co to są maszyny elektryczne? - marwie.net.pl pobrania/tematy/klasa ii/badanie obwodow... ·...

of 43 /43
Strona 1 z 43 Temat: Prądnice i silniki – rodzaje, parametry, zastosowanie 1. Co to są maszyny elektryczne? Maszyny elektryczne są to urządzenia przeznaczone do przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczną (silnik), mechanicznej na elektryczną (prądnica), elektrycznej na elektryczną (transformator). Działanie maszyn elektrycznych opiera się na zjawiskach związanych z polem magnetycznym, takich jak: a) zjawisku indukcji elektromagnetycznej, b) dynamicznym oddziaływaniu pola magnetycznego na przewodnik z prądem, c) prawie przepływu. 2. Budowa ogólna maszyn elektrycznych. Podstawowymi częściami każdej maszyny elektrycznej (oprócz transformatora) wirującej są: ruchomy wirnik (rotor), nieruchomy stojan (stator). W maszynie elektrycznej można wyróżnić dwa obwody elektryczne: obwód uzwojenia stojana, obwód uzwojenia wirnika – wykonane z izolowanego drutu miedzianego lub aluminiowego. Do doprowadzenia prądu do uzwojenia wirnika służą: szczotki węglowo- grafitowe, pierścienie ślizgowe, komutator. Jako materiały izolacyjne wykorzystuje się najczęściej: papier impregnowany, lakiery izolacyjne izolacje mikowe. Trwałość tych materiałów zależna jest przede wszystkim od warunków pracy, takich jak: temperatura, wilgotność, toksyczność środowiska, wibracje. Zadaniem obwodów magnetycznych jest rozprowadzenie strumieni magnetycznych wytworzonych przez prądy w uzwojeniach. Obwodami tymi są rdzenie stojana i wirnika wykonywane z materiałów ferromagnetycznych (stal i żeliwo).

Author: phamthu

Post on 28-Feb-2019

220 views

Category:

Documents


1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Strona1z43

Temat: Prdnice i silniki rodzaje, parametry, zastosowanie

1. Co to s maszyny elektryczne? Maszyny elektryczne s to urzdzenia przeznaczone do przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczn (silnik), mechanicznej na elektryczn (prdnica), elektrycznej na elektryczn (transformator). Dziaanie maszyn elektrycznych opiera si na zjawiskach zwizanych z polem magnetycznym, takich jak:

a) zjawisku indukcji elektromagnetycznej, b) dynamicznym oddziaywaniu pola magnetycznego na przewodnik z prdem, c) prawie przepywu.

2. Budowa oglna maszyn elektrycznych.

Podstawowymi czciami kadej maszyny elektrycznej (oprcz transformatora) wirujcej s:

ruchomy wirnik (rotor), nieruchomy stojan (stator).

W maszynie elektrycznej mona wyrni dwa obwody elektryczne:

obwd uzwojenia stojana, obwd uzwojenia wirnika wykonane z izolowanego drutu miedzianego lub

aluminiowego. Do doprowadzenia prdu do uzwojenia wirnika su:

szczotki wglowo- grafitowe, piercienie lizgowe, komutator.

Jako materiay izolacyjne wykorzystuje si najczciej:

papier impregnowany, lakiery izolacyjne izolacje mikowe.

Trwao tych materiaw zalena jest przede wszystkim od warunkw pracy, takich jak:

temperatura, wilgotno, toksyczno rodowiska, wibracje.

Zadaniem obwodw magnetycznych jest rozprowadzenie strumieni magnetycznych wytworzonych przez prdy w uzwojeniach. Obwodami tymi s rdzenie stojana i wirnika wykonywane z materiaw ferromagnetycznych (stal i eliwo).

Strona2z43

Cao wymienionych powyej elementw skadowych maszyny jest zabudowana w jarzmie, do ktrego s przymocowane:

apy, tarcze oyskowe, szczotkotrzymacze, wszelkiego rodzaju osony czci wirujcych i czci bdcych pod napiciem.

Maszyny s budowane w rnych odmianach zalenych od przeznaczenia (warunkw pracy). Maszyny s klasyfikowane ze wzgldu na:

klas szczelnoci obudowy, temperatur pracy, uoenie (pionowe lub poziome) itp.

3. Maszyny prdu staego

1) maszyny prdu staego mog mie zastosowanie jako prdnice i jako silniki.

Silniki prdu staego wykazuj dobre waciwoci regulacyjne. Umoliwiaj one pynn zmian prdkoci w szerokich granicach oraz mog rusza pod duym obcieniem. Z tych wzgldw s do powszechnie stosowane w napdach :

maszyn wycigowych; maszyn walcowniczych; trakcji elektrycznej; ukadw automatyki.

Prdnice prdu staego s obecnie coraz rzadziej stosowane, gdy wypieraj je przetwornice tyrystorowe o znacznie wikszej sprawnoci i atwiejsze w eksploatacji.

Obecnie produkuje si maszyny prdu staego o mocach od kilku watw do ok. 10 MW. Typowe napicia to: 120, 230, 440, 500, 1000 V, a nierzadko wysze, sigajce kilku kilowoltw.

Strona3z43

2) zasada dziaania maszyny prdu staego.

a) prdnica

Rozpatrywa bdziemy model elementarny skadajcy si z jednego zwoju obracajcego si midzy dwoma biegunami magnesu. Pocztek i koniec zwoju s poczone z dwoma piercieniami lizgowymi, po ktrych lizgaj si szczotki odprowadzajce prd do zamknitego obwodu zewntrznego (rys.8.1).

Jeeli zwj znajdujcy si w polu magnetycznym o indukcji B obracamy z prdkoci v, to w jego bokach o dugoci l indukuje si sem o wartoci:

i kierunku zgodnym z regu prawej doni.

Jeeli obwd tego zwoju bdzie zamknity (przez szczotki i piercienie lizgowe), to popynie w nim prd o kierunku zgodnym ze zwrotem indukowanej siy elektromotorycznej.

Na rys. 8.2 zaznaczono kierunki prdu w bokach 1 i 2 zezwoju przy rnych pooeniach tych bokw (kropka oznacza kierunek do nas, krzyyk od nas).

Jeeli w analizowanej prdnicy dwa piercienie zastpimy dwoma ppiercieniami (rys. 8.3), po ktrych lizgaj si szczotki, to analizujc rys. 8.4 zauwaamy, e szczotka S1 zawsze

Strona4z43

zbiera napicie z boku znajdujcego si pod biegunem N, a szczotka S2 zawsze z boku znajdujcego si pod biegunem S. Tak wic na szczotkach S1 i S2 bdzie zawsze napicie jednokierunkowe. Ppiercienie tworz komutator, a jeden ppiercie stanowi wycinek komutatora.

Nazwa komutator pochodzi std, e komutuje on, czyli zmienia, kierunek prdu. Komutator (mechaniczny prostownik prdu).

Aby otrzyma napicie o dostatecznej rwnomiernoci, w polu biegunw umieszcza si nie jeden zwj, ale wiele zwojw, z ktrych kady czy si z odpowiednim wycinkiem komutatora. Na rys. 8.5 pokazano rozmieszczenie dwch zwojw midzy biegunami i poczenie ich z czterema wycinkami komutatora, a take przebieg sem w kadym zezwoju oraz lini pogrubion przebieg sem na szczotkach.

Strona5z43

Zwikszenie liczby wycinkw komutatora wpywa na to, e przebieg napicia odbieranego z prdnicy jest bardziej rwnomierny.

Prdnica prdu staego w istocie dziaania jest prdnic prdu przemiennego, tak sam, jak prdnica synchroniczna, tylko wyposaon w komutator. W stosunku do prdnicy synchronicznej zmienione zostay role wirnika i stojana: w maszynie prdu staego wirnik jest twornikiem (w nim wytwarza si napicie), a stojan jest magnenic, w prdnicy synchronicznej najczciej jest odwrotnie.

b) silnik

Jeeli do uzwojenia twornika (wirnika) maszyny prdu staego doprowadzimy napicie, to popynie w nim prd i twornik zacznie si obraca w wyniku oddziaywania pola magnetycznego na przewodniki (uzwojenie) z prdem. Maszyna bdzie wwczas przetwarzaa energi elektryczn w mechaniczn, bdzie silnikiem.

Strona6z43

3) Budowa maszyn prdu staego.

Kada maszyna prdu staego skada si z dwch podstawowych czci:

nieruchomego stojana; wirujcego wirnika.

Stojan najczciej jest magnenic, gdy w nim jest wytwarzane pole magnetyczne. W skad nieruchomego stojana wchodz nastpujce elementy:

jarzmo; bieguny gwne z uzwojeniem wzbudzajcym; bieguny pomocnicze (komutacyjne) z uzwojeniem; tarcze oyskowe; trzymada szczotkowe (rys. 8.6)

Jarzmo stojana bdce najczciej odlewem eliwnym lub staliwnym, spenia dwie role:

jednoczenie jest czci obwodu magnetycznego i elementem konstrukcyjnym speniajcym rol kaduba, do ktrego s przymocowane pozostae elementy wchodzce w skad stojana.

W maszynach prdu staego, z wyjtkiem maych maszyn,, pole magnetyczne jest wytwarzane przez elektromagnes, ktrego uzwojenie jest umieszczone na biegunach gwnych. Pole magnetyczne w rdzeniu bieguna jest praktycznie stae, ale w nabiegunniku wystpuje pewna pulsacja strumienia spowodowana przez otwarte obki wirnika.

Aby zmniejszy straty wiroprdowe nabiegunniki i rdzenie biegunw wykonuje si z pakietu blach.

Bieguny pomocnicze s elektromagnesami, ktrych uzwojenie jest umieszczone na litym, rzadziej pakietowym, rdzeniu stalowym. Uzwojenie tych biegunw jest zawsze poczone szeregowo z uzwojeniem twornika.

Strona7z43

Wirnik jest najczciej twornikiem. W jego skad wchodz:

rdze wykonany ze wzgldu na prdy wirowe z pakietu blach (rys. 8.7);

uzwojenie twornika umieszczone w obkach rdzenia; komutator (rys. 8.8.).

Komutator jest osadzony na wale wirnika, skada si z wielu wycinkw miedzianych umieszczonych na specjalnej piacie (rys. 8.8).

Strona8z43

Wycinki komutatora s izolowane od siebie mikanitem. Musz by one take odizolowane od piasty. Komutatory powinny by wykonane bardzo starannie. S one najbardziej pracochonnym i najdroszym elementem w maszynie prdu staego.

Widok oglny maszyny prdu staego przedstawia rys. 8.9.

Strona9z43

3.1. Prdnice prdu staego.

1) Prdnica obcowzbudna.

Prdnica obcowzbudna jest maszyn, w ktrej obwd wzbudzenia jest zasilany z obcego rda. Schemat pocze prdnicy obcowzbudnej przedstawiono na rys. 8.39, a rozmieszczenie uzwoje w maszynie i ich poczenie z tabliczk zaciskow na rys. 8.36.

Charakterystyki obcienia wyznacza si dla rnych prdw obcienia otrzymujc ca rodzin charakterystyk (rys. 8.41). Charakterystyki te otrzymuje si w wyniku przesunicia trjkta, rwnolegle wzdu charakterystyki magnesowania.

Jedn z najbardziej przydatnych w eksploatacji charakterystyk jest charakterystyka zewntrzna U=f(I) przy n=const i If=const. Pokazuje ona, jak zmienia si napicie na zaciskach prdnicy przy zmianie jej obcienia przy staej prdkoci obrotowej i staym prdzie wzbudzenia. Charakterystyk t mona skonstruowa na podstawie charakterystyki biegu jaowego i trjkta charakterystycznego.

Strona10z43

2) Prdnica bocznikowa.

W prdnicy bocznikowej uzwojenie wzbudzajce jest poczone rwnolegle z uzwojeniem twornika. Schemat pocze przedstawiono na rys. 8.43.

3) Co to jest samowzbudzenie.

Jeeli w obwodzie magnetycznym istnieje magnetyzm szcztkowy, jako pozostao po poprzedniej pracy, to przy napdzaniu wirnika indukuje si w jego uzwojeniu napicie Esz. Pod wpywem tego napicia w uzwojeniu wzbudzajcym pynie prd If, ktry wytwarza strumie magnetyczny. Jeeli kierunek tego strumienia jest zgodny z kierunkiem strumienia szcztkowego, to strumie w maszynie ulega zwikszeniu, wzrasta napicie indukowane i prd wzbudzenia, co powoduje dalszy wzrost strumienia a maszyna wzbudzi si do penego napicia. Gdyby nie byo napicia szcztkowego, procesor wzbudzenia nie mgby nastpi, w takim przypadku naleaoby na chwil zasili obwd wzbudzenia z obcego rda napicia, aby wytworzy strumie szcztkowy. Kierunek strumienia wytworzonego przez prd wzbudzenia zaley od zwrotu napicia Esz i sposobu przyczenia uzwojenia E1-E2 do zaciskw A1-A2, a zwrot napicia Esz zaley od kierunku wirowania i kierunku strumienia szcztkowego. Jeeli wic zmieni si kierunek prdkoci lub nieprawidowo przyczy si uzwojenie wzbudzajce, to strumie wytworzony przez prd wzbudzenia bdzie skierowany przeciwnie ni strumie szcztkowy, co spowoduje, e maszyna si rozmagnesuje.

Proces samowzbudzenia si prdnicy bocznikowej trwa do chwili, gdy warto napicia U0 i prdu wzbudzenia If0 ustal si w tym punkcie, gdzie krzywa U=f(If) i prosta RfIf si przecinaj.

Strona11z43

Moe by wiele przyczyn niewzbudzenia si prdnicy bocznikowej, m.in.:

brak magnetyzmu szcztkowego; niewaciwy kierunek wirowania; niewaciwe poczenie obwodu wzbudzenia z obwodem twornika; przerwa w obwodzie wzbudzenia lub twornika; zbyt dua rezystancja obwodu wzbudzenia.

4) Prdnica szeregowa.

W prdnicy szeregowej uzwojenie wzbudzajce jest poczone szeregowo z uzwojeniem twornika (rys. 8.47). Prd obcienia tej prdnicy jest jednoczenie prdem wzbudzenia.

Jak wynika z charakterystyki zewntrznej napicie silnika zaley od prdu obcienia (rys. 8.48).

Jest to niekorzystne i dlatego prdnice szeregowe nie znajduj zastosowania.

Strona12z43

5) Prdnica szeregowo-bocznikowa.

Zalet prdnicy bocznikowej w porwnaniu z obcowzbudn jest to, e nie wymaga ona oddzielnego rda do zasilania obwodu wzbudzenia, natomiast wad jest jej silne zmniejszanie si napicia przy wzrocie obcienia. Wad t mona wyeliminowa wprowadzajc oprcz uzwojenia bocznikowego drugie uzwojenie wzbudzajce, poczone szeregowo z twornikiem, a zasilane w taki sposb, aby obydwa przepywy byy zgodne. Prdnic tak nazywamy szeregowo-bocznikow lub dozwolon (rys. 8.49).

Przez odpowiedni dobr liczby zwojw uzwojenia szeregowego uzyskuje si taki wzrost strumienia ze wzrostem prdu obcienia, e napicie na zaciskach pozostaje prawie stae.

Gdyby uzwojenie szeregowe zostao poczone nieprawidowo, strumie magnetyczny zmniejszaby si silnie ze wzrostem obcienia.

Strona13z43

3.2. Silniki prdu staego.

1) Silnik bocznikowy.

W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzajce jest poczone rwnolegle z uzwojeniem twornika i zasilane napiciem sieci U (rys. 8.52).

2) Silnik szeregowy.

W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzajce jest poczone szeregowo z uzwojeniem twornika (wirnika) i uzwojeniem biegunw komutacyjnych (rys. 8.58).

Prd pobierany z sieci jest jednoczenie prdem twornika i prdem wzbudzenia.

Waciwoci ruchowe silnikw szeregowych w zasadniczy sposb rni si od waciwoci ruchowych silnikw bocznikowych.

Strona14z43

Strumie zaley od prdu obcienia; wzrostowi momentu obcienia odpowiada wzrost prdu obcienia i wzrost strumienia zgodnie z charakterystyk magnesowania obwodu magnetycznego maszyny.

Bardzo dua prdko obrotowa przy maych obcieniach moe doprowadzi do uszkodzenia silnika ze wzgldu na przekroczenie jego wytrzymaoci mechanicznej.

Silnik szeregowy nie moe pracowa w stanie jaowym i musi by poczony z maszyn robocz za pomoc sprzga lub przekadni zbatej (nie wolno stosowa pasa klinowego).

Wad silnika szeregowego jest moliwo rozbiegania si, natomiast jego zalet jest duy moment rozwijany podczas rozruchu

Mr=cI2r

Moment rozwijany podczas rozruchu jest wprost proporcjonalny do kwadratu prdu rozruchowego.

Silniki te s stosowane do napdu urzdze ruszajcych pod duym obcieniem.

3) Silnik szeregowo-bocznikowy.

Silnik szeregowo-bocznikowy ma dwa uzwojenia wzbudzajce: bocznikowe i szeregowe (rys. 8.62.).

Silnik taki ma waciwoci zblione do silnika bocznikowego lub szeregowego w zalenoci od udziau przepyww bocznikowego i szeregowego.

W praktyce stosuje si zgodne poczenie uzwoje, tzn. takie e strumienie wytworzone przez uzwojenie szeregowe i bocznikowe dodaj si, przy czym przepyw bocznikowy odgrywa dominujc rol.

Strona15z43

3.2.1. Rozruch silnikw prdu staego.

W chwili rozruchu prdko silnika jest rwna zeru, wic sia elektromotoryczna indukowana E ma warto zero i rwnanie napi dla silnika przyjmuje posta:

Napicie doprowadzone do silnika w chwili rozruchu jest rwnowaone przez spadek napicia na rezystancji twornika, a wic prd rozruchowy pobierany przez silnik

jest bardzo duy w porwnaniu z prdem pobieranym w czasie pracy

Prd rozruchowy jest wielokrotnie wikszy od prdu znamionowego. Prd rozruchowy mona ograniczy przez zmniejszenie napicia zasilajcego lub wczenie w obwd twornika dodatkowego opornika o rezystancji Rar zwanego rozrusznikiem, wwczas:

W silnikach bocznikowych naley pamita, aby obwd wzbudzenia w czasie rozruchu by wczony za rozrusznikiem, ale tak aby by zasilany penym napiciem sieci.

Rozrusznik jest zwykle opornikiem kilkustopniowym dostosowanym do pracy krtkotrwaej.

Przy zaczeniu silnika bocznikowego z dodatkowym opornikiem zmniejsza si prd, a take moment silnika. Aby moment zmienia si w okrelonych granicach, podczas rozruchu wycza si kolejne sekcje rozrusznika przechodzc tym samym na kolejne charakterystyki, a po cakowitym zwarciu rozrusznika osignie si punkt pracy na charakterystyce naturalnej.

Schemat pocze silnika bocznikowego z rozrusznikiem pokazano na rys. 8.64, a przebieg rozruchu tego silnika na rys. 8.65.

Strona16z43

Rozruch silnika szeregowego przebiega podobnie, lecz naley pamita, e nie moe si on odbywa bez obcienia, poniewa silniki szeregowe rozwijaj w chwili rozruchu bardzo duy moment rozruchowy i mog si rozbiega.

W silnikach szeregowo-bocznikowych korzystny wpyw na waciwoci rozruchowe ma dozwojenie. Powoduje ono zwikszenie momentu rozruchowego, poza tym rozruch przeprowadza si w podobny sposb.

Do ograniczania prdu rozruchowego w silniku obcowzbudnym stosuje si takie same rozruszniki, jak w pozostaych typach silnikw.

Strona17z43

3.2.2. Regulacja prdkoci obrotowej.

Wzr na prdko silnika prdu staego z dodatkow rezystancj w obwodzie twornika Rar:

Z powyszej zalenoci wynika, e na zmian prdkoci wirowania wirnika maj wpyw: napicie U, rezystancja Rar oraz strumie . Oznacza to, e prdko obrotow mona regulowa:

przez zmian napicia zasilania twornika U, przez zmian rezystancji w obwodzie twornika Rar, przez zmian strumienia

Wszystkie te moliwoci s wykorzystywane w praktyce, a rni si one pod wzgldem:

zakresu regulacji kierunku regulacji (gra, d) ekonomicznym

a) regulacja szeregowa

Regulacja szeregowa polega na wczeniu rezystancji regulacyjnej Rar w szereg z obwodem twornika. Sposb ten stosuje si zarwno w silnikach bocznikowych jak i szeregowych.

Wczajc dodatkow rezystancj w obwd twornika moemy regulowa prdko obrotow w d, a wic poniej prdkoci odpowiadajcej pracy na charakterystyce naturalnej (rys. 8.66). Zakres regulacji zawiera si od prdkoci znamionowej do zera.

Regulacja szeregowa jest nieekonomiczna.

Strona18z43

b) regulacja bocznikowa

Regulacja bocznikowa sprowadza si do osabienia strumienia.

W silnikach bocznikowych i obcowzbudnych rezystancj regulacyjn Rfr wczamy w szereg z obwodem wzbudzenia, a w silniku szeregowym bocznikujemy obwd wzbudzenia.

Wczenie dodatkowej rezystancji w obwd wzbudzenia powoduje zmniejszenie strumienia i przy okrelonym prdzie powoduje wzrost prdkoci. Zwiksza si przy tym prdko biegu jaowego n0 oraz nachylenie charakterystyki mechanicznej (rys. 8.67).

Regulacja bocznikowa jest regulacj w gr od wartoci nN do ok. 3nN, a przy tym jest regulacj ekonomiczn.

Prowadzc regulacj prdkoci przez zmian strumienia naley mie wiadomo, jakie skutki moe wywoa nadmierne osabienie pola lub zanik prdu w obwodzie wzbudzenia silnika.

Jeeli przy biegu jaowym strumie zmaleje do wartoci strumienia szcztkowego, a silnik nie zatrzyma si, to prdko obrotowa wielokrotnie wzronie. Z tego wzgldu obwd wzbudzenia silnika bocznikowego i obcowzbudnego nie wolno rozwiera (w silniku szeregowym nie wolno zwiera obwodu wzbudzenia). Regulator wzbudzenia powinien by tak wykonany, aby jego rozwarcie byo niemoliwe.

c) regulacja przez zmian napicia zasilania

Regulacja prdkoci obrotowej przez zmian napicia twornika mona uzyska przez zastosowanie tyrystorowych regulatorw napicia.

Zmieniajc napicie zasilajce twornik, mona przy znamionowym obcieniu regulowa prdko od zera do wartoci wikszej od prdkoci znamionowej (rys. 8.68).

Strona19z43

W caym zakresie regulacji prd twornika nie ulega zmianie i zaley tylko od obcienia.

Przy regulacji prdkoci przez zmian napicia twornika charakterystyka regulacyjna jest liniowa.

Jest to metoda wygodna i praktycznie bez strat.

Strona20z43

4. Silniki prdu przemiennego. 4.1. Silniki indukcyjne (asynchroniczne).

Maszyny indukcyjne to takie, w ktrych napicie do obwodu wirnika nie jest doprowadzone z zewntrz, lecz pojawia si w wyniku indukcji elektromagnetycznej.

Maszyny indukcyjne maj prost budow i w zwizku z tym charakteryzuj si du pewnoci ruchow, atwoci obsugi oraz nisk cen. Dziki temu znalazy one zastosowanie, najczciej jako silniki lub hamulce elektryczne, a rzadziej jako prdnice zwykle do wytwarzania energii elektrycznej w maych elektrowniach. W specjalnych wykonaniach s stosowane jako przesuwniki fazowe, transformatory nastawne (regulatory indukcyjne), przetwornice czstotliwoci, sprzga indukcyjne, serwomechanizmy.

Silniki indukcyjne maj dobre waciwoci eksploatacyjne i ruchowe. Ich charakterystyki mona ksztatowa przez zmian warunkw zasilania i przez zmian impedancji zewntrznej przyczanej do uzwoje maszyny. Dlatego te s powszechnie stosowane w ukadach napdowych o regulowanej i nieregulowanej prdkoci obrotowej.

Rozrnia si:

- ze wzgldu na sposb zasilania:

maszyny indukcyjne jednofazowe maszyny indukcyjne dwufazowe maszyny indukcyjne trjfazowe

- ze wzgldu na sposb wykonania uzwojenia wirnika:

maszyny piercieniowe maszyny klatkowe

- ze wzgldu na rodzaj ruchu:

maszyny indukcyjne wirujce maszyny indukcyjne liniowe

Silniki indukcyjne buduje si obecnie o mocach od kilku watw do kilku megawatw przy napiciach zasilajcych od 100 V do 15 kV.

4.1.1. Dlaczego obraca si silnik maszyny indukcyjnej.

Przy zamknitych obwodach uzwojenia wirnika pynie prd. Wtedy strumie wirujcy oddziauje na prd w uzwojeniu wirnika, wywoujc si dziaajc w kierunku pokazanym na rys. 5.1, na ktrym zaznaczono take kierunek wirowania strumienia z prdkoci n1, kierunki napi (a wic i prdw) indukowanych w zamknitych obwodach wirnika i kierunki si F dziaajcych na przewody z prdem. Na skutek dziaania tych si osadzony w oyskach wirnik obraca si w kierunku dziaania tych si, a wic w kierunku wirowania strumienia magnetycznego. W uzwojeniach wirnika indukuje si napicie tylko wtedy, kiedy istnieje

Strona21z43

ruch strumienia wzgldem tych uzwoje. Dlatego pod wpywem omawianych si wirnik maszyny indukcyjnej moe wirowa tylko z prdkoci n mniejsz od prdkoci synchronicznej, gdy przy prdkoci synchronicznej uzwojenie wirnika byoby nieruchome wzgldem strumienia i nie indukowayby si w nim napicia. Prdko rna od synchronicznej nazywa si prdkoci asynchroniczn i dlatego maszyny indukcyjne s nazywane take maszynami asynchronicznymi.

4.1.2. Silnik klatkowy.

Wirnik klatkowy skada si z nieizolowanych prtw, najczciej aluminiowych (materia lekki i dobrze przewodzcy prd) poczonych na kocach metalowymi przewodzcymi piercieniami (najczciej z aluminium, miedzi, mosidzu). Widok takiej klatki przedstawia rysunek 15. Dla silnikw maej mocy czsto cay wirnik wykonywany jest w postaci jednolitego odlewu.

Wykonana w ten sposb klatka stanowi wielofazowe uzwojenie zwarte. Indukowane w takiej klatce napicia (pod wpywem pola stojana) s mae, prdy natomiast stosunkowo due ze wzgldu na may opr elektryczny takiej klatki. Prty klatki nie s w praktyce prowadzone rwnolegle do osi obrotu, lecz z lekkim skosem, a to ze wzgldu na cichsz prac silnika i atwiejszy rozruch. Podobnie stojan wirnik take posiada rdze z blach elektrotechnicznych ze obkami w ktrych prowadzone s prty klatki lub uzwojenie. Na due moce (rzdu setek kW i pojedynczych MW) wykonywane s silniki klatkowe gbokoobkowe i dwuklatkowe. Posiadaj one korzystne charakterystyki rozruchowe.

Strona22z43

Symbol trjfazowego silnika indukcyjnego, klatkowego na schematach elektrycznych jest przestawiony na rysunku 17.

Po lewej stronie zaznaczone s przewody sieci zasilajcej (w tym przypadku trjprzewodowej). Zasilany jest stojan, symbolicznie przedstawiony jako zewntrzny, wikszy okrg. Wirnik nie ma adnych wyprowadze.

4.1.3. Silnik piercieniowy.

Wirnik w silniku piercieniowym posiada uzwojenia nawinite, podobnie jak stojan, przewodami izolowanymi. Prowadzone s one w obkach blach wirnika (widok takiej blachy pokazany jest na rysunku 18).

Strona23z43

Wszystkie fazy tego uzwojenia najczciej zwarte s pocztkami (tworzc poczenie w gwiazd), i z wyprowadzonymi kocami. Kady z kocw (w przypadku silnika trjfazowego jest ich oczywicie trzy) przyczony jest do jednego piercienia (najczciej miedzianego) osadzonego na wale wirnika i od niego odizolowanego.

Na kadym z tych piercieni lizga si szczotka wglowa, przyczona do tabliczki zaciskowej silnika. Dziki temu do uzwojenia wirnika silnika piercieniowego mona przyczy rezystory zewntrzne, suce np. do rozruchu lub regulacji prdkoci obrotowej silnika (patrz rozdzia czwarty). Stosowane jest take skojarzenie uzwoje wirnika w trjkt, najczciej dla silnikw wikszych mocy, rzdu dziesitek kW. Symbol silnika piercieniowego na schematach elektrycznych przedstawiony jest na rysunku 20.

Uzwojenie stojana zasilane jest podobnie jak w poprzednim przypadku. Natomiast wyprowadzone s jeszcze uzwojenia wirnika (trzy koce). Wirnik symbolicznie oznaczany jest jako mniejszy, wewntrzny okrg, tak jak w rzeczywistym silniku, obracajcy si wewntrz stojana. Silniki asynchroniczne piercieniowe s drosze od klatkowych i w efekcie nie s tak rozpowszechnione.

4.1.4. Rozruch silnikw indukcyjnych (asynchronicznych).

Rozruchem nazywamy taki stan pracy od chwili zaczenia napicia do osignicia przez maszyn ustalonej prdkoci okrelonej parametrami zasilania (napiciem i czstotliwoci) i obcienia (momentem hamujcym).

Rozruch silnika jest moliwy tylko wtedy, gdy istnieje nadwyka momentu wytworzonego przez silnik M nad momentem obcienia Mh. Przy rozpatrywaniu jakoci rozruchu bardzo istotna jest warto prdu pobieranego z sieci w czasie rozruchu prd ten nazywa si prdem rozruchowym Ir, oraz warto momentu rozwijanego przez silnik w chwili rozruchu moment ten nazywa si momentem rozruchowym Mr (lub momentem pocztkowym).

Strona24z43

Na podstawie uproszczonego schematu zastpczego silnika w stanie zwarcia (s = 1) okrelamy:

prd rozruchowy pobierany z sieci

przyblion warto prdu silnika pracujcego w warunkach znamionowych

Z porwnania tych dwch zalenoci wynika, e prd pobierany podczas rozruchu ze zwartym uzwojeniem wirnika jest kilkukrotnie wikszy od prdu znamionowego (Ir = 410IN).

Rozruch bezporedni, polegajcy na zasileniu silnika penym napiciem znamionowym, mona stosowa tylko przy silnikach maych.

Dla silnikw wikszych mocy stosuje si rne sposoby poprawy warunkw rozruchu silnika.

Dy si do tego, aby w czasie rozruchu:

zmniejszy prd rozruchowy, ale jednoczenie (o ile to moliwe) powikszy moment rozruchowy.

Mona to osign nastpujcymi metodami:

przez zmian napicia zasilania uzwojenia stojana (za pomoc przecznika gwiazda-trjkt. autotransformatora lub transformatora)

przez wczenie rezystancji lub reaktancji dodatkowej w obwd wirnika przez wczenie rezystancji lub reaktancji dodatkowej w obwd stojana przez zmian czstotliwoci napicia zasilajcego uzwojenie stojana

Std wynikaj najczciej stosowane w praktyce sposoby rozruchu silnikw indukcyjnych.

Strona25z43

4.1.4.1. Rozruch za pomoc rozrusznika.

Ten sposb rozruchu mona stosowa tylko dla silnikw piercieniowych. Polega on na wczeniu w obwd uzwojenia wirnika nastawianej (pynnie lub skokowo) rezystancji dodatkowej, nazywanej rozrusznikiem.

Silnik przycza si do sieci zasilajcej z wczonym w obwd wirnika rozrusznikiem nastawionym na najwiksz rezystancj (pooenie 4 na rys. 6.26b).

Strona26z43

Po osigniciu odpowiedniej prdkoci obrotowej naley przeczy rozrusznik na nastpny stopie (pooenie 3) i kolejno a do zwarcia rozrusznika.

Przeczenia powinny nastpowa w takiej chwili, aby nie pojawi si prd wikszy ni pocztkowy prd rozruchowy.

Przy przedwczesnym przeczeniu z jednego na drugi nastpioby niepodane, nadmierne uderzenie prdu i nage zwikszenie momentu obrotowego. Byoby to przyczyn gwatownych przyspiesze i niespokojnej pracy maszyny. Zbyt pne przeczenie z jednego stopnia na drugi powoduje wyduenie czasu rozruchu.

Od waciwego doboru rozrusznika i sposobu posugiwania si nim zaley przebieg zjawiska przy rozruchu (rys. 6.26c). Im wiksza jest liczba stopni rozrusznika, tym pynniejszy i krtszy jest rozruch. Sterowanie urzdzeniem rozruchowym moe by rczne lub automatyczne.

4.1.4.1.1. Przeznaczenie rozrusznikw.

Rozruszniki s przeznaczone do pracy dorywczej lub przerywanej (tylko w czasie rozruchu) i dlatego oblicza si je pod wzgldem cieplnym na krtki czas pracy. Naley pamita, e nie mona uywa rozrusznika do pracy cigej, gdy grozioby mu nadmierne nagrzanie i uszkodzenie.

4.1.4.1.2. Samorozruch silnikw indukcyjnych.

Nawet przy krtkotrwaym zaniku lub znacznym obnieniu napicia nastpuje zmniejszenie si prdkoci obrotowej i silnikowi grozi utknicie. Jeeli czas trwania zaniku napicia jest krtszy od czasu potrzebnego silnikowi na zatrzymanie si od chwili wyczenia silnika z sieci, to w okrelonych warunkach jest moliwe utrzymanie silnika w ruchu i w miar wzrostu napicia powrt do normalnego stanu pracy po pewnym czasie. Proces ten nazywamy samo rozruchem silnika.

4.1.4.2. Rozruch za pomoc przecznika gwiazda trjkt.

Przecznik gwiazda trjkt moe by uywany do rozruchu tylko takich silnikw indukcyjnych, ktre maj wyprowadzone na tabliczk znamionow sze kocwek uzwojenia stojana. Napicie sieci zasilajcej powinno by rwne napiciu znamionowemu uzwojenia stojana poczonego w trjkt.

4.1.4.2.1. Zasada dziaania.

Silnik zacza si do sieci przy ustawieniu przecznika na rozruch w takim pooeniu, przy ktrym uzwojenie stojana jest poczone w gwiazd (rys. 6.27a). Wirnik silnika zaczyna wirowa. W chwili, gdy ustali si prdko obrotowa wirnika, przecznik naley przeczy w pooenie, przy ktrym uzwojenie stojana zostanie poczone w trjkt.

Zmiany momentu oraz prdu pobieranego przez silnik z sieci w czasie takiego rozruchu przedstawionego na rys. 6.27b.

Strona27z43

Po podczeniu w gwiazd i waciwym doborze silnika, napicie kadej fazy uzwojenia stojana jest 3 - krotnie mniejsze ni napicie znamionowe. Prd pobierany w tym stanie sieci jest wic w przyblieniu 3 krotnie mniejszy ni prd, jaki popynby w przypadku poczenia w trjkt.

Moment rozruchowy jest rwnie w przyblieniu 3 krotnie mniejszy ni moment powstajcy przy poczeniu w trjkt.

Ten sposb rozruchu stosuje si tylko do rozruchw lekkich (silnik obciony niewielkim momentem hamujcym).

Strona28z43

4.1.4.3. Rozruch za pomoc autotransformatora.

Ukad pocze do rozruchu za pomoc transformatora lub autotransformatora przedstawiono na rys. 6.28.

Transformatory stosowane do tego celu maj sta lub nastawialn (pynnie lub skokowo) przekadni napiciow nu. Napicie sieci zasilajcej powinno by rwne napiciu znamionowemu stojana.

4.1.4.3.1. Zasada dziaania.

Rozruch silnika rozpoczyna si przy nastawieniu wartoci napicia odpowiadajcej przyjtemu nieprzekraczalnemu prdowi rozruchowemu zamykajc wyczniki W1, W2, W3 przy otwartym wyczniku W4. Nastpnie, jeeli transformator ma regulowan przekadni, stopniowo powiksza si napicie zasilajce silnik do wartoci znamionowej.

Po ustaleniu si prdkoci silnika, otwiera si wycznik W2 i W3, zamykajc natychmiast wycznik W4. W tym przypadku napicie zasilajce silnik Ur jest nisze od napicia sieci U.

1

Moment rozruchowy

1

jest razy mniejszy od momentu przy penym napiciu, a prd hamulcowy:

1

jest nu razy mniejszy od prdu pyncego w uzwojeniach silnika w czasie rozruchu przy penym napiciu. Prd pyncy za w uzwojeniu pierwotnym autotransformatora, czyli prd pobierany z sieci:

Strona29z43

1 1

jest razy mniejszy od prdu pyncego podczas rozruchu bezporedniego.

Wniosek.

Stosujc do rozruchu autotransformatora o przekadni nu2 uzyskuje si zmniejszenie momentu rozruchowego razy, co jest wad tej metody rozruchu oraz zmniejszenie prdu pobieranego z sieci razy, co jest zalet. Jednoczenie nu razy zmniejsza si prd pyncy w uzwojeniach silnika.

4.1.4.4. Rozruch za pomoc rezystancji wczonej w obwd stojana.

Ten sposb rozruchu jest stosowany tylko w przypadku silnikw maej mocy, poniewa uzyskuje si tu ograniczenie prdu rozruchowego, ale jednoczenie bardzo znaczne zmniejszenie momentu rozruchowego.

4.1.5. Zmiana kierunku wirowania i regulacja prdkoci.

1. Aby zmieni kierunek wirowania wirnika silnika indukcyjnego, naley wic zmieni kierunek wirowania pola magnetycznego w maszynie. Aby to uzyska naley zmieni kolejno faz sieci zasilajcej silnik.

2. Prdko obrotowa wirnika silnika indukcyjnego bdzie si zmieniaa, jeeli zmienia si jedna z wielkoci:

czstotliwo napicia zasilajcego liczba par biegunw magnetycznych polizg

4.1.5.1. Regulacja prdkoci przez zmian czstotliwoci napicia

zasilajcego.

Zmieniajc czstotliwo zasilania f1, regulujemy prdko wirowania pola magnetycznego, a w konsekwencji prdko wirowania wirnika. Sposb ten umoliwia regulacj prdkoci pynn lub skokow w zakresie od prdkoci rwnej zeru do prdkoci maksymalnej dopuszczalnej ze wzgldw wytrzymaociowych.

W wikszoci przypadkw jest podane zachowanie staej wartoci strumienia, dlatego regulujc czstotliwo f1 naley tak zmienia warto napicia zasilajcego, aby /

(rys. 6.29b).

Sposb ten wymaga oddzielnego rda zasilania o regulowanej czstotliwoci. Metoda ta staje si coraz bardziej popularna.

Regulacja prdkoci przez zmian czstotliwoci napicia zasilajcego polega na zastosowaniu pprzewodnikowych regulatorw mocy, zwanych falownikami.

Strona30z43

4.1.5.2. Regulacja prdkoci przez zmian liczby par biegunw.

Regulacja prdkoci przez zmian par biegunw mona osign stosujc:

dwa niezalene uzwojenia w stojanie o rnych liczbach biegunw magnetycznych jedno uzwojenie, ktre mona przecza tak, aby wytwarzao pola o rnych liczbach

par biegunw

Umieszczenie w stojanie dwch niezalenych uzwoje o rnych liczbach par biegunw umoliwia skokow regulacj prdkoci obrotowej (dwie prdkoci) przez zmian uzwojenia przyczonego do sieci zasilajcej.

Ten sposb regulacji jest stosowany tylko w silnikach klatkowych, gdy klatka sama dostosowuje si pod wzgldem liczby par biegunw do liczby par biegunw uzwojenia stojana.

Umieszczenie dwch uzwoje wpywa na powikszenie wymiarw silnika i gorsze wykorzystanie materiau.

Silniki, w ktrych dokonuje si regulacji prdkoci obrotowej przez zmian liczby par biegunw magnetycznych nazywamy wielobiegunowymi.

Znalazy one szerokie zastosowanie szczeglnie do napdu obrabiarek. Koszt silnika czterobiegunowego jest wikszy ni kosz silnika zwykego o takiej samej mocy, a mimo to stosowanie go w rnych napdach jest opacalne.

Strona31z43

4.1.5.3. Regulacja prdkoci przez zmian rezystancji w obwodzie wirnika (zmian polizgu z jakim pracuje silnik).

Jeli silnik pracuje ze zwartymi piercieniami (Rd = 0) i napdza maszyn robocz o staym momencie hamujcym Mh niezalenym od prdkoci obrotowej (rys. 6.30), to po wczeniu rezystancji dodatkowej Rd1 w obwd wirnika ustali si nowy punkt pracy 1 przy prdkoci obrotowej wirnika zmniejszonej do wartoci nI. Dalszy wzrost rezystancji do wartoci Rd2 spowoduje dalsze zmniejszenie prdkoci obrotowej do wartoci nII.

Ten sposb regulacji jest nieekonomiczny, poniewa w rezystorach regulacyjnych wystpuj due straty mocy. Stosuje si go w szerszym zakresie prdkoci tylko dla maych silnikw, natomiast w silnikach duych tylko do regulacji prdkoci w zakresie 1015 %.

4.1.5.4. Regulacja prdkoci przez zmian napicia zasilajcego (zmian polizgu, z jakim pracuje silnik).

Przy staym momencie hamujcym Mh, na zmian polizgu z jakim pracuje silnik, mona take wpyn przez zmian napicia zasilajcego U1. Polizg krytyczny sk, przy ktrym wystpuje moment krytyczny Mk, nie zmienia si, ale zmianie ulega warto tego momentu.

Na rys. 6.31 pokazano przebieg zmian prdkoci przy obcieniu staym momentem hamujcym Mh = MN, przy zmianach napicia zasilajcego.

Strona32z43

Punkt pracy 1 znajduje si na charakterystyce naturalnej w przeciciu z prost Mh = MN; odpowiada mu prdko znamionowa nN. Punkty 2 i 3 s odpowiednio punktami pracy przy obnionych napiciach; odpowiadaj im prdkoci obrotowe n2 i n3.

Przy napiciu obnionym do 0,7UN moment krytyczny Mk = MN. Jest to wic graniczna krzywa, wyznaczajca dla Mh = MN zakres regulacji prdkoci w granicach , co odpowiada zakresowi polizgw . Oznacza to, e zakres regulacji prdkoci obrotowej przez zmian napicia zasilajcego wynosi niewiele ponad 10 % w d od prdkoci znamionowej.

Ten sposb regulacji prdkoci obrotowej nie jest wic korzystny. Zakres regulacji jest bardzo may, a dodatkowo silnikowi grozi utknicie na skutek zmniejszenia si przecialnoci. W praktyce ten sposb regulacji prdkoci obrotowej silnika indukcyjnego prawie nie jest stosowany.

WNIOSEK:

Silniki indukcyjne w porwnaniu z innymi silnikami (np. silnikami prdu staego) maj mae moliwoci regulacji prdkoci obrotowej. Jest to jedna z wad tych silnikw. Dopiero szersze stosowanie techniki pprzewodnikowej (do regulacji czstotliwoci napicia zasilajcego) spowoduje wyeliminowanie tej wady.

Strona33z43

4.2. Rodzaje maszyn synchronicznych.

4.2.1. Co to jest maszyna synchroniczna.

Maszyn synchroniczn nazywamy si maszyn prdu przemiennego, ktrej wirnik w stanie ustalonym obraca si z tak sam prdkoci, z jak wiruje pole magnetyczne.

4.2.2. Zasada dziaania i zalenoci wystpujce w maszynie synchronicznej.

Midzy prdkoci obrotow maszyny synchronicznej n (w obr/min), liczb par biegunw magnetycznych p i czstotliwoci f (w Hz) wystpuje staa zaleno:

60

Strumie magnetyczny w maszynie synchronicznej moe by wytwarzany przez magnes trway lub znacznie czciej przez elektromagnes. Bieguny magnetyczne wytwarzajce stay w czasie strumie magnetyczny, najczciej s umieszczone w wirniku, zwanym magnenic. Jeeli strumie jest wytwarzany przez elektromagnes, to uzwojenie magnesw (moe by ono skupione lub rozoone, rys. 7.1) jest zasilane prdem staym zwanym prdem wzbudzenia.

W stojanie (zwanym twornikiem) jest umieszczone uzwojenie prdu przemiennego jednofazowego lub znacznie czciej trjfazowe (rys. 7.2).

Strona34z43

Prd wzbudzenia jest pobierany zwykle z obcego rda, np. baterii akumulatorw lub prdnicy prdu staego, zwanej wzbudnic, ktra moe by umieszczona na wsplnym wale z maszyn synchroniczn.

Moc potrzebna do wzbudzenia maszyny synchronicznej na og nie przekracza 1 % jej mocy znamionowej (rys. 7.3).

Strona35z43

W maych maszynach stosuje si niekiedy tak konstrukcj, e uzwojenie wzbudzajce jest umieszczone w stojanie, wtedy stojan jest magnenic, a wirnik jest twornikiem (rys. 7.4).

W duych maszynach taka budowa jest niecelowa, poniewa odprowadzenie duych prdw z wirnika wymagaoby duych wymiarw szczotek i piercieni.

Strona36z43

Maszyny synchroniczne mog pracowa jako:

prdnice silniki kompensatory synchroniczne

Jeeli uzwojenie wzbudzajce jest zasilane prdem staym, to wytworzy si strumie f. Przy napdzaniu wirnika ze sta prdkoci n, strumie magnetyczny skojarzony z dan faz uzwojenia stojana zmienia si sinusoidalnie i indukuje w tej fazie napicie, ktre rwnie zmienia si sinusoidalnie. Jeeli w tworniku znajduje si uzwojenie trjfazowe, to indukuje si w nim ukad napi trjfazowych. Maszyna przetwarza doprowadzon do niej energi mechaniczn w elektryczn, jest wic prdnic.

W sytuacji odwrotnej, gdy uzwojenie stojana zasilimy z sieci symetrycznym prdem trjfazowym o czstotliwoci f1, powstanie pole magnetyczne wirujce z prdkoci . Uzwojenie wirnika jest zasilane za pomoc piercieni lizgowych, z oddzielnego rda

prdu staego, w wyniku czego w wirniku wytworzy si pole magnetyczne stae. Wirnik powinien by tak skonstruowany, aby wytworzona liczba biegunw magnetycznych bya taka sama, jak liczba biegunw magnetycznych wytworzonych przez uzwojenie stojana.

Maszyna elektryczna moe napdza maszyn robocz: pobierajc moc elektryczn, przetwarza j w moc mechaniczn i dlatego pracuje jako silnik. Poniewa praca jest moliwa tylko przy jednej synchronicznej prdkoci, dlatego maszyn tak nazywa si maszyn synchroniczn.

Jeeli moment obciajcy silnik synchroniczny bdzie si zwiksza, to spowoduje to opnienie wirniki w stosunku do wirujcego pola stojana o pewien kt, ale wirnik bdzie dalej wirowa synchronicznie, gdy dziki ktowi rozchylenia midzy strumieniami stojana i wirnika i przyciganiu si tych strumieni powstaje moment obrotowy rwnowacy zewntrzny moment hamujcy.

Gdyby jednak silnik zosta obciony momentem wikszym ni maksymalny moment elektromagnetyczny, jaki wystpuje przy kcie zawartym midzy osiami pl magnetycznych stojana i wirnika rwnym 90o, silnik wypadby z synchronizmu i si zatrzyma.

Zakres mocy produkowanych obecnie maszyn synchronicznych zawiera si w granicach od kilkudziesiciu watw (mikrosilniki synchroniczne) do 1500 MW przy napiciach od kilku woltw do 28 kV.

Strona37z43

4.2.3. Budowa maszyn synchronicznych.

Maszyny synchroniczne s budowane w dwch zasadniczych odmianach:

z biegunami utajonymi (z wirnikiem cylindrycznym) z biegunami jawnymi (z wirnikiem jawno biegunowym)

Obwd magnetyczny stojana (rdze) tworz pakiety zoone z blach o gruboci 0,350,5 mm. Rdze jest osadzony w korpusie wykonanym jako odlew lub konstrukcja spawana. W obkach pakietu twornika jest umieszczone uzwojenie prdu przemiennego jednofazowe lub trjfazowe. Stojan maszyny synchronicznej jest wykonany bardzo podobnie do stojana maszyny indukcyjnej.

Wirnik maszyny synchronicznej nie jest przemagnesowany, wykonuje si go wic z materiau litego (odkuwki stalowej lub odlewu staliwnego). Na wirniku jest umieszczone uzwojenie wzbudzajce zasilane prdem staym. Szczelina powietrzna jest w maszynie synchronicznej znacznie wiksza ni w maszynie indukcyjnej i wynosi 550 mm. Dua szczelina powietrzna wymaga wikszego prdu i powoduje wiksze straty mocy wzbudzenia, lecz jest korzystna ze wzgldu na przecialno maszyny.

Kada maszyna musi mie odpowiednio wykonany ukad chodzenia do odprowadzania ciepa powstaego w wyniku strat w stali i miedzi.

4.2.4. Rodzaje maszyn synchronicznych.

a) maszyny z biegunami utajonymi

Maszyny z biegunami utajonymi to maszyny pracujce z duymi prdkociami obrotowymi, najczciej jako generatory napdzane turbinami parowymi, std ich nazwa turbogeneratory. Ich prdko wynosi 3000 obr/min (rzadziej 1500 obr/min), aby wic uzyska czstotliwo napicia 50 Hz naley zastosowa uzwojenie dwubiegunowe. Wszystkie turbogeneratory pracuj z waem w pooeniu poziomym (rys. 7.5). Maszyny o takiej budowie mog rwnie pracowa jako silniki.

Strona38z43

Wirnik turbogeneratora (magnenica) jest wykonany z odkuwki cznie z waem z wysokowytrzymaociowej stali magnetycznej.

obek (rys. 7.6) jest wyoony odpowiedni izolacj, a poszczeglne prty uzwojenia wzbudzajcego s izolowane midzy sob. W celu zabezpieczenia uzwoje przed wypadniciem, obki s zaklinowane klinami z metali niemagnetycznych, np. z mosidzu, twardych stopw aluminiowych. Poczenia czoowe uzwoje, lece poza obkami, s zabezpieczone przed dziaaniem si odrodkowych za pomoc cylindrycznych oson, tzw. kopakw (rys. 7.7). Kopaki s elementem podlegajcym najwikszym napreniom w turbogeneratorze, dlatego te wykonuje si je z wysokogatunkowej stali o duej wytrzymaoci. Kocwki uzwojenia wzbudzajcego s wyprowadzone do piercieni lizgowych przez odpowiednie otwory w wale. Po piercieniach lizgaj si szczotki umieszczone w trzymadach szczotkowych.

Strona39z43

Rdze stojana jest wykonany z pakietw izolowanych blach elektromagnetycznych o maej stratnoci. Grubo pakietu wynosi 45 cm. Znajdujce si midzy pakietami blach rozprki tworz promieniowe kanay wentylacyjne o gruboci kilku milimetrw. Rdze znajduje si w spawanym korpusie, ktry spenia rol konstrukcji nonej, a jednoczenie dziki odpowiednim komorom ukierunkowuje przepyw czynnika chodzcego.

W obkach stojana (rys. 7.9) jest umieszczone dwuwarstwowe uzwojenie twornika. W celu zabezpieczenia przed skutkami bardzo duych si przy zwarciach, poczenia czoowe s mocowane do odpowiednich wspornikw na obwodzie.

Maksymalne napicie znamionowe, na jakie s wykonywane turbogeneratory, to 28 kV. Tak wysokie napicie wymaga szczeglnej izolacji. Izolacj wykonuje si na prtach poza maszyn, a nastpnie gotowe, zaizolowane i sprasowane do odpowiednich wymiarw prty s ukadane w obkach. W turbogeneratorach najczciej stosuje si chodzenie powietrzne porednie w obiegu zamknitym.

Ze wzgldu na to, e sprawno turbin duych jest znacznie wiksza ni maych, turbogeneratory dla potrzeb energetyki zawodowej s budowane na maksymalne moce. Obecnie moc graniczn jest 1500 MW. Zwikszenie mocy mona uzyska przez zwikszenie wymiarw i lepsze wykorzystanie materiaw. Zwikszenie wymiarw jest ograniczone ze wzgldw wytrzymaociowych i transportowych. Popraw wykorzystania materiaw uzyskuje si przez zwikszenie ich obcienia, a to wymaga bardzo intensywnego chodzenia w celu utrzymania przyrostw temperatury w dopuszczalnych granicach.

W turbogeneratorach o mocach do 200 MW stosuje si bezporednie chodzenie wodorowe uzwoje wirnika (rys. 7.11) i porednie chodzenie wodorowe uzwoje stojana. Przy mocach powyej 200 MW w uzwojeniu stojana musi by zastosowane chodzenie bezporednie.

Strona40z43

b) maszyny z biegunami jawnymi

Do grupy maszyn z biegunami jawnymi nale hydrogeneratory, tj. generatory napdzane turbinami wodnymi. Poniewa turbiny wodne maj mae prdkoci, dlatego te hydrogeneratory musz by wykonane z du liczb biegunw. Przy prdkociach kilkudziesiciu obrotw na minut liczba biegunw wynosi kilkadziesit. Przy maej prdkoci obrotowej siy odrodkowe s niewielkie i rednice mog by odpowiednio due. Dochodz one do kilkunastu metrw przy mocach dochodzcych do kilkuset megawatw. Wirniki takie maj ma dugo. Maszyny takie najczciej pracuj z waem pionowym (rys. 7.13).

Nabiegunniki, a czasami cae bieguny, s wykonane z blachy o dugoci ok. 1 mm. W zewntrznej czci nabiegunnikw czsto umieszcza si prty zwarte na obu kocach przez odpowiednie piercienie. Tworzy si w ten sposb klatk tumic lub rozruchow. Pozostae

Strona41z43

zasady budowy s podobne do zasad budowy turbogeneratorw. Moce znamionowe hydrogeneratorw dochodz do kilkuset megawatw (rys. 7.14).

c) silniki synchroniczne

Zasady budowy silnikw synchronicznych duej mocy s takie same, jak generatorw. Silniki synchroniczne maej mocy (do kilku kilowatw) s wykonywane z magnenic w stojanie, a twornikiem w wirniku. Coraz szersze zastosowanie znajduj maszyny synchroniczne z magnesami trwaymi.

4.3. Silniki synchroniczne.

Silnik synchroniczny jest zbudowany podobnie jak prdnica, z tym e wikszo silnikw ma zabudowan w wirniku klatk rozruchow umoliwiajc samoczynny rozruch.

W wikszoci przypadkw silniki synchroniczne s wykonywane jako maszyny z biegunami jawnymi, a wic wystpuje w nich nie tylko moment synchroniczny, ale i moment reluktancyjny.

Podstawow wad silnika synchronicznego jest brak momentu rozruchowego. Dzieje si tak dlatego, e przy nieruchomym wirniku wytworzony przez uzwojenie twornika strumie wirujc napotyka kolejno bieguny wirnika rnych znakw pocigajc je raz w jednym raz w drugim kierunku. rednia warto momentu obrotowego jest rwna zeru i wirnik i wirnik nie moe ruszy z miejsca.

Strona42z43

4.3.1. Rozruch silnikw synchronicznych.

Rozruch silnika synchronicznego mona przeprowadza:

wykorzystujc moment asynchroniczny silnika synchronicznego wytworzony przez klatk rozruchow i lity blok elaza wirnika, po wczeniu silnika do sieci;

stosujc pomocnicz maszyn napdow; wykorzystujc moment synchroniczny (tzw. rozruch czstotliwociowy)

4.3.1.1. Rozruch asynchroniczny

Silniki synchroniczne, dla ktrych przewiduje si ten typ rozruchu, s wyposaone w klatk rozruchow (podobn do klatki wirnika silnika indukcyjnego klatkowego) umieszczon w nabiegunnikach. Klatka rozruchowa jest wykonana z brzu lub mosidzu, w celu powikszenia momentu rozruchowego. Silnik taki ma w wirniku dwa uzwojenia: wzbudzajce i klatki rozruchowej.

Po przyczeniu twornika do sieci, w rozwartym uzwojeniu wzbudzajcym indukowaoby si napicie, w pocztkowym okresie rozruchu wielokrotnie wiksze od znamionowego. Wynika to std, e wirnik jest w pierwszej chwili nieruchomy, a wic pole wirujce wytworzone przez przepyw stojana wirowaoby z bardzo du prdkoci wzgldem wirnika. Tak due napicie stwarzaoby grob przebicia izolacji uzwojenia wzbudzajcego i mogoby by niebezpieczne dla obsugi. Aby nie dopuci do powstania przepicia, naley zamkn obwd wzbudzenia przez odpowiednio dobran rezystancj (rys. 7.38).

Po osigniciu przez silnik prdkoci obrotowej, przy ktrej polizg s < 0,05, naley odczy rezystancj przyczon do uzwojenia wzbudzajcego i zasili to uzwojenie napiciem. Pod wpywem wytworzonego momentu synchronicznego silnik wchodzi w synchronizm, przy czym przebieg zjawiska jest taki sam, jak przy wczaniu do sieci prdnicy metod samosynchronizacji. Jeeli rozruch silnika odbywa si na biegu jaowym, to silnik moe wej w synchronizm pod wpywem momentu reluktancyjnego i wtedy napicie wzbudzenia

Strona43z43

wcza si przy prdkoci synchronicznej. Po wczeniu napicia wzbudzenia naley nastawi prd wzbudzenia na warto zblion do wartoci znamionowej, aby ewentualne zmiany momentu obcienia nie powodoway wypadnicia silnika z synchronizmu.

Silnik synchroniczny podczas rozruchu asynchronicznego pobiera duy prd rozruchowy, niekiedy znacznie wikszy od znamionowego, ktry moe powodowa wahania napicia sieci oraz nadmierne nagrzewanie si silnika. Prd rozruchowy ogranicza si takimi samymi metodami, jak w silniku indukcyjnym (jeeli pozwalaj na to warunki rozruchu).

4.3.1.2. Rozruch za pomoc dodatkowej maszyny

Przy zastosowaniu rozruchu z dodatkow maszyn napdzajc, silnik synchroniczny zacza si do sieci tak, jak prdnic, a wic metod synchronizacji dokadnej lub samosynchronizacji. Ten sposb rozruchu, ze wzgldu na konieczno stosowania dodatkowych maszyn, jest kopotliwy i dlatego jest stosowany bardzo rzadko.

4.3.1.3. Rozruch czstotliwociowy

Ten sposb rozruchu polega na zasilaniu uzwojenia twornika uruchamianego silnika z oddzielnej prdnicy synchronicznej, ktrej prdko obrotow, a wic i czstotliwo, zwiksza si od zera do prdkoci synchronicznej. Jeeli uzwojenie silnika jest zasilane przy wczonym wzbudzeniu silnika, to przy powolnym uruchamianiu prdnicy i stopniowym zwikszaniu jej prdkoci, wirnik silnika bdzie nada za wirnikiem prdnicy. Po osigniciu prdkoci obrotowej, odpowiadajcej czstotliwoci sieci, mona wczy cay zesp do sieci, odczajc jednoczenie prdnic rozruchow.

Do rozruchu czstotliwociowego mona stosowa zamiast prdnic synchronicznych przetwornik czstotliwoci.