materiały dydaktyczne maszyny elektryczne i napędy elektryczne

of 34/34
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 1 Materiały dydaktyczne Maszyny elektryczne i napędy elektryczne Semestr V Wykłady

Post on 11-Jan-2017

226 views

Category:

Documents

4 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    1

    Materiay dydaktyczne

    Maszyny elektryczne i napdy elektryczne

    Semestr V

    Wykady

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    2

    Wprowadzenie

    Prezentowane opracowanie nie jest rwnowane wykadom z tego przedmiotu, ze wzgldu na skrtow form opisu. Ma natomiast pomc studentom w przygotowaniu si do egzaminu, poprzez zwrcenie uwagi na podstawowe, lecz istotne kwestie, dotyczce zasady dziaania maszyn elektrycznych, ktrych opanowanie i zrozumienie jest niezbdne do pojciowego poruszania si w problematyce napdu elektrycznego.

    Opracowanie ma form komentarza i dotyczy podstaw budowy i zasady dziaania maszyn elektrycznych, poniewa z zrozumieniem tej czci wykadw maj studenci najwiksze trudnoci.

    Uwaga ta odnosi si zwaszcza do zasady dziaania maszyny asynchronicznej. Odmienna konstrukcja wirnikw maszyny klatkowej i piercieniowej wprowadza studentom zamieszanie pojciowe, co utrudnia poprawn interpretacj zasady dziaania. Inna budowa wirnikw nie zmienia zasady dziaania tych maszyn, ale daje inne moliwoci obsugowo-regulacyjne.

    Opracowanie to, stanowi te, co prawda, wybircz, lecz bazow wiedz, bez ktrej trudno bdzie zrozumie dalsze wykady dotyczce napdw elektrycznych, ktrych tematyka zawarta jest w programie nauczania na kierunku mechatronika.

    Zwizki z innymi przedmiotami - matematyka; - fizyka - elektrotechnika i elektronika - mechanika Zakres wiedzy do opanowania: Po wysuchaniu przewidzianych programem oraz wykonaniu wicze laboratoryjnych student powinien: A. Zna:

    w zakresie budowy i zasady dziaania maszyn elektrycznych:

    terminologi i nazewnictwo uywane w technice maszyn elektrycznych; rozumie j i umie ni si poprawnie posugiwa;

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    3

    struktur budowy gwnych typw maszyn elektrycznych; zna funkcj spenian przez poszczeglne wzy konstrukcyjne maszyny

    podczas jej pracy; zjawiska elektryczne, ktre zostay wykorzystane do realizacji zasady

    dziaania maszyn elektrycznych; rozumie przebieg reakcji twornika oraz jej wpyw na zachowanie si

    maszyny w trakcie jej eksploatacji; zna klasyfikacj i rodzaje maszyn elektrycznych; zakresy pracy maszyn elektrycznych i ich specyfik; podstawowe zalenoci matematyczne w maszynie elektrycznej; wiedzie, co to jest sila elektromagnetyczna E i moment

    elektromagnetyczny M oraz sposb ich powstawania; zna wzory na si E i moment elektromagnetyczny M oraz umie je

    wyprowadzi; w/w wzory zinterpretowa pod wzgldem waciwoci eksploatacyjnych; schematy obwodowe maszyn elektrycznych i umie je narysowa; zna charakterystyki robocze maszyn, warunki ich zdejmowania, oraz

    interpretacj tych charakterystyk;

    w zakresie napdu elektrycznego: podstawowe zalenoci dla napdu elektrycznego; rol momentu elektromagnetycznego przy pracy napdowej maszyny

    elektrycznej; zna relacje robocze midzy maszyn elektryczn a maszyn napdzan (

    robocz); rozumie zwizki midzy momentem napdowym, momentem oporowym

    a prdkoci obrotow n zespou maszyn; zna metody regulacji prdkoci obrotowej w gr i w d

    poszczeglnych rodzajw maszyn elektrycznych; zna specyfik i zagroenia wystpujce w poszczeglnych fazach pracy

    napdu elektrycznego, tj.: przy rozruchu, przy regulacji prdkoci obrotowej, hamowaniu i nawrocie zespou maszyn;

    zna podstawowe zasady doboru silnika elektrycznego do napdu maszyny roboczej;

    w zakresie energoelektroniki:

    wiedzie, co to jest energoelektronika, czym si zajmuje oraz czym si rni od elektroniki klasycznej; zna cykle przetwarzania energoelektronicznego energii elektrycznej; zna gwne rodzaje przyrzdw pprzewodnikowych duej mocy; zna schematy elektryczne prostownikw jednofazowych i trjfazowych

    oraz sterowanych i nie sterowanych; wiedzie, co to jest falownik, do czego jest wykorzystywany oraz czym si

    rni od prostownika sterowanego;

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    4

    zna rodzaje falownikw, ich schematy elektryczne jedno- i trjfazowe; wiedzie, czym si rni falownik napiciowy od prdowego oraz jaki jest

    charakter ich obcienia; wiedzie, co to jest komutacja zaworw elektronicznych w ukadach

    wielofazowyh; wiedzie czym s przerywacze, cyklokonwertory i do czego su;. wiedzie, co to jest metoda PWM, na czym polega, po co i dlaczego stosuje

    si t technik.

    B. Umie:

    1. Wytumaczy zasad dziaania maszyn elektrycznych i wykorzysta w eksploatacji wnioski wypywajce z analizy wzorw i charakterystyk roboczych; 2. Poprawnie podczy maszyn do sieci elektrycznej; 3. Poprawnie dokona jej rozruchu, hamownia, regulacji prdkoci obrotowej i nawrotu; 4. Potrafi zdiagnozowa podstawowe usterki i uszkodzenia w ukadach napdowych i energoelektronicznych.

    Maszyny elektryczne prdu staego.

    Wspczesne statki s elektryfikowane prdem zmiennym. Pozornie, kadzie to kres rozwojowi konstrukcji i zastosowaniu maszyn elektrycznych prdu staego, jako e, wymagaj one sieci prdu staego.

    Dziki rozwojowi energoelektroniki, dobudowanie sieci na prd stay, do systemu elektroenergetycznego prdu zmiennego nie przedstawia adnego problemu technicznego. We flocie wiatowej pywa nie mao statkw, wyposaonych w mieszany system elektroenergetyczny.

    Maszyny elektryczne prdu staego w zastosowaniu jako napd, maj pewne zalety, ale i wady.

    Wrd zalet naley wymieni:

    - nieskomplikowana zasada dziaania, co uatwia ich diagnozowanie; - dua atwo i efektywno regulacji prdkoci obrotowej w szerokim zakresie; - osprzt i metody regulacji prdkoci obrotowej bardzo proste i tanie do

    zastosowania w wykonaniu praktycznym.

    Do gwnych wad tej maszyny elektrycznej naley odnie:

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    5

    - konieczno zasilania z osobnej sieci lub rda prdu staego, wzgldnie - zastosowanie przetwornika energoelektronicznego- co komplikuje wyposaenie stanowiska i obwd sterowania tej maszyny;

    - obecno komutatora i szczotek, co wymaga okresowej obsugi; - przy duych mocach, gabaryt maszyn prdu staego ronie szybciej ni przyrost

    ich mocy; - atwo spowodowania uku elektrycznego przy zwarciu.

    Ostateczna decyzja o wyborze, zaley od wybranego rozwizania i kosztw zarwno

    stanowiska, jak i warunkw eksploatacji. Dlatego w dalszym cigu spotyka si te maszyny na wyposaeniu statkw, zwaszcza specjalistycznych ( np.: pogbiarki ) lub przy elektrycznym napdzie ruby okrtowej (np.: odzie i okrty podwodne).

    Maszyny prdu staego dziel si na: obcowzbudne i samowzbudne najczciej stosowane w technice okrtowej.

    Wad maszyn obcowzbudnych jest obecno dodatkowego rda prdu staego, a zalet niezaleno nastaw prdu wzbudzenia od zmiany obcienia, co zwiksza

    sztywno charakterystyk roboczych.

    Maszyny samowzbudne dziel si, w zalenoci od konstrukcji obwodu wzbudzenia, na:

    bocznikowe, gdzie cewki biegunw gwnych s wczone rwnolegle do twornika;

    szeregowe, gdzie cewki biegunw gwnych s wczone szeregowo do twornika; szeregowo- rwnolege.

    Przejcie od maszyny obcowzbudnej do samowzbudnej wie si z spenieniem

    nastpujcych warunkw: elazo, z ktrego jest zbudowana maszyna musi mie pami magnetyczn. Po

    wyczeniu musi pozosta resztkowe pole magnetyczne; uzwojenie biegunw gwnych musi by wczone rwnolegle do uzwoje wirnika

    z takim zwrotem. aeby jego strumie dodawa si do strumienia resztkowego pola w maszynie. Dziki temu cewki biegunw gwnych bd pod napiciem siy elektromotorycznej E. W przeciwnym wypadku maszyna rozmagnesuje si;

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    6

    oporno obwodu wzbudzenia ( cewek biegunw gwnych ) musi by mniejsza od opornoci krytycznej Rm tego obwodu. Wtedy indukowana aktualnie sia elektromotoryczna E bdzie w kadej chwili wysza od spadku napicia na oporze wasnym Rm obwodu wzbudzenia. Spenienie tych warunkw spowoduje samoczynne narastanie siy

    elektromotorycznej

    w trakcie rozruchu tak dugo, jak dugo E U (spadek napicia na opornoci Rm). Zrwnanie tych napi oznacza kres samowzbudzenia, i jednoczenie maksymaln si elektromotoryczn E = Umax. Dalszy wzrost napicia jest niemoliwy z powodu wejcia elaza maszyny w stan nasycenia magnetycznego.

    Zalet maszyn samowzbudnych, jak nazwa wskazuje, jest samoczynny proces ich wzbudzenia przy rozruchu. Pozwala to na ich obsug przez personel

    niewykwalifikowany.

    Wad za, wahanie prdu wzbudzenia przy zmianach momentu obcienia, poniewa zmienia si warto indukowanej siy elektromotorycznej E, pod napiciem ktrej pynie prd wzbudzenia ( magnesowania ) Jm = Jf. Nastpstwem s wiksze nachylenia charakterystyk roboczych.

    Budowa maszyny prdu staego.

    Gwne wzy konstrukcyjne:

    stojan; wirnik; zesp komutator- szczotki.

    Na stojanie umieszczone na rdzeniach s cewki biegunw gwnych oraz pomocniczych (komutacyjnych). Stojan peni funkcj magnenicy, tj.: wytwarza pole stae, w ktrym wiruje wirnik.

    Wirnik, wraz z uzwojeniami wpuszczonymi w obki, spenia rol twornika, gdy indukuje si w nim energia elektryczna przy pracy prdnicowej.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    7

    Komutator spenia funkcj prostownika elektromechanicznego. Dziki niemu, na nieruchomych szczotkach istnieje staa biegunowo + i . Dopiero za komutatorem maszyna staje si maszyn prdu staego, gdy w tworniku indukuje si przemienna sia elektromotoryczna E.

    Na rysunku poniej, pokazany jest przekrj poprzeczny budowy maszyny o liczbie par

    biegunw p=1, obcowzbudnej, przy pracy prdnicowej, wraz z rozrysowanym obwodem elektrycznym. Wida wyranie brak poczenia elektrycznego midzy obwodami stojana i wirnika.

    Mona dostrzec pooenie w osi poprzecznej biegunw komutacyjnych oraz szczotek. Takie pooenie w osi poprzecznej, odpowiada w tej maszynie pooeniu strefy neutralnej, co ma niezwykle wane znaczenie dla poprawnej pracy maszyny pod obcieniem.

    Zadaniem biegunw komutacyjnych jest kompensowanie skutkw reakcji twornika, ktre maj negatywny wpyw na eksploatacj wszystkich rodzajw maszyn prdu staego.

    Uzwojenia cewek biegunw komutacyjnych s wczone w obwd wirnika. Oznacza

    to, e pynie przez nie duy prd obcienia, podczas, gdy przez bieguny gwne may prd wzbudzenia, o wielkoci nie przekraczajcej Jm = 5% Jzn = Jobc..

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    8

    Zasada dziaania maszyn prdu staego opiera si na zjawisku indukcji siy elektro-motorycznej E, i jest to najbardziej czytelne wanie w tej maszynie ( patrz rysunek powyej). W staym polu magnetycznym, wytworzonym przez bieguny gwne, uzwojenia na powierzchni wirnika przesuwaj si poprzecznie do linii si pola magnetycznego, powodujc indukowanie w nich si elektromotorycznych, ktrych suma E skutkuje sta biegunowoci szczotek na komutatorze ( patrz rysunek-dziaanie komutatora). Siy te okrelone s znanym z Elektrotechniki wzorem:

    E = B l v;

    Sia elektromotoryczna E w maszynie prdu staego. Powyszy wzr, chocia jest prawdziwy, nie wiele mwi nam o sposobie eksploatacji maszyny. Naley wyrazi go za porednictwem parametrw maszyny. Wprowadzajc z rysunku poniej parametry: podziaka biegunowa, odlego pomidzy biegunami;

    T czas jednego okresu;

    prdko wzgldna;

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    9

    N liczba wszystkich przewodw na wirniku o dugoci czynnej l;

    2a liczba gazi rownoleglych;

    - otrzymamy po przeksztaceniach wyraenie na si E:

    E = c n; gdzie:

    c =a

    Np60

    ; i oznacza sta konstrukcyjn

    Moment elektromagnetyczny M w maszynie prdu staego. W zakresie pracy silnikowej, maszyna pobiera prd z sieci, a zatem przez kady przewd wirnika pynie prd J. Pole magnetyczne stojana bdzie dziaa na przewd z prdem z pewn si mechaniczn F zgodnie z wzorem:

    F = B J l; Pod wpywem wszystkich si F, dziaajcych na przewody wirnika powstaje moment obrotowy elektromagnetyczny M:

    M = r F ; gdzie:

    r = p ; promie wirnika;

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    10

    Postpujc jak w przykadzie powyej otrzymamy wzr na moment elektromagnetyczny:

    M = k Jt;

    Obydwa wzory daj cenne wskazwki eksploatacyjne. Obydwa parametry istniej w maszynie zawsze niezalenie od zakresu jej pracy. Jednake za kadym razem, w zalenoci od zakresu roboczego, przykadamy inn uwag do kadego z tych parametrw.

    Przy pracy prdnicowej, jeli chcemy uzyska pen moc z maszyny, to powinna mie

    sta prdko obrotow i na dodatek znamionow n = nn = const. Wtedy warto siy elektromotorycznej E a zatem i napicia w sieci U zaley jedynie od strumienia pola magnetycznego. Strumie reguluje si prosto prdem wzbudzenia Jm.

    Przy pracy silnikowej (napdowej), chcc uzyska maksymalny moment

    elektromagnetyczny, powinnimy mie znamionowy strumie, czyli prd wzbudzenia powinien by znamionowy Jm = Jzn.. Wtedy moment bdzie zaleny jedynie od prdu obcienia ( prdu twornika Jt ), co oznacza, e przy znamionowych warunkach pracy napdu, moment elektromagnetyczny bdzie zawsze dopasowywa si do momentu oporowego, przy kadej zmianie obcienia.

    Analiza powyszych wzorw potwierdza efektywno i atwo sterowania t

    maszyn.

    . Reakcja twornika lub reakcja poprzeczna w maszynie prdu staego oraz rola biegunw komutacyjnych.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    11

    Reakcja twornika i jej przebieg odgrywa w maszynach elektrycznych bardzo wan rol. Od niej zale waciwoci elektryczne maszyny w czasie pracy, poniewa wpywa negatywnie na jej parametry. Analiza pl magnetycznych w czasie pracy oraz wzajemne relacje midzy nimi, wyjaniaj ten proces (patrz rysunek poniej ).

    W czasie pracy maszyny na biegu jaowym istnieje tylko jedno pole wytworzone przez bieguny gwne. W momencie obcienia maszyny przez przewody wirnika pynie prd inicjujc powstanie pola wirnika, czyli twornika.

    Zatem w czasie pracy maszyny mamy ju dwa pola, ustawione w maszynie o liczbie par biegunw p = 1 dokadnie poprzecznie. W rezultacie naoenia si pl, powstaje jedno pole wypadkowe, lecz ju odksztacone. Strumie pola odksztaconego jest mniejszy ni strumie pojedynczego pola stojana na biegu jaowym.

    Ten zaskakujcy efekt jest wynikiem wejcia odpowiednich powek rdzeni biegunw w

    stan nasycenia magnetycznego. W ostatecznoci mamy do czynienia z nastpujcymi

    niekorzystnymi objawami:

    - spadek napicia siy elektromotorycznej E w czasie pracy, co rzutuje na obnienie napicia w sieci przy pracy prdnicowej; - przesunicie strefy neutralnej o kt , niedopuszczalne ze wzgldu na iskrzenie

    szczotek z moliwoci powstania uku wok komutatora; - co gorsza, kt skrcenia jest zmienny i zaley od stopnia obcienia maszyny.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    12

    Powstaje zagroenie uszkodzenia maszyny. Dlatego stosuje si bieguny komutacyjne, ustawione w osi poprzecznej tak, by ich strumie magnetyczny kom by rwny strumieniowi pola twornika, lecz przeciwnie skierowany. Dziki temu szczotki pozostaj w tym samym miejscu, bez koniecznoci poszukiwania nowej strefy neutralnej.

    Znajomo efektu twornika, pozwala zrozumie lepiej nie tylko zasad dziaania maszyn elektrycznych, ale i specyfik ich eksploatacji. Metody regulacji prdkoci obrotowej maszyny prdu staego. Z zalenoci napiciowych obwodu twornika przy pracy silnikowej mamy rwnanie:

    U = E + Jt Rtc = Usieci = const;

    gdzie: Jt prd twornika, Jt .obcJ ; Rtc oporno cakowita wirnika. Po podstawieniu: E = c n; oraz M = k Jt; mamy rwnanie charakterystyki mechanicznej, sztucznej, lub naturalnej przy braku w wzorze opornoci dodatkowej Rd :

    n = f(M) = Mc

    RRcU dts

    21

    ;

    z ktrej wynikaj wszystkie metody regulacji prdkoci obrotowej:

    za pomoc strumienia , czyli prdu magnesowania (wzbudzenia) Jm; za pomoc oporu dodatkowego Rd , wczonego w szereg z twornikiem; za pomoc napicia sieci U, ale to jest kopotliwe; Ten rozbudowany komentarz przy maszynie prdu staego, nie jest bez powodu.

    Zasada jej dziaania i zjawiska w niej zachodzce s najatwiejsze do zrozumienia, a sama maszyna jest nieskomplikowana. Staranne przemylenia dokonane przy tej okazji, bardzo uatwiaj zrozumienie specyfiki maszyn pozostaych. Transformator jednofazowy.

    Transformatory jedno- i wielofazowe s charakterystycznym przykadem urzdze elektrycznych prdu zmiennego. Nie dziaaj przy prdzie staym, gdy nie zachodzi wtedy zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co jest podstaw ich zasady dziaania.

    Co wicej, zasilone prdem staym ulegaj natychmiast spaleniu, jako e maleje ich

    opr wewntrzny zmniejszony o brak oporw reaktancyjnych XL, zalenych od czstotliwoci

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    13

    f prdu zmiennego. Powoduje to, pobranie z sieci duego prdu, ktry jest praktycznie prdem zwarcia.

    Pomimo prostoty budowy, procesy elektromagnetyczne w nich zachodzce s zoone.

    Transformatory wielofazowe powstaj z poczenia kilku transformatorw jednofazowych,

    dlatego analizuje si jedynie procesy w transformatorach jednofazowych.

    Staranne przemylenie procesw zachodzcych w transformatorach stanowi klucz do zrozumienia dziaania asynchronicznych maszyn elektrycznych, ktre s take typowymi maszynami prdu zmiennego. Transformatory, to w zasadzie przetworniki energii elektrycznej prdu zmiennego o danych parametrach U1, J1, na energi elektryczn prdu zmiennego, ale ju o innych parametrach U2, J2.

    Odbywa to si bez zmiany czstotliwoci prdu ( f = const ). Parametrem

    charakterystycznym transformatora jest jego przekadnia v, wskazujca proporcj, w jakiej s

    transformowane parametry energii elektrycznej, tzn.: napicie U oraz prd J.

    Transformatory, jako obiekty elektryczne, odgrywaj niezwykle wan rol w

    systemach elektroenergetycznych zarwno ldowych jak i okrtowych. Bez nich praktycznie nie byo by moliwoci przesyania energii elektrycznej na due odlegoci.

    Budowa transformatorw jednofazowych. Z punktu widzenia budowy, transformator jest poczeniem obwodw elektrycznych i magnetycznych, dziki ktrym zachodzi sprzenie elektromagnetyczne midzy obwodami elektrycznymi. Dwie cewki indukcyjne osadzone na kolumnach rdzenia ferromagnetycznego, bdcego magnetowodem, prowadzcym strumie magnetyczny, to caa budowa transformatora.

    Rdze jest wykonany jako pakiet konturw o odpowiednim profilu z blachy

    transformatorowej, gdzie poszczeglne warstwy s midzy sob starannie odizolowane

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    14

    lakierem lub materiaem izolacyjnym. Czyni si tak po to, aeby zmniejszy negatywny

    wpyw indukowania prdw wirowych pod wpywem zmiennego pola magnetycznego.

    Cewka podczona do sieci zasilajcej stanowi obwd pierwotny, o parametrach

    indeksowanych cyfr 1, cewka zasilajca odbiorniki prdu zmiennego stanowi obwd wtrny, o parametrach indeksowanych cyfr 2, ( patrz schemat).

    L11; L22 indukcyjnoci wasne uzwoje: pierwotnego i wtrnego; L12=L21 - indukcyjnoci wzajemne uzwoje: pierwotnego i wtrnego; - strumie gwny, bdcy wynikiem sumowania dwch przepyww magnety- cznych : uzwojenia pierwotnego 1 oraz wtrnego 2; strumie ten sprzga magnetycznie obydwa uzwojenia; s1;s2- strumienie rozproszenia obydwu uzwoje, zamykajce si przez powietrze i nie bio- rce udziau w sprzeniu magnetycznym obu uzwoje; 1;2 - strumienie cakowite skojarzone; e1; e2 - siy elektromotoryczne samoindukcji uzwoje;

    przekadnia zwojowa trafo: zzz

    EE

    2

    1

    2

    1 ;

    przekadnia napiciowa trafo: uEE

    UU

    2

    1

    2

    1 ;

    Zasada dziaania i procesy elektromagnetyczne w transformatorze.

    Jak ju wspomniano, ma tu miejsce wykorzystanie zjawiska indukcji elektro-magnetycznej. Przebieg procesw jest nastpujcy:

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    15

    Prd zmienny pobrany z sieci przepywa przez uzwojenie pierwotne indukujc w nim zmienny strumie magnetyczny (t), bdcy w fazie z prdem i1. Tak powstaje przepyw magnetyczny 1 uzwojenia pierwotnego.

    Zmienny w czasie strumie zaindukuje w uzwojeniu pierwotnym si elektromoto-

    ryczn samoindukcji eL1. Sia ta jest przesunita w fazie o 2 w stosunku do prdu i1 i

    strumienia . Ten sam strumie (t) przepywajc przez rdze transformatora przenika uzwojenie wtrne, wywoujc w nim si elektromagnetyczn e2 .

    W stanie jaowym transformatora ( brak impedancji obcienia Zodb., a wic rwnie

    prdu i2 ), na zaciskach uzwojenia wtrnego pojawia si napicie U2 = e2 . Sytuacja zmienia si po zaczeniu obcienia.

    Na skutek odbioru mocy od transformatora, popynie prd i2, zmienny w czasie,

    wywoujc w uzwojeniu wtrnym swoje wasne, zmienne pole magnetyczne. Od tego momentu naley w rdzeniu uwzgldnia obecno drugiego przepywu 2, i powstanie przepywu wypadkowego okrelonego rwnaniem:

    w = 1 2 ; oraz

    siy elektromotorycznej samoindukcji eL2 w uzwojeniu wtrnym. Warto zwrci uwag na relacje midzy wartociami napi i si elektromotorycznych.

    W stanie obcienia transformatora wystpuj nierwnoci:

    U1 eL1; oraz eL2 U2 ;

    Schemat zastpczy transformatora.

    Stosunkowo czsto nie jest naleycie rozumiana idea i cel wprowadzenia pojcia schematu zastpczego transformatora. W rzeczywistoci jest to fikcja pojciowa, ale wygodna i uyteczna w praktyce obliczeniowej.

    Transformator jest urzdzeniem o silnych indukcyjnociach, a jednoczenie czy w sobie

    dwa niepoczone ze sob galwanicznie obwody elektryczne, jak i nieliniowe obwody

    magnetyczne. Cech obwodw magnetycznych jest istnienie sprze midzy

    indukcyjnociami.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    16

    Liczenie tego typu urzdze jest uciliwe i czasochonne. Ujcie matematyczne

    zwizkw wystpujcych w transformatorze rzeczywistym, po przeksztaceniach, prowadzi

    do ukadu dwch rwna.

    Spostrzeono, e na ich podstawie mona narysowa obwd elektryczny, ktry nie ma

    nic wsplnego z transformatorem, lecz prosto spenia wszystkie zwizki ilociowe midzy

    jego elementami. W ten sposb stworzono transformator zastpczy, przedstawiony na

    rysunku poniej, ktry ma nastpujce zalety:

    brak przekadni transformatorowej, lub inaczej = 1; obydwa obwody pierwotny i wtrny s poczone ze sob gazi rodkow, co

    uatwia liczenie; brak sprze magnetycznych midzy indukcyjnociami; siy elektromotoryczne rwne, E1 = E2; wobec 1 ; przeliczenie elementw i parametrw strony wtrnej transformatora

    rzeczywistego, okrelane jako sprowadzenie do strony pierwotnej schematu zastpczego, odbywa si przy pomocy bardzo prostych wzorw, upraszczajcych obliczenia.

    Naley zauway, e wspczynnikiem sprowadzajcym jest przekadnia trans-

    formatora rzeczywistego, co zwiksza przydatno tej metody obliczeniowej. Natomiast interpretacja schematu zastpczego jest trudna, ale to nie ma wpywu na

    dokadno oblicze, co jest celem zasadniczym.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    17

    Oznaczenia na schemacie zastpczym transformatora oraz jego interpretacja.

    elementy i parametry strony wtrnej sprowadzone do strony pierwotnej: ;;;;;; '2

    ''2

    '2

    '2

    '2 EXXRiU

    XL1; XL2 reaktancje zwizane ze strumieniem rozproszenia s1; s2 ; X reaktancja zwizana z strumieniem gwnym ; J0 = i1 '2i ; prd biegu jaowego; i skadowa bierna prdu J0; iFe skadowa czynna prdu J0; RFe oporno reprezentujca straty w transformatorze.

    Maszyny trjfazowe asynchroniczne prdu zmiennego.

    Maszyna asynchroniczna, ze wzgldu na konstrukcj i zasad dziaania, jest przykadem typowej maszyny prdu zmiennego. Istniej dwa rodzaje maszyn asynchronicznych, rnicych si miedzy sob konstrukcj wirnika. S to maszyny:

    asynchroniczne piercieniowe oraz asynchroniczne klatkowe.

    Podzia ten, nie oznacza dwch rnych zasad dziaania. Zarwno w jednej

    jak i w drugiej, moc pobrana do stojana z sieci, jest przenoszona do wirnika na zasadzie indukcji elektromagnetycznej.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    18

    Midzy obwodami elektrycznymi stojana i wirnika brak jest poczenia galwanicznego.

    S to nie tylko dwa osobne obwody, ale take rozmieszczone na osobnych czciach

    maszyny, oddzielonych dodatkowo od siebie szczelin powietrzn.

    Ma to swoje znaczenie, ze wzgldu na opr, jaki stawia powietrze liniom si pola magnetycznego. Zaostrza te wymagania konstrukcyjne i wytrzymaociowe, gdy wymogiem podstawowym jest denie do jak najmniejszej szczeliny midzy stojanem a wirnikiem.

    Budowa maszyn asychronicznych.

    W skad budowy tych maszyn wchodz: stojan; wirnik; trzy piercienie lizgowe, w przypadku maszyny piercieniowej. Nie tylko obecno piercieni odrnia oba rodzaje maszyn od siebie. Decydujca jest

    odmienna konstrukcja wirnikw, majca wpyw na sposb wczenia do sieci, a take moliwoci sterowania ich prdkoci obrotow. W maszynie piercieniowej konstrukcja wirnika jest podobna do wirnika maszyny prdu staego. Uzwojenia wirnika, nawinite przewodami w izolacji, s wpuszczone w obki na powierzchni wirnika, tworzc trzy wyodrbnione cewki. S one przesunite wzgldem siebie przestrzennie po obwodzie wirnika, co 1200, tworzc ukad trzech faz. Cewki te s skonfigurowane w ukad okrelany jako gwiazda (). Pocztki cewek wyprowadza si do trzech piercieni lizgowych, spitych razem za pomoc szczotek. Ma to swoje konsekwencje. Wan zalet takiej konstrukcji jest moliwo wczenia si z urzdzeniami zewntrznymi, w obwd wewntrzny, elektryczny wirnika. Powstaj w ten sposb dodatkowe moliwoci sterowania tego typu maszyn.

    Natomiast wad tej konstrukcji s:

    zoona konstrukcja wirnika, wymagajca starannoci przy montau; podwyszony koszt produkcji; zwikszony gabaryt wirnika, w rezultacie i caej maszyny; atwo uszkodzenia wirnika przy przecieniach roboczych, co jest zreszt w

    praktyce najczciej spotykan awari; wysoki koszt remontu, w porwnaniu do kosztw nowej fabrycznie maszyny

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    19

    .

    Warto si przyjrze obwodom elektrycznym tej maszyny, gdy ujrzymy schemat elektryczny transformatora trjfazowego. Istotnie, maszyna ta czsto jest okrelana jako transformator trjfazowy z obrotow stron wtrn i szczelin powietrzn.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    20

    Dlatego tak wanym jest zrozumienie procesw elektromagnetycznych transformatora jednofazowego. Tutaj te stosuje si schemat zastpczy maszyny, ktry pokrywa si z schematem zastpczym transformatora, z jedn rnic dotyczc interpretacji obcienia.

    Konstrukcja wirnika klatkowego jest cakowicie odmienna. Uzwojenie, to nie

    przewody, lecz nie izolowane prty aluminiowe lub mosine, o przekroju okrgym lub prostoktnym, uoone rwnolegle do siebie, ktrych pocztki i koce s spite obrczami. Po wyjciu masy wirnika, przypomina to klatk, std nazwa tego typu maszyny.

    Sam wirnik powstaje z pakietu odpowiednich, cienkich konturw z blachy transformatorowej, gdzie poszczeglne warstwy s starannie izolowane midzy sob. Z tego powodu nie zachodzi konieczno izolowania prtw tworzcych uzwojenie wirnika.

    W efekcie taka konstrukcja ma pewne zalety: niskie koszty produkcji wirnika, a zatem i caej maszyny w porwnaniu do maszyny piercieniowej o tej samej mocy; mae gabaryty wirnika, wic i caej maszyny klatkowej; bardzo wysoka odporno wirnika na uszkodzenia przy przecieniach w pracy.

    W praktyce, awarie, jakie si zdarzaj, to uszkodzenie stojana a nie wirnika, co czyni ten typ maszyny prawie niezawodn. Wad maszyn klatkowych jest brak dostpu do elektrycznego obwodu wirnika, co powoduje, e mona ni sterowa jedynie od strony stojana. Natomiast maszyna asynchroniczna piercieniowa jest sterowalna zarwno od strony wirnika, jak i stojana.

    Pewn ciekawostk wic si z maszynami klatkowymi, jest kopot z okreleniem iloci faz w wirniku. Zazwyczaj mwi si, e faz jest tyle, ile prtw na wirniku. Czasami z wylicze w tej maszynie, moe wynikn uamkowa ilo faz, co jest ju kopotliwe do zrozumienia. Budowa stojana maszyn asynchronicznych trjfazowych. Stojan, to wydrony walec o przekroju koowym, na ktrego wewntrznym obrysie znajduj si obki, przeznaczone do zamocowania uzwoje cewek. W maszynie trjfazowej cewki trzech faz rozmieszcza si z przesuniciem co 1200 wzgldem siebie.

    Zarwno w maszynie piercieniowej, jak i klatkowej, budowa stojanw jest identyczna. Te trzy cewki uoone s w stojanie w ukad gwiazdy () lub trjkta (). Wspomniane cewki trzech faz s nieruchome w stosunku do stojana i wzajemnie do siebie.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    21

    Stojan w tej maszynie peni rol magnenicy. Identycznie buduje si stojany w maszynach synchronicznych, stosowanych jako generatory do wytwarzania energii elektrycznej, trjfazowej prdu zmiennego. Zasada dziaania trjfazowej maszyny asynchronicznej.

    W tak skonstruowanym stojanie, trzy cewki zasilone prdem zmiennym wytwarzaj trzy pola magnetyczne pulsujce, nie przesuwajce si po obwodzie stojana. Podczenie takiej konstrukcji do trjfazowej sieci prdu zmiennego, gdzie rwnie mamy do czynienia z przesuniciem midzy fazami co 1200, wywouje ciekawy efekt

    W wyniku naoenia si na siebie trzech pulsujcych pl magnetycznych trzech cewek nieruchomych wzgldem stojana, powstaje pole magnetyczne wypadkowe, ktre zaczyna wirowa wzgldem stojana. Prdko wirowania pola wypadkowego zaley od czstotliwoci f1 prdu w stojanie, czyli od czstotliwoci w sieci zasilajcej. Jak wiadomo, czstotliwo sieci jest staa, a zatem i prdko wirowania pola wypadkowego w stojanie bdzie rwnie staa ns = const.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    22

    W stosunku do tej prdkoci odnosimy wszystkie inne parametry okrelajce wirowanie w maszynie, i dlatego nazywamy j prdkoci synchroniczn ns. Wirowanie pola magnetycznego wok stojana mona wykaza najprociej, ledzc pooenie pola w przekroju maszyny o liczbie par biegunw p = 1.

    W zamknitym wirniku, omywanyn przez wirujce pole stojana, zaindukuj si siy

    elektromotoryczne i pod ich dziaaniem popyn prdy w kadej fazie. Jest to rezultat

    zjawiska indukcji elektromagnetycznej.

    Powstaje w wirniku nowa sytuacja, opisana ju przy maszynie prdu staego. Na kady przewd z prdem w wirniku, pole magnetyczne stojana dziaa ze znan ju si

    F = B J l;

    doprowadzajc do powstania momentu elektromagnetycznego, wprawiajcego wirnik w

    ruch obrotowy z prdkoci n.

    Prdko wirnika nigdy nie moe osign prdkoci synchronicznej ns pola w

    stojanie, gdy wtedy ustanie zjawisko indukcji elektromagnetycznej i maszyna zatrzyma si. Z powyszego wynika, e w rzeczywistoci nie wystpuje tutaj pojcie biegu jaowego,

    jak to sugeruje przebieg charakterystyki mechanicznej.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    23

    Dlatego punkt na charakterystyce mechanicznej odpowiadajcy stanowi biegu jaowego maszyny, jest okrelany jako teoretyczny bieg jaowy. Mwimy potocznie, e wirnik usiuje dogoni pole magnetyczne w stojanie, ale nigdy go nie dogoni, gdy to zaprzecza zasadzie dziaania tej maszyny.

    Ta rnica prdkoci wirnika i pola magnetycznego stojana, ktra wyranie odrnia

    maszyn asynchroniczn od wszystkich innych, nazywa si polizgiem i jest opisana zalenoci:

    s

    s

    nnns ;

    Pojcie polizgu, jest jednym z najwaniejszych parametrw w teorii maszyn asynchronicznych. Niezbdny warunek istnienia rnicy prdkoci pola magnetycznego stojana i wirnika, uzasadnia nazw tej maszyny maszyna asynchroniczna.

    Z powyszego opisu zasady dziaania i konstrukcji maszyny wynika, e w czasie pracy wystpuj w maszynie dwa pola magnetyczne wirujce:

    synchronicznie wirujce pole stojana oraz pole magnetyczne wirujce wok obracajcego si wirnika.

    To ostatnie pole jest niesione przez wirnik. Proste zalenoci matematyczne

    udowadniaj, e chocia mamy do czynienia z dwoma polami magnetycznymi wirujcymi, to w stosunku do siebie wzajemnie, s one nieruchome.

    Wzr na moment elektromagnetyczny rozwijany przez maszyn asynchroniczn i wnioski

    eksploatacyjne z niego wynikajce.

    Wirujce pole magnetyczne stojana oddziaywuje na wirnik z moc rwn mocy prdu w obwodzie wirnika:

    P2 = 3 E2 J2 = M s ;

    Po przeksztaceniu i wyraeniu siy E2 poprzez strumie , uzyskamy zapis na moment:

    M = c J2 cos 2 ; gdzie:

    c = s

    kf

    13 ; - oznacza sta konstrukcyjn;

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    24

    Zauwaalne jest podobiestwo do wzoru na moment elektromagnetyczny w maszynach prdu staego:

    M = k Jt ;

    Wyraajc wzr na moment elektromagnetyczny w zalenoci od polizgu maszyny, otrzymamy ostatecznie wyraenie:

    M k 1

    21

    fU

    2222

    2

    )(s

    RX

    sR

    = f (s) ;

    Wykres momentu w funkcji polizgu f= (s), oraz jako charakterystyka mechaniczna,

    pokazuje rysunek:

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    25

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    26

    Analiza tego wzoru prowadzi do ciekawych wnioskw. Pierwsza cz wyraenia, to parametry sieci. W przypadku systemw ldowych mamy do czynienia z sieci sztywn, co oznacza, e moment nie zaley od tych parametrw. Ani napicie, ani czstotliwo teoretycznie nie powinny wpywa na warto momentu rozwijanego przez maszyn.

    Inaczej jest na statku, gdzie sie jest mikka i wspomniane parametry mog si

    waha.Druga cz wyraenia mwi, e moment zaley jedynie od parametrw wirnika, a nie stojana. To s wane spostrzeenia i wiele mwi o sposobie eksploatacji tej maszyny.

    Trjfazowe maszyny synchroniczne.

    Maszyny synchroniczne stosowane s przede wszystkim jako rda energii elektrycznej prdu zmiennego, wielofazowego, i to duej mocy. Odnosi si to, zatem, do zakresu pracy generatorowej, gdy wtedy wanie pracuje najlepiej.

    Nie oznacza to, e nie moe pracowa w zakresie silnikowym. Jednake w tym

    reymie pracy, jej waciwoci eksploatacyjne s duo gorsze. Zazwyczaj s to stanowiska specjalne, nietypowe. Takie, gdzie od napdu elektrycznego wymaga si cisego utrzymania prdkoci obrotowej ukadu maszyn, przy zmianach obcienia i to w szerokim zakresie.

    Spotka j mona w zakadach produkujcych kable elektryczne, druty o staym przekroju na wielokilometrowej dugoci, w walcowniach blach o duych powierzchniach i staym profilu przekroju, ale wtedy s to silniki duych mocy, na poziomie megawatw.

    Wyjanienie takiego stanu rzeczy tkwi w zasadzie dziaania maszyny. Jej prdko obrotowa musi by staa, gdy tylko wtedy rozwija pen moc, jaka wynika z zaoe konstruktorskich. Dodatkowo prdko obrotowa zaley od czstotliwoci prdu w stojanie, a ta czstotliwo jest taka, jaka w sieci zasilajcej.

    Przy pracy napdowej maszyna pobiera energi z sieci elektrycznej, ktra narzuca

    stae parametry tej energii, a zatem i sta czstotliwo f1 = const. w stojanie. Mamy, wic problem z pynn regulacj prdkoci obrotowej, czego wymaga si od napdu elektrycznego.

    Szczeglnym wykorzystaniem maszyny synchronicznej jest jej praca jako

    kompensator. W tym stanie pracy staje si rdem mocy biernej pojemnociowej, co daje moliwo poprawy wspczynnika mocy cos , w sieci elektrycznej.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    27

    Jak wiadomo, przy cos = 1,0, z sieci jest pobierane 100% mocy czynnej, nie jest pobierana moc bierna, co ma bezporedni wpyw na wysoko rachunkw za energi elektryczn, jakie pac zakady , zwaszcza produkcyjne.

    Budowa i konstrukcja maszyn synchronicznych.

    Budowa tych maszyn jest w duym stopniu zbiena z konstrukcj maszyn

    asynchronicznych, gdy w obu typach maszyn mamy identyczne stojany. Konstrukcja stojana i procesy elektromagnetyczne w nim zachodzce, zostay ju dokadnie opisane powyej.

    Istotna rnica w budowie, odnosi si do konstrukcji wirnika. Jest ona cakowicie

    inna, i duo prostsza. Na wirniku znajduje si uzwojenie cewki prdu staego o duej iloci zwojw. Prd stay jest doprowadzany za pomoc piercieni lizgowych.

    rdem prdu w rozwizaniach tradycyjnych bya wzbudnica maej mocy, umiesz-

    czona na kocu wau wirnika. Dziki temu obracaa si razem z wirnikiem maszyny. Jako wzbudnic uywano zazwyczaj prdnicy bocznikowej prdu staego. Regulujc prdem wzbudzenia wzbudnicy uzyskuje si zmian natenia prdu cewki wirnika i w ostatecznoci zmian strumienia magnetycznego pola wirnika.

    Wad tego rozwizania jest konieczno rcznej obsugi obwodu wzbudzena, co nie

    jest wygodne i trudne dla personelu nie przeszkolonego. Dzi ten problem rozwizuje si inaczej, poprzez zastosowanie automatycznych, szybko dziaajcych elektronicznych regulatorw napicia.

    W ten sposb znika konieczno stosowania wzbudnic maszynowych prdu staego, proces samowzbudzenia generatora przebiega samoczynnie i szybko, a prd stay produkowany jest przez prostownik elektroniczny wczony w obwd regulatora napicia.

    Impulsem pobudzajcym zadziaanie automatycznego regulatora napicia jest sia elektromotoryczna remanentu Esz, pojawiajca si przy pierwszych obrotach wirnika pod wpywem szcztkowego pola magnetycznego, po poprzednich stanach magnesowania maszyny. Std konieczno stosowania do budowy wspczesnych generatorw materiaw ferromagnetycznych, z tak zwana pamici magnetyczn.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    28

    Z opisu konstrukcji maszyn synchronicznych wynika wniosek, e jest to maszyna mieszana, jakby poredniczca pomidzy maszyn prdu staego a maszyn prdu zmiennego.

    Widoczna jest zmiana funkcji spenianej przez wirnik, w porwnaniu do maszyny prdu staego. Wirnik tutaj peni rol magnenicy.

    Za z punktu widzenia sterowania, maszyna ta sterowana jest niezwykle prosto i

    efektywnie, gdy pojedynczy parametr, jakim jest prd wzbudzenia, i to bardzo maej mocy, skutecznie wpywa na generowane napicie.

    Zasada dziaania maszyn synchronicznych.

    Konstrukcja wirnika i jego wspdziaanie z automatycznym regulatorem napicia

    wyranie wskazuje, e celem jest wytworzenie staego pola magnetycznego w maszynie. Przy staym nateniu prdu wzbudzenia Jm = const, strumie tego pola bdzie rwnie stay.

    Jednake przy obracaniu si wirnika, wiruje take pole magnetyczne w przestrzeni

    wewntrznej maszyny. W rezultacie, to stae pole magnetyczne bdzie postrzegane przez nieruchome cewki stojana, jako pole zmienne w czasie. Bd wic spenione wszystkie warunki wymagane dla zaistnienia zjawiska indukcji elektromagnetycznej. I to jest caa zasada dziaania tych maszyn.

    Staranne zapoznanie si z zasad dziaania wyej opisanych maszyn elektrycznych, powinno sprawi, e zrozumienie budowy i dziaania maszyn synchronicznych nie powinno stanowi ju adnego problemu, a sama maszyna wyda si by prost.

    Pozostawiam ten problem jako zadanie do samodzielnego rozpracowania przez studentw. Warto jednak pamita, e prostota maszyny nie jest rwnowana z prostot jej eksploatacji. Skomplikowany przebieg reakcji twornika, zaleny od charakteru wypadkowego obcienia maszyny, powoduje, e proces eksploatacji nie jest atwy. Szczeglnie odnosi si to do wsppracy rwnolegej generatorw synchronicznych.

    Podstawow kwesti prowadzc do penego rozumienia dziaania i eksploatacji maszyn synchronicznych, jest staranna analiza procesw zwizanych z przebiegiem reakcji twornika.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    29

    Pomimo wielu zalet maszyn synchronicznych, maj one du wad, jak jest ich zmienno napicia wyjciowego przy pracy generatorowej. Zmienno ta siga okoo 80% procent w stosunku do napicia znamionowego. Tak wielka zmienno napicia stosunkowo dugo bya przeszkod w powszechnym zastosowaniu ich w technice okrtowej, i w praktyce eliminowaa czasowo te maszyny jako rdo energii elektrycznej o staych parametrach.

    Biorc pod uwag szybko procesw elektromagnetycznych w systemie elektro-energetycznym oraz fakt, e sie okrtowa jest sieci mikk, rczna obsuga takich

    generatorw, przez nieliczny personel i niewykwalifikowany, bya niemoliwa. Problem zosta rozwizany dopiero po opracowaniu automatycznych regulatorw napicia.

    Zestaw pyta egzaminacyjnych z przedmiotu

    "Maszyny elektryczne, energoelektronika i napdy elektryczne".

    I. Maszyny prdu staego.

    1. Zasada odwracalnoci maszyn elektrycznych. 2. Struktura mechaniczna maszyny prdu staego (budowa stojana, wirnika, komutatora,

    bieguny gwne i komutacyjne). 3. Sia elektromagnetyczna w maszynie prdu staego (wzr i jego wyprowadzenie). 4. Charakterystyka biegu jaowego i napicie remanentu (szcztkowe). 5. Reakcja twornika w maszynach prdu staego. 6. Rodzaje charakterystyk w maszynach elektrycznych pr.sta., warunki ich zdejmowania

    oraz informacje eksploatacyjne jakie sob przedstawiaj. 7. Zakresy pracy i klasyfikacja maszyn prdu staego. 8. Prdnice pr.sta. obcowzbudne i samowzbudne oraz ich schematy elektryczne. 9. Warunki samowzbudzenia prdnic prdu staego. 10. Charakterystyki zewntrzne prdnicy bocznikowej, szeregowej, szeregowo-bocznikowej. 11. Prdnica szeregowo-bocznikowa dozwojona zgodnie i niezgodnie. 12. Praca rwnolega prdnic prdu staego. 13. Rwnanie napiciowe maszyny prdu staego dla zakresu pracy prdnicowej i silnikowej. 14. Wzr na moment elektromagnetyczny i jego wyprowadzenie dla silnika prdu staego. 15. Stany pracy silnika prdu staego. 16. Wzr na prdko obrotow (n) wirnika oraz metody jej regulacji wraz z

    charakterystykami. 17. Charakterystyki mechaniczne n=f(M) silnika prdu staego.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    30

    18. Rozruch silnika bocznikowego w funkcji prdu lub w funkcji momentu. Zakres zmian prdu rozruchowego (dopuszczalny). Wzr na prd rozruchowy. Moment dynamiczny (Md).

    19. Regulacja prdkoci obrotowej silnika prdu staego. 20. Hamowanie silnikw prdu staego(bocznikowych):

    a) prdnicowe (odzyskowe) b) przeciwprdowe c) dynamiczne.

    22.Rwnanie charakterystyki mechanicznej n=f(M) naturalnej i sztucznej. 23.Ukad Ward-Leonarda: schemat elektryczny oraz metody regulacji prdkoci obrotowej w nim zastosowane. 24.Zestaw charakterystyk mechanicznych ukadu Ward-Leonarda przy regulacji prdkoci obrotowej " w gr" i "w d"dla staego momentu i staej moc.

    II."Maszyny asynchroniczne"

    24 Budowa maszyny asynchronicznej piercieniowej i klatkowej (stojan, wirnik) 25 Zasada dziaania maszyny asynchronicznej. 26 Wytumaczy mechanizm wirowania pola magnetycznego w stojanie maszyny

    asynchronicznej. 27 Wyjani powstawanie momentu elektromagnetycznego w wirniku maszyny

    asynchronicznej. 28 Pojcie polizgu i jego interpretacja. 29 Wytumaczy co oznacza pojcie "teoretyczny bieg jaowy" w maszynie asynchronicznej. 30 Charakterystyka n=f(s) 31 Wykres wektorowy wirnika i wzory na parametry wirnika (f2 E2 I2 Rd X2). 32 Schemat zastpczy maszyny asynchronicznej. 33 Moc i sprawno maszyny asynchronicznej. Wykres Sankey'a strat w maszynie. 34 Moment obrotowy silnika asynchronicznego, wyprowadzenie wzoru i wykres M=f(s). 35 Wzory na polizg krytyczny, moment maksymalny, moment rozruchowy, wzr Klossa i

    jego interpretacja graficzna ( maszyny asynchroniczne). 36 Charakterystyki mechaniczne n=f(M) oraz wzory dla charakterystyki naturalnej i

    sztucznej. 37 Rozruch silnika asynchronicznego piercieniowego. 38 Sposoby rozruchu silnikw asynchronicznych klatkowych. 39 Wzr i metody regulacji prdkoci obrotowej silnikw klatkowych i piercieniowych.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    31

    40 Wytumaczy znaczenie warunku 1

    1

    fU

    = const przy regulacji prdkoci obrotowej poprzez

    zmian U1 lub f1. 41 Regulacja obrotw metod oporu dodatkowego (masz.asynch.). 42 Silniki wielobiegowe oraz metod Dalander'a regulacji prdkoci obrotowej. 43 Hamowanie silnikw asynchronicznych.

    a) prdnicowe ( nadsynchroniczne) b) przeciwprdowe (prdem sieci).

    44 Hamowanie silnikw asynchroniacznych a) prdem staym (dynamiczne) b) jednofazowe.

    III.Maszyny synchroniczne 46. Budowa maszyny synchronicznej i jej schemat elektryczny. 47. Zasada dziaania i wzbudzenie maszyny synchronicznej. 48. Wytumaczy rnice midzy maszyn synchroniczn jawno- i tajnobiegunow. 49. Reakcja twornika w maszynach synchronicznych. 50. Wyjani wpyw charakteru obcienia elektrycznego prdnicy synchronicznej na

    przebieg reakcji twornika. 51. Omwi podobiestwa i rnice w przebiegu reakcji twornika w maszynach prdu

    staego i synchronicznych. 52. Wykres wektorowy maszyny synchronicznej, reaktancja synchroniczna. 53. Zaleno napicia U prdnicy synchronicznej od charakteru obcienia przy pracy

    samotnej na sie okrtow. 54. Wyjani znaczenie kta obcienia dla pracy prdnicowej, silnikowej i na biegu

    jaowym maszyny synchronicznej. 55. Charakterystyka mechaniczna n=f(M) maszyny synchronicznej. 56. Regulacja obcienia maszyny synchronicznej przy wsppracy z sieci sztywn. 57. Charakterystyka M=f() dla maszyny synchronicznej jawno i tajnobiegunowej (

    moment reluktancyjny). 58. Charakterystyki: zewntrzna, regulacyjna i zwarcia maszyny synchronicznej. 59. Zaleno prdu zwarcia maszyn synchronicznych od prdkoci obrotowej. 60. Regulacja wzbudzenia maszyny synchronicznej przyczonej do sieci sztywnej. 61. Regulacja obcienia maszyny synchronicznej przyczonej do sieci sztywnej. 62. Omwi krzywe "V" (Mordey'a) maszyn synchronicznych.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    32

    IV.Wsppraca rwnolega prdnic synchronicznych. 63 Warunki synchronizacji i metody synchronizacji prdnic synchronicznych. 64 Rozdzia mocy czynnych przy wsppracy rwnolegej prdnic synchronicznych. 65 Omwi skad i wyposaenie okrtowego zespou prdotwrczego z maszyn

    synchroniczn. 66 Regulacja mocy czynnej i biernej i jej zwizek z regulatorami prdkoci obrotowej oraz

    napicia. 67 Wpyw regulatorw napicia i prdkoci obrotowej na moc czynn, biern, napicia i

    czstotliwo przy pracy pojedynczej na sie okrtow i przy pracy rwnolegej na sie sztywn.

    68 Specyfika pracy synchronicznej prdnicy waowej i jej wsppraca rwnolega z samodzielnym zespoem prdotwrczym.

    V.Transformatory

    69. Budowa i zasada dziaania transformatora jednofazowego. 70. Podstawowe zalenoci ilociowe w transformatorze. 71. Wyjani pojcie i znaczenie schematu zastpczego transformatora. 72. Sprowadzenie strony wtrnej do pierwotnej transformatora na podstawie schematu

    zastpczego. 73. Wykres wskazowy transformatora 1-fazowego. 74. Stan biegu jaowego trafo oraz parametry jakie mona w tym stanie wyznaczy. 75. Stan obcienia trafo; schemat zastpczy oraz charakterystyki. 76. Stan zwarcia trafo; schemat zastpczy, charakterystyki oraz pomiary parametrw w tym

    stanie. 77. Wsppraca rwnolega transformatorw 3-fazowych oraz jej warunki. 78. Transformatory trjfazowe - grupy pocze Yy 0, Yy 6 79. Transformatory trjfazowe - grupy pocze Yd 5; Yd 11.

    VI.Energoelektronika

    80. Zasada dziaania diody i tyrystora klasycznego oraz ich charakterystyki statyczne.

    81. Dziaanie triaka, jego zastosowanie i charakterystyki. 82. Wyjani pojcie: element elektroniczny p-sterowalny i w peni sterowalny. 83. Przebiegi czasowe U0 ,I0 ,UD w prostowniku nie sterowanym

    a) pokresowym jednofazowym, b) penookresowym jednofazowym.

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    33

    Poda ich schematy elektryczne dla obcienia rezystancyjnego.

    84. Wyjani i zilustrowa na przebiegach czasowych (napicia i prdu) sterowanie ktem zaponu tyrystora. 85. Klasyfikacja prostownikw z punktu widzenia ;

    a) zasilania, b) zakresu prostowania, c) sterowania napiciem i prdem wyprostowanym.

    86. Charakterystyki statyczne prdowo - napiciowe diody, tyrystora, triaka. 87. Omwi zasad dziaania sterownika prdu przemiennego ze sterowaniem fazowym. 88. Zasada dziaania przerywacza prdu staego ( czopera ). 89. Falowniki jednofazowe;

    a) rwnolegy napiciowy, b) falowniki szeregowe.

    90. Metody modulacji PWM w trjfazowych falownikach napicia. 91. Trjfazowe falowniki prdowe. Potwierdzam w imieniu grupy odbir zestawu pyta egzaminacyjnych: Starosta grupy IIMA.................................................. Starosta grupy IIMB.................................................. Starosta grupy IIMC..................................................

    Metody Dydaktyczne Przedmiot jest realizowany w formie wykadw i wicze laboratoryjnych na trzecim i czwartym roku studiw. Pomoce dydaktyczne stanowi: - literatura podstawowa i uzupeniajca do wykadw, - rzeczywiste urzdzenia, - instrukcje stanowiskowe do wicze laboratoryjnych, - regulamin pracy i instrukcja BHP obowizujce w laboratorium I. Forma i warunki zaliczenia przedmiotu II-1. Forma i warunki zaliczenia wykadw - obecno studenta na wykadach, - uzyskanie pozytywnych ocen z wszystkich sprawdzianw pisemnych ( kartkwek) w cigu semestru przeprowadzonych w terminach uzgodnionych ze studentami,

    - zaliczenie kocowe. II -2. Forma i warunki zaliczenia wicze laboratoryjnych

  • Projekt wspfinansowany ze rodkw Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

    Projekt Rozwj i promocja kierunkw technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie

    Akademia Morska w Szczecinie, ul. Way Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

    34

    -znajomo regulaminu pracy i BHP obowizujcych w laboratorium potwierdzona na specjalnym formularzu wasnorcznym podpisem studenta,

    - wykonanie wszystkich planowanych tematw wicze laboratoryjnych, - wykonanie poprawnych sprawozda pisemnych z wykonanych wicze laboratoryjnych opracowanych wg zalece podanych w instrukcjach stanowiskowych, - zaliczenie wszystkich wykonanych wicze laboratoryjnych, - uzyskanie zaliczenia cznego z ocen.

    Literatura podstawowa 1. E. Koziej, B. Socho Elektrotechnika i elektronika. Warszawa 1986 2. F. Przedziecki - Elektrotechnika i elektronika . Warszawa, PWN 1985r. 3. A. Gil Podstawy elektroniki i energoelektroniki. WSM Gdynia 1998 4. Wyszkowski S. Elektrotechnika okrtowa. PWN Warszawa 1989 5.

    Literatura uzupeniajca 6. W. Jaboski Elektrotechnika z automatyk. WSiP Warszawa 1996 7. A. Gil Podstawy elektroniki i energoelektroniki. WSM Gdynia 1998