakerysyki mechanicznej w maszynach prądu sałego. Możliwe jes akże kszałowanie charakerysyki mechanicznej poprzez sosowanie połączenia wzmacniającego pole wraz ze wzrosem prądu wornika (Rys. 20d) powodując, że ze wzrosem obciążenia prędkość maleje szybciej niż wynika ze spadku napięcia na rezysancji wornika. Efeky podobne do opisanych wyżej uzyskuje się akże w syuacji, gdy wysuwamy szczoki ze srefy neuralnej (wpływ podłużnej reakcji wornika). Lieraura: [1] Rene Le Doeuff, Mohamed El Hodi Zaim: Roaing Elecrical Machines. John Wiley & Sons Inc., Hoboken 2010 [2] Wildi Theodore: Elecrical Machines, Drives and Power Sysems. Pearson Educaion, New Jersey 2006 [3] Chapman Sephen J.: Elecrical Machinery Fundamenals. McGraw Hill, New York 2005 [4] Fizgerald A. E., Kingsley Ch., Unmans S. D.: Elecric Machinery. McGraw Hill Higher Educaion 2003 [5] Paul C. Krause, Oleg Wasynczuk, Sco D. Sudhoff: Analysis of Elecric Machinery and Drive Sysems. John Wiley & Sons Inc. IEEE Press Piscaaway, New York 2002 [6] Sen P. C.: Principles of elecric machines and power elecronics. Queen s Universiy, Kingson, Onario, Canada, John Wiley & Sons, 1998. Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 13
[7] Syed Nasar: Elecric machines and elecromechanics, Schaum s ouline series, McGraw Hill, New York, 1998. [8] Przyborowski W., Kamiński G.: Maszyny elekryczne, Oficyna Wydawnicza Poliechniki Warszawskiej, Warszawa 2014. [9] Miew E., Maszyny Elekryczne, T1, T2, Wyd. Poliechniki Radomskiej, Radom 2005 [10] Maulewicz W., Maszyny elekryczne w elekroenergeyce, PWN, Warszawa 2005 [11] Plamizer A.: Maszyny elekryczne. WNT, Warszawa 1982 Sołbu Adam Białysok 2016 sr. 14