Maszyny elektryczne 1
Transkrypt
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