Temat: ILIKI YCHROICZE W UKŁADACH AUTOMATYKI Zagadnienia: praca silnikowa prądnicy synchronicznej silnik o magnesach trwałych (permasyn) silnik reluktancyjny silnik histerezowy 1
Co to jest silnik synchroniczny? ILIKI YCHROICZE ilnik synchroniczny - maszyna prądu przemiennego, w której wirnik wiruje w stanie ustalonym z tą samą prędkością co pole magnetyczne stojana 60 f n = p n prędkość wirowania wirnika [obr/min], f częstotliwość prądu w uzwojeniach stojana [Hz], p liczba par biegunów. ilniki synchroniczne stosuje się tam gdzie potrzebna jest stała prędkość obrotowa. Jest to główna zaleta tych silników. Podstawową zaś wadą jest brak momentu rozruchowego i kołysanie wirnika w stanach nieustalonych. Jeżeli w maszynie synchronicznej pracującej prądnicowo, równolegle z siecią sztywną, zmniejszymy moc doprowadzoną do wału to wówczas pracuje ona jako silnik synchroniczny. 2
MOC I MOMET MAZYY YCHROICZEJ X s X X R I E m U Xs U Xx U R E U Z X s -reaktancja rozproszenia X X -reaktancja uzwojenia stojana R - rezystancja uzw. stojana Z - impedancja obciążenia chemat zastępczy obciążonej prądnicy nienasyconej z biegunami utajonymi 3
E m MOC I MOMET MAZYY YCHROICZEJ X s X X R I U Xs U Xx U R E U Z X >> R UXs + UXx = UX = I X E = U + U + U m X R Ε m A U X ϕ U Φ wyp ϑ ϕ C B D I Moc wyjściowa maszyny synchronicznej z trójkąta ABC AB UX P = 3UIcosϕ = cosϕ E E P = 3UI m sin ϑ = 3U m sin ϑ UX X to moment synchroniczny jest równy Φ m z trójkąta OAB ponieważ AB = Em sin ϑ M = P ω 3p UE πf X ϑ i 90 ω = O 2πf p M = m sin ϑ = Mm sin ϑ 2 4
MOC I MOMET MAZYY YCHROICZEJ M M m M s M 90 ϑ[ ] Charakterystyka kątowa maszyny synchronicznej dm dϑ = Ms = Mm cosϑ M s - moment synchronizujący 5
ZAADA DZIAŁAIA ILIKA YCHROICZEGO n 1 n ϑ n 1 n Przy idealnym biegu jałowym Moment synchroniczny silnika M 3 p U E = m sin ϑ 2 π f X Pod obciążeniem ϑ - kąt między osią magnetyczną pola stojana a osią geometryczną wirnika X- reaktancja wypadkowa E m -napięcie indukowane przez strumień U - napięcie uzwojenia stojana 6
PRACA ILIKOWA PRĄDICY YCHROICZEJ W nieruchomym silniku istnieje pole wirujące stojana i stałe (nieruchome) pole magnetyczne wirnika. Powstający zmienny moment obrotowy (którego średnia wartość w ciągu jednego obrotu jest równa zeru) nie jest w stanie wprowadzić w ruch obrotowy wirnik o dość dużym momencie bezwładności. Podstawową wadą silnika synchronicznego o budowie klasycznej jest brak momentu rozruchowego Metody rozruchu silnika synchronicznego: * rozruch asynchroniczny (najczęściej stosowany) * rozruch z dodatkowym silnikiem napędowym (sporadycznie) * rozruch częstotliwościowy (w specjalnych przypadkach-napęd śrub okrętowych) 7
ILIK YCHROICZY O MAGEACH TRWAŁYCH Permasyny - silniki synchroniczne małej mocy mające na wirniku zamiast wzbudzenia elektromagnetycznego wzbudzenie magnetyczne od magnesów trwałych Oprócz permasynów jako silniki małej mocy stosowane są silniki reluktancyjne, histerezowe oraz silniki skokowe. 2 3 1 ilnik synchroniczny (Mirella) 1 - magnes trwały 2 - blacha wirnika 3 - głęboki żłobek m UE M = m sin ϑ ω X s U- napięcie zasilania uzw. stojana E m - napięcie indukowane w uzwojeniu stojana m - liczba faz uzwojenia stojana ω s - synchroniczna prędkość kątowa 8
ZAADA POWTAWAIA MOMETU RELUKTACYJEGO Φ M r Φ = Θ R R m m = = z I R l µ m M r ϑ 180 ϑ 90 [ ] ϑ- kąt między osią magnetyczną pola stojana a osią geometryczną wirnika M r - moment reluktancyjny R m - reluktancja obwodu magnetycznego Θ- przepływ (siła magnetomotoryczna) 9
WIRIK ILIKA RELUKTACYJEGO Wirnik silnika reluktancyjnego o dwóch parach biegunów (p=2) 3 2 2 1 1- materiał niemagnetyczny 2 - rdzeń ferromagnetyczny 3 - pręty klatki 10
KOŁYAIE WIRIKA ILIKA YCHROICZEGO ϑ 2 ϑ 2 ϑ 1 ϑ 2 ω s ω s + ω M r 2 = m U 1 1 sin ϑ ω 2 X X 2 s q d X d - reaktancja synchroniczna podłużna odpowiadająca permeancji Λ d na drodze reakcji podłużnej wirnika i permeancji Λ X dróg strumieni roozproszenia X q - reaktancja synchroniczna poprzeczna w stanie ustalonym M r = M o 1 przy ϑ = ϑ 1 ω s + ω M r - moment reluktancyjny M o - moment obciążenia jeżeli nagle zmniejszymy obciążenie to M r > M o 2 ω s najpierw ' ϑ < ϑ 2 2 i M r < M o 2 " ϑ 2 > ϑ 2 M r > M o 2 następnie i wtedy aż nastąpi nowy stan ustalony przy ϑ = ϑ 2 11
KOŁYAIE WIRIKA ILIKA YCHROICZEGO M 1 M Dla małych kątów ϑ ϑ& & + m ϑ = 0 J Dla t = 0, ϑ = ϑ0 i ϑ& & = 0 Jeżeli silnik zostanie wyprowadzony z położenia równowagi stabilnej (0) przez siłę zewnętrzną, to będzie działał na niego moment M( ϑ) = M m sin ϑ adający wirnikowi przyspieszenie ϑ& & Ruch wirnika opisuje wtedy równanie ϑ& & + M m sin ϑ 0 J = -równanie oscylatora harmonicznego to położenie kątowe wirnika w danej chwili czasowej będzie opisywała zależność ϑ = ϑ M M m ϑ 1 0 [ ] cos( ot) 0 ω ϑ gdzie ω o = p M J m pulsacja drgań własnych wirnika 12
ILIK RELUKTACYJY Zalety: 1. Prosta budowa 2. iska cena 3. tała prędkość obrotowa Wady: 1. Brak momentu rozruchowego 2. Mały cosϕ 3. Mała sprawność 4. Kołysanie wirnika 13
ILIK YCHROICZY HITEREZOWY µ 1 1 µ 2 2 Przekrój wirnika: 1 - materiał magnetycznie twardy 2 - dia lub ferromagnetyk 1 - tarcza łożyskowa 2 - rdzeń ferro lub diamagnetyczny 3 - materiał histerezowy 4 - uzwojenie stojana 5 - obwód magnetyczny stojana 6 - korpus 7 - wał silnika 14
PORÓWAIE Hc RÓŻYCH MATERIAŁÓW MAGETYCZYCH Lp Materiał Hc ka/m Oe 1 tal krzemowa 0,032 0,4 2 top Alnico 48 600 3 Ferryt magnetycznie twardy 120 1500 4 Ferryt magnetycznie miękki 0,024 0,3 5 Permaloy 0,004 0,05 6 Materiał histerezowy 1,2-16 15-200 7 top mco 5 705 8812,5 8 dfeb 860 10750 -H 1 -B Porównanie pętli histerezy magnetycznej: 1-idealny kształt 2- materiał magnetycznie twardy 3- materiał magnetycznie miękki 2 B 3 H 15
ZAADA DZIAŁAIA ILIKA YCHROICZEGO HITEREZOWEGO s n F r s n ϑ F F s ω s ϑ s n M V- objętość materiału histerezowego; P h - stratność jednostkowa materiału histerezowego przypadająca na jednostkę objętości i 1 cykl przemagnesowania Φ s, Φ w - strumień stojana i wirnika F s F s n F r ω s Moment histerezowy 1 = V 2π h P h 16
ILIK HITEREZOWY Zalety: 1. Duży moment rozruchowy i synchronizujący 2. Płynne wejście w synchronizm 3. Cicha praca 4. Prosta konstrukcja 5. Duża niezawodność Wady: 1. Mały cosϕ (0,3-0,45) 2. Kołysanie wirnika 17
18