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

N

S

NS

12 Φw

12 Φw

Iw

ω

oś neutralna

1

2

3

4

5

It

It

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

+-U

IB2 A1

It

2 I = It

F2 F1

Uw+-

1

Φw

Rwd Iw

a)+- U

IB2 A1

It

2

1

Φw

Iw

I = It + Iw

b)

Rwd

E E

E2 E1

Rtd Rtd

Rys.2. 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.

N

S

S N

It

A B

ω

α0

1 1

1'

1'

U- +

It

Φw

Φkm

Φt

Φkt

oś b

iegu

na N

oś b

iegu

na S

oś n

eutra

lna

1

oś n

eutra

lna

1

0

B, e

α

π 2π

Bt

0

α

B

0

α

α0 α0

oś n

eutra

lna

oś n

eutra

lna

a)

b)

c)

d)

F

F It

1' 1 1' 1 Rys.3. 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.

∑= FrM , ωPM = , P = E It .

ncpnaNE wEw Φ=Φ⋅=

60,

gdzie: N - liczba wszystkich przewodów wirnika,

a - liczba par gałęzi równoległych uzwojenia wirnika, p - liczba par biegunów, n - prędkość obrotowa wirnika, Φw - strumień uzwojenia wzbudzenia,

cE - stała konstrukcyjna

=

aNpcE 60

.

twMtw IcIa

pNM Φ=Φ=π2

,

gdzie cM jest stałą konstrukcyjną, niezmienną dla danej maszyny

a

pNcM π2= .

Związek między mocą, momentem i prędkością obrotową dany jest wzorem

nPM 55,9= ,

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 .

mE

ttc

ΦcIRU

n−

= .

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

mEΦc

Un =0 .

Prędkość obrotową n silnika przy dowolnym prądzie obciążenia It można teraz wyrazić przez prędkość obrotową biegu jałowego n0

−=

UIRnn ttc10 .

1.3. Charakterystyki mechaniczne

Charakterystykami mechanicznymi silnika nazywa się zależności n = f(M) oraz I = f(M), (rys.4).

0

I

I(M)In

1

2

1

2

n(M)

n

M

Mn

n0

nn

Rys.4. Charakterystyki mechaniczne n = f(M), I = f(M): 1 - maszyna skompensowana, 2 - maszyna nieskompensowana

1.4. 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).

0

I

It

n

n02

n01

Iw2

Iw1

Iw2 < Iw1

Iz =URtc

U = const

Rys.5. Charakterystyka zewnętrzna silnika n = f(It) przy U = const, Iw = const

1.5. Charakterystyka obciążenia

Charakterystyka obciążenia silnika określa zależność prędkości obrotowej silnika od prądu wzbudzenia, n = f(Iw) przy U = const i It = const.

0

I

Iw

n

It1

It1 < It2 < It3

It2

It3

wsilwzasta

Rys.6. Charakterystyka obciążenia silnika n = f(Iw)

przy U = const i It = const

1.6. Charakterystyka regulacji

0

Iw

It

n2 < n1

n2

Iw2

Iw1

U = const

n1

Rys.7. Charakterystyka regulacji silnika Iw = f(It) przy U = c 1.7. Straty i sprawność silnika prądu stałego

Przy pracy silnika prądu stałego moc elektrycznasię na moc mechaniczną Pm na wale silnika oraz moc

Pel = Pm + ∆P

Straty ∆P dzielą się na trzy grupy: straty jałowobciążenia ∆Pobc.

Straty jałowe są to straty w żelazie na histerezę i ptarcie w łożyskach, tarcie szczotek o komutator oraz

∆P0 = ∆PFe + ∆

Straty wzbudzenia są to straty mocy na ciepło Jou

( wdwwz RRP +=∆

Charakterystyka ta pozwala na yciągnięcie wniosków o zachowaniu się nika przy regulacji prędkości obrotowej górę poprzez osłabienie wzbudzenia z chowaniem stałości napięcia zasilania i łej wartości prądu obciążenia.

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.

onst i n = const

Pel, doprowadzona do silnika, rozdziela strat

.

e ∆P0, straty wzbudzenia ∆Pwz, straty

rądy wirowe oraz straty mechaniczne na straty wentylacyjne

Pm .

le'a w uzwojeniu wzbudzającym

) 2wI .

Straty obciążeniowe są związane z przepływem prądu w obwodzie twornika

. 2ttcCuobc IRPP =∆=∆

Straty całkowite

obcwz PPPP ∆+∆+∆=∆ 0 .

Sprawność silnika prądu stałego oblicza się według zależności

PP

PPP

m

m

el

m

∆+==η .

1.8. Rozruch silnika bocznikowego prądu stałego

Prędkość obrotowa silnika bocznikowego prądu stałego wyraża się wzorem

mE

tc

cRUnΦ

−= .

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)

tc

tz RUI = .

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

ndtc

r IRR

UI 2≤+

= .

Gdy wirnik zaczyna się obracać, powstaje w nim siła elektromotoryczna E i prąd

rozruchowy maleje liniowo ze wzrostem prędkości obrotowej zgodnie z równaniem

dtcdtc

r RRknU

RREUI

+−

=+−

= .

R1

Rtc

R2

R3

R4

+U

E

A1

B2

-

n

n0

nop

n1

n2

n3

n4

PA

B

C

D

E

F M

Rtc

R1

R2

R3

R4

Mop M1 M2

Iop I1 I2

I0

a) b)

Rys.8. Rozruch rezystancyjny silnika bocznikowego prądu stałego: a) układ połączeń rozrusznika,

b) charakterystyki mechaniczne

rezystancję ostatniego stopnia rozruchowego 2I

URz = ,

gdzie z jest liczbą stopni rozrusznika.

=

==

−−

−

.

,,

211

2211

211

IRIR

IRIRIRIR

tc

zz

zz

M

Wprowadzając stosunek przełączania λ

1

2

1

2

II

MM

==λ

tcz

z

z

z

RR

RR

RR 1

2

1

1

====−

−

−

Kλ .

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

. ztcz RR .λ=

Stąd liczba stopni rozrusznika:

λlnlnln tcz RRz −

= .

1.9. Regulacja prędkości obrotowej silnika bocznikowego prądu stałego Zmiana napięcia zasilania

n

U

I t = constΦm = const

Rtc It

n

M

U1 > U2 > U3

Φm = const

n01

n02

n03

I

U1

U2

U3

n(M)

I(M)

a) b)

0 0 Rys.9. 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

n

U = const It = const

Iw min

n

M

n01

n02

Iw2

a) b)

nmax

nmin

Iw max

Iw

Φ w(I w)

n = (Iw)

Φw

0 0 Mn Mr2 Mr1

Iw1

Iw2 < Iw1

Rys.10. 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

M

n0

n2

n3

I

n1

n4

0 Mop

n(M)

I(M)

Rtd1 = 0

Rtd2

Rtd3

Rtd4

Rys.11. 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

M

I

Rtc

I(M)

n(M)

Rtc+Rd

-M1 -M2

-I1

-I2

0

poidcisispEzmpł

Rys.12. Charakterystyki hamowania odzyskowego

(prądnicowego) Hamowanie dynamiczne

Uzwojenie wzbudzenia zasila się z obcego źródłazasilającej, a załączony jest na rezystancję dodatkową Rd (

I(M)

n(M)

-M1 -MI

RdE A1B2

Φw

a)

E1

E2

b)

RRd1

+-

Rys.13. Hamowanie dynamiczne: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowania dynamic

Hamowanie odzyskowe zachodzi przekroczeniu prędkości obrotowej ealnego biegu jałowego n0. W punk-e tym następuje przejście od pracy lnikowej do pracy prądnicowej w osób ciągły, siła elektromotoryczna

rośnie powyżej napięcia U, prąd ienia kierunek na przeciwny i

ynie do sieci (rys.12).

. Silnik odłączony jest od sieci rys.13a).

n

M

I

Rtc

2

-I1

-I2

Mop

d2 n0

0

znego dla Rd1 <Rd2

Hamowanie przeciwprądowe

n

M

I(M)n(M)

-M1

-M2

-I1

-I2

Mop

Rd2Rd1

n0

0

-n0

Hamowanie przeciwprądowe silnika realizuje sięprzez zmianę biegunowości twornika. Wirnikobraca się w kierunku przeciwnym do kierunkumomentu elektromagnetycznego, który staje sięwobec tego momentem hamującym. Prąd i momentobrotowy są wtedy bardzo duże; dla wartościdopuszczalnej ogranicza się je przez włączeniedużych rezystancji do obwodu twornika (rys.14).

Moment hamujący maleje wraz z malejącąprędkością obrotową. Aby uniknąć ponownegorozruchu w kierunku przeciwnym, wyłącza sięsilnik w chwili zatrzymania się lub tuż przedosiągnięciem stanu spoczynku. Energia hamowania,nie przekształcona przez maszynę roboczą,zamienia się na ciepło w obwodzie twornika.Rys.14. Charakterystyki hamowania

przeciwprądowego; Rd1 < Rd2

2. Silnik szeregowy prądu stałego 1. Konstrukcja

I

B2

2

1

Φw

Rwb

E

Rtd

+-U

A1 D2D1

Rys.15. Układ połączeń silnika szeregowego prądu stałego: 1 - uzwojenie wzbudzenia, 2 - uzwojenie

komutacyjne i ewentualnie kompensacyjne 2. Zasada działania I = Iw = It . M = cM1 I2 , gdzie cM1 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:

IcIRUn

E

c

1

−= ,

który jest równaniem hiperboli. Uwzględniając zależność momentu M od prądu I dostajemy charakterystyki mechaniczne.

0

I

In

n(M)

n

Mn

nn

M

I(M)

Rys.16. 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

( )IRU

IRRUnn tdcz

−+−

= .

Przyjmując prądy przełączeniowe I1 i I2 oraz odpowiadające im momenty obrotowe M1 i

M2 oblicza się największą rezystancję rozrusznika dla prędkości obrotowej n = 0

ctd RIUR −=

21 .

Rtd

3

Rc

Rtd

2

Rtd

1

E

n

nop

n2

n3

n4

Iop I1 I2

I

0

A

D

C

B

Rtd=0

Rtd

3

Rtd

2

Rtd

1

a) b)+

- Rys.17. 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

MU1 > U2 > U3

I

U1

U2

U3

n(M)

I(M)

0

Zmiana strumienia w szczelinie powietrznej

n

MΦ 1 > Φ 2 > Φ 3

I

Φ 3

n(M)

I(M)

0

Φ 2

Φ 1

Φ 3

Φ 2

Φ 1

Zmiana rezystancji obwodu twornika

Rys.18. Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego przy stopniowej zmianie napięcia zasilania

Rys19. Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego przy osłabianiu strumienia wzbudzenia za pomocą rezystancji bocznikującej

n

M

Rt3 > Rt2 > Rt1

I

Rt1

I(M)

0

Rt2

Rt3

Rys.20. Charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego prądu stałego o rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika

Bocznikowanie twornika

n

M

Rb1 > Rb2 > Rb3

Rb1

0

Rb2

Rb3

Rb=∞n01

n02

n03

Ib

It

I

Iw

Rb E

A1

B2D2 D1

+ -U

Φw

a) b)

Rys.21. Bocznikowanie twornika: a) układ połączeń, b) charakterystyki mechaniczne silnika szeregowego

prądu stałego 5. Hamowanie silnika szeregowego prądu stałego Hamowanie odzyskowe

It

Iw

RdE

U+ -

Rys.22. Układ hamowania odzyskowego silnika szeregowego prądu stałego z przełączonym uzwojeniem

wzbudzenia Hamowanie dynamiczne

It

Rd

E

n

M

I(M)

n(M)

-M1 -M2

-I1

-I2

Mop

Rd2

Rd3

0

D1D2

Φw

A1

B2 -M3

I(M)

n(M)

Rd1

I

-I3

Rd1 < Rd2 < Rd3

a)

b)

Rys.23. Hamowanie dynamiczne silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki

hamowania dynamicznego Hamowanie przeciwprądowe

Rd

E

n

M

I(M)

n(M)

-M1 -M2

-I1

Mop

Rd2

0D1D2

ΦwA1

B2

I(M)Rd1

I

-I2 Rd1 < Rd2

a)

b)

U

n(M)

Rys.24. Hamowanie przeciwprądowe silnika szeregowego prądu stałego: a) układ połączeń, b) charakterystyki hamowania przeciwprądowego