Maszyny elektryczne 1

MASZYNY ELEKTRYCZNE
Wprowadzenie
Maszyna elektryczna – urządzenie elektromechaniczne działające na zasadzie indukcji
elektromagnetycznej i zjawiska dynamicznego oddziaływania pola magnetycznego na
przedwodnik z prądem służące do przetwarzania energii przy udziale ruchu mechanicznego.
Rodzaje maszyn elektrycznych:
− PRĄDNICE (GENERATORY) – przetwarzają energię mechaniczną na elektryczną,
− SILNIKI - przetwarzaję energię elektryczną na mechaniczną,
− PRZETWORNICE ELEKTROMASZYNOWE – przetwarzają energię elektryczną na
elektryczną ze zmianą napięcia, częstotliwości, liczby faz, itp.
Podział maszyn elektrycznych (rodzaj prądu):
− prądu stałego
o silniki,
o prądnice,
o prądnice tachometryczne,
o wzacniacze maszynowe
− prądu przemiennego
o asynchroniczne
indukcyjne
• silniki pierścieniowe,
• klatkowe,
• wykonawcze,
• prądnice tachometryczne
komutatorowe
o synchroniczne
silniki,
prądnice
prądnice tachometryczne
Podstawowe części składowe maszyn elektrycznych:
−
−
−
−
−
stojan – nieruchoma część silnika
wirnik – część ruchoma wirująca wokół stałej osi
szczotki – styki ślizgowe doprowadzające prąd do wirnika
komutator – przłącznik prądu zmieniający kierunek przepływu prądu w obwodzie
pierścienie
Twornik – część maszyny (stojan, wirnik), do której doprowadzana jest przetwarzana energia
elektryczna lub z której odprowadza się energię elektryczną przetworzoną.
Magneśnica – część maszyny, w której wytwarza się pole magnetyczne.
SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU STAŁEGO
1. Silnik bocznikowy prądu stałego
1.1. Konstrukcja
1
2
N
Iw
3
ω
4
It
S
oś neutralna
N
It
1
2 Φw
1
2 Φw
S
5
Rys.1. Silnik bocznikowy prądu stałego: 1 - stojan, 2 - biegun główny z uzwojeniem wzbudzającym, 3 - wirnik
z uzwojeniem wirnika (twornika), komutatorem i szczotkami, 4 - biegun komutacyjny (dodatkowy) z
uzwojeniem komutacyjnym, 5 - uzwojenie kompensacyjne; linią przerywaną zaznaczono rozpływ
strumienia magnetycznego uzwojenia wzbudzenia
a)
b)
+
U
-
Rwd
I
B2
A1
F2
It
Rtd
Rys.2.
+
U
-
Iw
1
I = It
Rwd
I
B2
E2
A1
It
Φw
E
2
F1
+
Uw
-
Rtd
E
2
E1
Iw
Φw
1
I = It + Iw
Układy połączeń silników bocznikowych prądu stałego: a) silnik obcowzbudny, b) silnik
samowzbudny (bocznikowy); 1 - uzwojenie wzbudzenia, 2 - uzwojenie komutacyjne i ewentualnie
uzwojenie kompensacyjne (dla dużych mocy)
1.2. Zasada działania
Prąd magnesujący Iw, przepływający przez uzwojenie cewek wzbudzenia, wytwarza
strumień magnetyczny Φw, który zamyka się przez rdzenie biegunów, szczelinę powietrzną,
rdzeń wirnika i przez część stojana zwaną jarzmem. Strumień ten dzieli się na dwa strumienie
po 1/2 Φw, przenikające przez dwie równoległe części obwodu magnetycznego (rys.2.12).
Strumień ten jest nieruchomy względem stojana.
oś neutralna 1
oś bieguna S
oś neutralna 1
B, e
oś bieguna N
b)
Φw
a)
α
0
Φkm
N
2π
π
Φt
F
It
1
1'
A
S
Φkt
ω
B
1'
N
c)
Bt
1
α0
F
α
It
-
U
It
d)
B
+
oś neutralna
S
oś neutralna
0
α
0
Rys.3.
α0
α0
1' 1
1' 1
Zasada działania silnika prądu stałego: a) szkic ideowy silnika, b) rozkład indukcji Bw pod biegunami
przy biegu jałowym, c) rozkład indukcji oddziaływania twornika, d) wypadkowy rozkład indukcji z
uwzględnieniem nasycenia; 1 - oś neutralna przy biegu jałowym lub z biegunami komutacyjnymi, 1′oś neutralna przy obciążeniu i bez biegunów komutacyjnych
F = B It l .
Kierunek tych sił mechanicznych można określić posługując się regułą lewej dłoni. Siły
mechaniczne działając na przewody wirnika powodują powstanie momentu
elektromagnetycznego (napędowego), który z kolei powoduje ruch obrotowy wirnika.
M = ∑ Fr ,
E=
gdzie: N
a
p
n
Φw
cE
M=
P
ω
,
P = E It .
N pn
⋅
Φ w = cE Φ w n ,
a 60
- liczba wszystkich przewodów wirnika,
- liczba par gałęzi równoległych uzwojenia wirnika,
- liczba par biegunów,
- prędkość obrotowa wirnika,
- strumień uzwojenia wzbudzenia,

Np 
.
- stała konstrukcyjna  c E =
60a 

pN
Φ w I t = cM Φ w I t ,
2πa
jest stałą konstrukcyjną, niezmienną dla danej maszyny
M=
gdzie cM
pN
.
2πa
Związek między mocą, momentem i prędkością obrotową dany jest wzorem
cM =
M = 9,55
P
,
n
w którym M jest liczone w N⋅m, P w kW, a n w obr/min.
Napięcie zasilania U jest równoważone przez siłę elektromotoryczną E i spadek napięcia
na rezystancji całkowitej twornika Rtc
U = E + Rtc It .
Rezystancja Rtc jest sumaryczną rezystancją: uzwojenia twornika Rt, rezystancją przejścia
między szczotkami a komutatorem Rp, szczotek Rk oraz uzwojenia biegunów komutacyjnych
Rk (i ewentualnie uzwojenia kompensującego)
Rtc = Rt + Rp + Rsz + Rk .
n=
U − Rtc I t
.
c E Φm
Gdy silnik znajduje się w stanie tzw. idealnego biegu jałowego, tzn. gdy It = 0, wówczas
napięcie sieci zasilającej jest równoważone tylko przez siłę elektromotoryczną E0 i prędkość
obrotowa silnika wynosi
U
n0 =
.
c E Φm
Prędkość obrotową n silnika przy dowolnym prądzie obciążenia It można teraz wyrazić
przez prędkość obrotową biegu jałowego n0
 R I 
n = n0 1 − tc t  .
U 

1.3.
Charakterystyki mechaniczne
Charakterystykami mechanicznymi silnika nazywa się zależności n = f(M) oraz I = f(M),
(rys.4).
n I
n(M)
n0
2
nn
1
2
1
In
I(M)
M
Mn
0
Rys.4.
1.4.
Charakterystyki mechaniczne n = f(M), I = f(M): 1 - maszyna skompensowana,
nieskompensowana
2 - maszyna
Charakterystyka zewnętrzna
Charakterystyką zewnętrzną silnika nazywamy zależność prędkości obrotowej silnika od
prądu twornika przy stałym napięciu na zaciskach twornika i stałym prądzie
wzbudzenia, n = f(It).
n
I
n02
Rys.5. Charakterystyka zewnętrzna silnika
n = f(It) przy U = const, Iw = const
Iw2
n01
Iw1
Iw2 < Iw1
U = const
0
It
Iz =
U
Rtc
1.5.
Charakterystyka obciążenia
Charakterystyka obciążenia silnika określa zależność prędkości obrotowej silnika od prądu
wzbudzenia, n = f(Iw) przy U = const i It = const.
n
I
It1 < It2 < It3
Charakterystyka
ta
pozwala
na
wyciągnięcie wniosków o zachowaniu się
silnika przy regulacji prędkości obrotowej
w górę poprzez osłabienie wzbudzenia z
zachowaniem stałości napięcia zasilania i
stałej wartości prądu obciążenia.
It1
It2
It3
Iw
0
Rys.6.
1.6.
Charakterystyka obciążenia silnika n = f(Iw)
przy U = const i It = const
Charakterystyka regulacji
Iw
I w2
I w1
n2
n2 < n 1
U = const
n1
It
Charakterystyka regulacji jest to zależność
prądu wzbudzenia od prądu twornika, Iw =
f(It) przy stałym napięciu zasilania i stałej
prędkości obrotowej.
Charakterystyka regulacji pozwala określić
zakres obciążenia silnika, przy którym
możliwe jest utrzymanie stałej prędkości
obrotowej
poprzez
regulację
prądu
wzbudzenia.
0
Rys.7.
1.7.
Charakterystyka regulacji silnika Iw = f(It) przy U = const i n = const
Straty i sprawność silnika prądu stałego
Przy pracy silnika prądu stałego moc elektryczna Pel, doprowadzona do silnika, rozdziela
się na moc mechaniczną Pm na wale silnika oraz moc strat
Pel = Pm + ∆P.
Straty ∆P dzielą się na trzy grupy: straty jałowe ∆P0, straty wzbudzenia ∆Pwz, straty
obciążenia ∆Pobc.
Straty jałowe są to straty w żelazie na histerezę i prądy wirowe oraz straty mechaniczne na
tarcie w łożyskach, tarcie szczotek o komutator oraz straty wentylacyjne
∆P0 = ∆PFe + ∆Pm .
Straty wzbudzenia są to straty mocy na ciepło Joule'a w uzwojeniu wzbudzającym
∆Pwz = (Rw + Rwd )I w2 .
Straty obciążeniowe są związane z przepływem prądu w obwodzie twornika
∆Pobc = ∆PCu = Rtc I t2 .
Straty całkowite
∆P = ∆P0 + ∆Pwz + ∆Pobc .
Sprawność silnika prądu stałego oblicza się według zależności
Pm
Pm
=
.
Pel Pm + ∆P
η=
1.8. Rozruch silnika bocznikowego prądu stałego
Prędkość obrotowa silnika bocznikowego prądu stałego wyraża się wzorem
n=
U − Rtc
.
cE Φ m
Przy nieruchomym silniku (n=0) brak jest w obwodzie twornika siły elektromotorycznej.
W chwili włączenia silnika do sieci płynie w uzwojeniu wirnika bardzo duży prąd Itz (Itz ≈
20In)
I tz =
U
.
Rtc
Rozruch napięciowy silnika polegający na zmniejszeniu napięcia w chwili rozruchu nie
jest stosowany dla silników bocznikowych. Można w ten sposób ograniczyć prąd
rozruchowy, ale jednocześnie moment rozruchowy jest bardzo mały, gdyż strumień
wzbudzenia jest niewielki.
W silnikach bocznikowych prądu stałego ograniczenie prądu rozruchowego przy
jednoczesnym odpowiednio dużym momencie rozruchowym uzyskuje się przez włączenie
w obwód wirnika dodatkowych rezystorów rozruchowych Rtd = Rd. Silnik zasilany jest
napięciem znamionowym. Tym samym w uzwojeniu wzbudzenia płynie prąd znamionowy.
Wartość rezystancji rozruchowych dobiera się tak, aby prąd rozruchowy nie przekroczył
dwukrotnej wartości prądu znamionowego silnika
Ir =
U
≤ 2I n .
Rtc + Rd
Gdy wirnik zaczyna się obracać, powstaje w nim siła elektromotoryczna E i prąd
rozruchowy maleje liniowo ze wzrostem prędkości obrotowej zgodnie z równaniem
Ir =
U −E
U − kn
=
.
Rtc + Rd Rtc + Rd
a)
b)
+
U
n
A1
A
P
nop
R1
Rtc
n1
R2
B2
n0
Rtc
E
R3
B
R1
n2
C
R4
R2
D
n3
R3
n4
E
R4
F
0
-
Mop
M1
M2
Iop
I1
I2
M
I
Rys.8. Rozruch rezystancyjny silnika bocznikowego prądu stałego: a) układ połączeń rozrusznika,
b) charakterystyki mechaniczne
rezystancję ostatniego stopnia rozruchowego
Rz =
U
,
I2
gdzie z jest liczbą stopni rozrusznika.
Rz I1 = Rz −1 I 2 , 
Rz −1 I1 = Rz −2 I 2 , 

M

R1 I1 = Rtc I 2 . 
Wprowadzając stosunek przełączania λ
λ=
λ=
M 2 I2
=
M 1 I1
Rz
R
R
= z −1 = K = 1 .
Rz −1 Rz − 2
Rtc
Wynika stąd, że rezystancje obwodu twornika tworzą ciąg geometryczny o ilorazie λ,
wyrazie początkowym Rtc, wyrazie końcowym Rz i liczbie wyrazów z+1. Jest zatem
Rz = Rtc λ. z .
Stąd liczba stopni rozrusznika:
z=
ln Rz − ln Rtc
.
ln λ
1.9.
Regulacja prędkości obrotowej silnika bocznikowego prądu stałego
Zmiana napięcia zasilania
a)
b)
n
n
I
n(M)
n01
I t = const
Φm = const
n02
U1
n03
U2
I (M
)
U3
U1 > U2 > U3
Φm = const
U
0
Rys.9.
M
0
Rtc It
Zmiana napięcia zasilania silnika bocznikowego prądu stałego: a) charakterystyka n = f(U),
b) charakterystyki mechaniczne n = f(M) i I = f(M)
Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej
a)
n
b)
Φw
n
I w)
Φ w(
nmax
n01
Iw2
n02
n=
nmin
0
Rys.10.
Iw2 < Iw1
(Iw )
U = const
It = const
Iw1
Iw
Iw min
0
Iw max
Mn
Mr2
M
Mr1
Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej: a) charakterystyka magnesowania Φw = f(Iw)
i charakterystyka n = f(Iw), b) charakterystyka mechaniczna n = f(M)
Zmiana rezystancji obwodu twornika
n
n0
n1
I
I(M)
Rtd1 = 0
n2
n3
Rtd2
n(M)
n4
Rys.11.
Rtd3
Rtd4
M
0
Mop
Charakterystyki mechaniczne przy
zmianie rezystancji obwodu twornika;
Rtd1 < Rtd2 < Rtd3 < Rtd4
1.10. Hamowanie silnika bocznikowego prądu stałego
Hamowanie polega na wytworzeniu przez silnik momentu hamującego przeciwnego do
kierunku ruchu wału silnika. Istnieją trzy sposoby hamowania elektrycznego:
1. odzyskowe (prądnicowe),
2. dynamiczne,
3. przeciwprądowe.
Hamowanie elektryczne silników bocznikowych prądu stałego wymaga zmiany kierunku
momentu obrotowego silnika na przeciwny do kierunku obrotów przy pracy silnikowej.
Hamowanie odzyskowe
n
Rtc+Rd
I
Hamowanie odzyskowe zachodzi
po przekroczeniu prędkości obrotowej
idealnego biegu jałowego n0. W punkcie tym następuje przejście od pracy
silnikowej do pracy prądnicowej w
sposób ciągły, siła elektromotoryczna
E rośnie powyżej napięcia U, prąd
zmienia kierunek na przeciwny i
płynie do sieci (rys.12).
Rtc
n(M)
I(M)
M
-M 1
-M2
0
-I2
-I1
Rys.12.
Charakterystyki hamowania odzyskowego
(prądnicowego)
Hamowanie dynamiczne
Uzwojenie wzbudzenia zasila się z obcego źródła. Silnik odłączony jest od sieci
zasilającej, a załączony jest na rezystancję dodatkową Rd (rys.13a).
a)
b)
n
Rd2
Rd1
E1
Rtc
I
n0
n(M)
+
-
Φw
E2
M
I
B2
E
A1
Rd
-M1
-M2
0
-I2
-I1
I(M)
Rys.13. Hamowanie dynamiczne:
a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowania dynamicznego dla Rd1 <Rd2
Mop
Hamowanie przeciwprądowe
n
n0
Rd2
Rd1
n(M)
I(M)
M
-M2
-M1
0
-I2
Mop
-I1
-n0
Rys.14.
Charakterystyki hamowania
przeciwprądowego; Rd1 < Rd2
Hamowanie przeciwprądowe silnika realizuje się
przez zmianę biegunowości twornika. Wirnik
obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku
momentu elektromagnetycznego, który staje się
wobec tego momentem hamującym. Prąd i moment
obrotowy są wtedy bardzo duże; dla wartości
dopuszczalnej ogranicza się je przez włączenie
dużych rezystancji do obwodu twornika (rys.14).
Moment hamujący maleje wraz z malejącą
prędkością obrotową. Aby uniknąć ponownego
rozruchu w kierunku przeciwnym, wyłącza się
silnik w chwili zatrzymania się lub tuż przed
osiągnięciem stanu spoczynku. Energia hamowania,
nie przekształcona przez maszynę roboczą,
zamienia się na ciepło w obwodzie twornika.
2. Silnik szeregowy prądu stałego
1. Konstrukcja
U
+
-
I
Rtd
B2
A1
D2
Rwb
D1
Φw
E
1
2
Rys.15.
Układ połączeń silnika szeregowego prądu stałego: 1 - uzwojenie wzbudzenia, 2 - uzwojenie
komutacyjne i ewentualnie kompensacyjne
2. Zasada działania
I = Iw = It .
gdzie cM1
M = cM1 I2 ,
jest stałą konstrukcyjną silnika.
Ze schematu zastępczego (rys.15) otrzymuje się równanie napięć silnika (Rtd = 0, Rwb
= ∞)
U = E + Rc I ,
w którym rezystancja całkowita jest sumą rezystancji całkowitej twornika Rtc i rezystancji
uzwojenia wzbudzenia Rw
Rc = Rtc + Rw.
Siła elektromotoryczna E dana jest wzorem
E = cE Φ n = cE1 I n ,
gdzie cE1 jest nową stałą konstrukcyjną silnika.
Mamy więc wzór na prędkość obrotową silnika:
n=
U − Rc I
,
c E1 I
który jest równaniem hiperboli.
Uwzględniając zależność momentu M od prądu I dostajemy charakterystyki mechaniczne.
n I
I(M)
In
nn
n(M)
M
0
Rys.16.
Mn
Charakterystyka mechaniczna n = f(M) oraz zależność I = f(M) silnika szeregowego prądu stałego
3. Rozruch silnika szeregowego
Rozruchu silnika szeregowego prądu stałego dokonuje się przez włączanie do obwodu
twornika rezystancji dodatkowej Rtd. Rezystancja obwodu twornika wzrasta do Rz
Rz = Rtd + Rc .
Prędkość obrotowa silnika zmienia się przy określonym prądzie i strumieniu wzbudzenia
w stosunku
n z U − (Rc + Rtd )I
=
.
n
U − RI
Przyjmując prądy przełączeniowe I1 i I2 oraz odpowiadające im momenty obrotowe M1 i
M2 oblicza się największą rezystancję rozrusznika dla prędkości obrotowej n = 0
Rtd 1 =
U
− Rc .
I2
nop
Rtd=0
Rtd2
Rtd3
Rc
E
n
A
Rtd1
n2
D
Rtd2
n3
Rtd1
b)
+
Rtd3
a)
C
n4
B
Rys.17.
0
Iop
I1
I
I2
Rozruch silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń rozrusznika, b) charakterystyki
mechaniczne dla Rtd1 > Rtd2 > Rtd3
4. Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego prądu stałego
Zmiana napięcia zasilania
n
I
I(M)
n(M)
U1
Rys.18.
U2
U3
U1 > U2 > U3
M
Charakterystyki
mechaniczne
silnika
szeregowego
prądu
stałego przy stopniowej zmianie
napięcia zasilania
0
Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej
n
I
Φ3
Φ2
Φ1
I(M)
Rys19.
n(M)
Φ1 > Φ2 > Φ3
Φ3
Φ2
Φ1
0
Zmiana rezystancji obwodu twornika
M
Charakterystyki mechaniczne silnika
szeregowego prądu stałego przy
osłabianiu strumienia wzbudzenia za
pomocą rezystancji bocznikującej
n
I
I(M)
Rys.20.
Rt1
Rt2
Charakterystyki
mechaniczne
silnika szeregowego prądu stałego
o rezystancji dodatkowej w
obwodzie twornika
M
0
Rt3 > Rt2 > Rt1
Rt3
Bocznikowanie twornika
a)
b)
U
+
n
-
Rb= ∞
I
n01
Rb1 > Rb2 > Rb3
Iw
A1
Rb
Ib
It
E
Φw
D2
D1
n02
Rb1
n03
Rb2
B2
Rb3
M
0
Rys.21.
Bocznikowanie twornika: a) układ połączeń, b) charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego
prądu stałego
5. Hamowanie silnika szeregowego prądu stałego
Hamowanie odzyskowe
+
-
U
Iw
E
Rd
It
Rys.22.
Układ hamowania odzyskowego silnika szeregowego prądu stałego z przełączonym uzwojeniem
wzbudzenia
Hamowanie dynamiczne
b)
n
Rd3
I
n(M)
n(M)
a)
Rd2
It
I(M)
Rd1
A1
E
D2
D1
M
Φw
B2
-M1
-M2
Mop
0
-M3
-I3
Rd
Rd1 < Rd2 < Rd3
-I2
I(M)
Rys.23.
-I1
Hamowanie dynamiczne silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki
hamowania dynamicznego
Hamowanie przeciwprądowe
b)
n
I
Rd2
a)
n(M)
Rd1
U
I(M)
Φw
A1
E
D2
M
D1
-M1
-M2
0
Mop
-I2
Rd1 < Rd2
B2
Rd
I(M)
-I1
n(M)
Rys.24.
Hamowanie przeciwprądowe silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń,
b) charakterystyki hamowania przeciwprądowego