MASZYNY ELEKTRYCZNE I NAPĘDY ELEKTRYCZNE wykłady
advertisement
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Materiały dydaktyczne Maszyny elektryczne i napędy elektryczne Semestr IV Wykłady Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 1 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Wprowadzenie Prezentowane opracowanie nie jest równoważne wykładom z tego przedmiotu, ze względu na skrótową formę opisu. Ma natomiast pomóc studentom w przygotowaniu się do egzaminu, poprzez zwrócenie uwagi na podstawowe, lecz istotne kwestie, dotyczące zasady działania maszyn elektrycznych, których opanowanie i zrozumienie jest niezbędne do pojęciowego poruszania się w Opracowanie ma formę komentarza i dotyczy podstaw budowy i zasady działania maszyn elektrycznych, ponieważ z zrozumieniem tej części wykładów mają studenci największe trudności. Uwaga ta odnosi się zwłaszcza do zasady działania maszyny asynchronicznej. Odmienna konstrukcja wirników maszyny klatkowej i pierścieniowej wprowadza studentom zamieszanie pojęciowe, co utrudnia poprawną interpretację zasady działania. Inna budowa wirników nie zmienia zasady działania tych maszyn, ale daje inne możliwości obsługowo-regulacyjne. Opracowanie to, stanowi też, co prawda, wybiórczą, lecz bazową wiedzę, bez której trudno będzie zrozumieć dalsze wykłady dotyczące napędów elektrycznych, których tematyka zawarta jest w programie nauczania na kierunku mechatronika. Związki z innymi przedmiotami - matematyka; - fizyka - elektrotechnika i elektronika - mechanika Zakres wiedzy do opanowania: Po wysłuchaniu przewidzianych programem oraz wykonaniu ćwiczeń laboratoryjnych student powinien: A. Znać: w zakresie budowy i zasady działania maszyn elektrycznych: – terminologię i nazewnictwo używane w technice maszyn elektrycznych; – rozumieć ją i umieć nią się poprawnie posługiwać; – strukturę budowy głównych typów maszyn elektrycznych; Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 2 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego – znać funkcję spełnianą przez poszczególne węzły konstrukcyjne maszyny podczas jej pracy; – zjawiska elektryczne, które zostały wykorzystane do realizacji zasady działania maszyn elektrycznych; – rozumieć przebieg reakcji twornika oraz jej wpływ na zachowanie się maszyny w trakcie jej eksploatacji; – znać klasyfikację i rodzaje maszyn elektrycznych; – zakresy pracy maszyn elektrycznych i ich specyfikę; – podstawowe zależności matematyczne w maszynie elektrycznej; – wiedzieć, co to jest sila elektromagnetyczna E i moment elektromagnetyczny M oraz sposób ich powstawania; – znać wzory na siłę E i moment elektromagnetyczny M oraz umieć je wyprowadzić; – w/w wzory zinterpretować pod względem właściwości eksploatacyjnych; – schematy obwodowe maszyn elektrycznych i umieć je narysować; – znać charakterystyki robocze maszyn, warunki ich zdejmowania, oraz interpretację tych charakterystyk; w zakresie napędu elektrycznego: – podstawowe zależności dla napędu elektrycznego; – rolę momentu elektromagnetycznego przy pracy napędowej maszyny elektrycznej; – znać relacje robocze między maszyną elektryczną a maszyną napędzaną ( roboczą); – rozumieć związki między momentem napędowym, momentem oporowym a prędkością obrotową n zespołu maszyn; – znać metody regulacji prędkości obrotowej „w górę” i „w dół” poszczególnych rodzajów maszyn elektrycznych; – znać specyfikę i zagrożenia występujące w poszczególnych fazach pracy napędu elektrycznego, tj.: przy rozruchu, przy regulacji prędkości obrotowej, hamowaniu i nawrocie zespołu maszyn; Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 3 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego – znać podstawowe zasady doboru silnika elektrycznego do napędu maszyny roboczej; w zakresie energoelektroniki: – wiedzieć, co to jest energoelektronika, czym się zajmuje oraz czym się różni od elektroniki klasycznej; – znać cykle przetwarzania energoelektronicznego energii elektrycznej; – znać główne rodzaje przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy; – znać schematy elektryczne prostowników jednofazowych i trójfazowych oraz sterowanych i nie sterowanych; – wiedzieć, co to jest falownik, do czego jest wykorzystywany oraz czym się różni od prostownika sterowanego; – znać rodzaje falowników, ich schematy elektryczne jedno- i trójfazowe; – wiedzieć, czym się różni falownik napięciowy od prądowego oraz jaki jest charakter ich obciążenia; – wiedzieć, co to jest komutacja zaworów elektronicznych w układach wielofazowyh; – wiedzieć czym są „przerywacze”, cyklokonwertory i do czego służą;. – wiedzieć, co to jest metoda PWM, na czym polega, po co i dlaczego stosuje się tą technikę. B. Umieć: 1. Wytłumaczyć zasadę działania maszyn elektrycznych i wykorzystać w eksploatacji wnioski wypływające z analizy wzorów i charakterystyk roboczych; 2. Poprawnie podłączyć maszynę do sieci elektrycznej; 3. Poprawnie dokonać jej rozruchu, hamownia, regulacji prędkości obrotowej i nawrotu; 4. Potrafić zdiagnozować podstawowe usterki i uszkodzenia w układach napędowych i energoelektronicznych. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 4 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Maszyny elektryczne prądu stałego. Współczesne statki są elektryfikowane prądem zmiennym. Pozornie, kładzie to kres rozwojowi konstrukcji i zastosowaniu maszyn elektrycznych prądu stałego, jako że, wymagają one sieci prądu stałego. Dzięki rozwojowi energoelektroniki, dobudowanie sieci na prąd stały, do systemu elektroenergetycznego prądu zmiennego nie przedstawia żadnego problemu technicznego. We flocie światowej pływa nie mało statków, wyposażonych w mieszany system elektroenergetyczny. Maszyny elektryczne prądu stałego w zastosowaniu jako napęd, mają pewne zalety, ale i wady. Wśród zalet należy wymienić: - nieskomplikowana zasada działania, co ułatwia ich diagnozowanie; - duża łatwość i efektywność regulacji prędkości obrotowej w szerokim zakresie; - osprzęt i metody regulacji prędkości obrotowej bardzo proste i tanie do zastosowania w wykonaniu praktycznym. Do głównych wad tej maszyny elektrycznej należy odnieść: - konieczność zasilania z osobnej sieci lub źródła prądu stałego, względnie - zastosowanie przetwornika energoelektronicznego- co komplikuje wyposażenie stanowiska i obwód sterowania tej maszyny; - obecność komutatora i szczotek, co wymaga okresowej obsługi; - przy dużych mocach, gabaryt maszyn prądu stałego rośnie szybciej niż przyrost ich mocy; - łatwość spowodowania łuku elektrycznego przy zwarciu. Ostateczna decyzja o wyborze, zależy od wybranego rozwiązania i kosztów zarówno stanowiska, jak i warunków eksploatacji. Dlatego w dalszym ciągu spotyka się te maszyny na wyposażeniu statków, zwłaszcza specjalistycznych ( np.: pogłębiarki ) lub przy elektrycznym napędzie śruby okrętowej (np.: łodzie i okręty podwodne). Maszyny prądu stałego dzielą się na: – obcowzbudne i Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 5 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego – samowzbudne – najczęściej stosowane w technice okrętowej. Wadą maszyn obcowzbudnych jest obecność dodatkowego źródła prądu stałego, a zaletą niezależność nastaw prądu wzbudzenia od zmiany obciążenia, co zwiększa sztywność charakterystyk roboczych. Maszyny samowzbudne dzielą się, w zależności od konstrukcji obwodu wzbudzenia, na: – bocznikowe, gdzie cewki biegunów głównych są włączone równolegle do twornika; – szeregowe, gdzie cewki biegunów głównych są włączone szeregowo do twornika; – szeregowo- równoległe. Przejście od maszyny obcowzbudnej do samowzbudnej wiąże się z spełnieniem następujacych warunków: – żelazo, z którego jest zbudowana maszyna musi mieć „pamięć magnetyczną”. Po wyłączeniu musi pozostać resztkowe pole magnetyczne; – uzwojenie biegunów głównych musi być włączone równolegle do uzwojeń wirnika z takim zwrotem. ażeby jego strumień dodawał się do strumienia resztkowego pola w maszynie. Dzięki temu cewki biegunów głównych będą pod napięciem siły elektromotorycznej E. W przeciwnym wypadku maszyna rozmagnesuje się; – oporność obwodu wzbudzenia ( cewek biegunów głównych ) musi być mniejsza od oporności krytycznej Rm tegoż obwodu. Wtedy indukowana aktualnie siła elektromotoryczna E będzie w każdej chwili wyższa od spadku napięcia na oporze własnym Rm obwodu wzbudzenia. Spełnienie tych warunków spowoduje samoczynne narastanie siły elektromotorycznej w trakcie rozruchu tak długo, jak długo E >∆U (spadek napięcia na oporności Rm). Zrównanie tych napięć oznacza kres samowzbudzenia, i jednocześnie maksymalną siłę elektromotoryczną E = Umax. Dalszy wzrost napięcia jest niemożliwy z powodu wejścia żelaza maszyny w stan nasycenia magnetycznego. Zaletą maszyn samowzbudnych, jak nazwa wskazuje, jest samoczynny proces ich wzbudzenia przy rozruchu. Pozwala to na ich obsługę przez personel niewykwalifikowany. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 6 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Wadą zaś, wahanie prądu wzbudzenia przy zmianach momentu obciążenia, ponieważ zmienia się wartość indukowanej siły elektromotorycznej E, pod napięciem której płynie prąd wzbudzenia ( magnesowania ) Jm = Jf. Następstwem są większe nachylenia charakterystyk roboczych. Budowa maszyny prądu stałego. Główne węzły konstrukcyjne: – stojan; – wirnik; – zespół komutator- szczotki. Na stojanie umieszczone na rdzeniach są cewki biegunów głównych oraz pomocniczych (komutacyjnych). Stojan pełni funkcję magneśnicy, tj.: wytwarza pole stałe, w którym wiruje wirnik. Wirnik, wraz z uzwojeniami wpuszczonymi w żłobki, spełnia rolę twornika, gdyż indukuje się w nim energia elektryczna przy pracy prądnicowej. Komutator spełnia funkcję prostownika elektromechanicznego. Dzięki niemu, na nieruchomych szczotkach istnieje stała biegunowość „+” i „– „. Dopiero za komutatorem maszyna staje się maszyną prądu stałego, gdyż w tworniku indukuje się przemienna siła elektromotoryczna E. Na rysunku poniżej, pokazany jest przekrój poprzeczny budowy maszyny o liczbie par biegunów p=1, obcowzbudnej, przy pracy prądnicowej, wraz z rozrysowanym obwodem elektrycznym. Widać wyraźnie brak połączenia elektrycznego między obwodami stojana i wirnika. Można dostrzec położenie w osi poprzecznej biegunów komutacyjnych oraz szczotek. Takie położenie w osi poprzecznej, odpowiada w tej maszynie położeniu strefy neutralnej, co ma niezwykle ważne znaczenie dla poprawnej pracy maszyny pod obciążeniem. Zadaniem biegunów komutacyjnych jest kompensowanie skutków reakcji twornika, które mają negatywny wpływ na eksploatację wszystkich rodzajów maszyn prądu stałego. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 7 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Uzwojenia cewek biegunów komutacyjnych są włączone w obwód wirnika. Oznacza to, że płynie przez nie duży prąd obciążenia, podczas, gdy przez bieguny główne mały prąd wzbudzenia, o wielkości nie przekraczającej Jm = 5% Jzn = Jobc.. Zasada działania maszyn prądu stałego opiera się na zjawisku indukcji siły elektromotorycznej E, i jest to najbardziej czytelne właśnie w tej maszynie ( patrz rysunek powyżej). W stałym polu magnetycznym, wytworzonym przez bieguny główne, uzwojenia na powierzchni wirnika przesuwają się poprzecznie do linii sił pola magnetycznego, powodując indukowanie w nich sił elektromotorycznych, których suma ∑ E skutkuje stałą biegunowością szczotek na komutatorze ( patrz rysunek-działanie komutatora). Siły te określone są znanym z Elektrotechniki wzorem: E = B l v; Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 8 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Siła elektromotoryczna E w maszynie prądu stałego. Powyższy wzór, chociaż jest prawdziwy, nie wiele mówi nam o sposobie eksploatacji maszyny. Należy wyrazić go za pośrednictwem parametrów maszyny. Wprowadzając z rysunku poniżej parametry: τ – podziałka biegunowa, odległość pomiędzy biegunami; T – czas jednego okresu; υ – prędkość względna; N – liczba wszystkich przewodów na wirniku o długości czynnej l; 2a – liczba gałęzi rownoleglych; - otrzymamy po przekształceniach wyrażenie na siłę E: E = c Φ n; gdzie: c= Np ; i oznacza stałą konstrukcyjną 60a Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 9 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Moment elektromagnetyczny M w maszynie prądu stałego. W zakresie pracy silnikowej, maszyna pobiera prąd z sieci, a zatem przez każdy przewód wirnika płynie prąd J. Pole magnetyczne stojana będzie działać na przewód z prądem z pewną siłą mechaniczną F zgodnie z wzorem: F = B J l; Pod wpływem wszystkich sił F, działających na przewody wirnika powstaje moment obrotowy elektromagnetyczny M: M=r ∑F ; gdzie: r= pτ π ; – promień wirnika; Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 10 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Postępując jak w przykładzie powyżej otrzymamy wzór na moment elektromagnetyczny: M = k Φ Jt; Obydwa wzory dają cenne wskazówki eksploatacyjne. Obydwa parametry istnieją w maszynie zawsze niezależnie od zakresu jej pracy. Jednakże za każdym razem, w zależności od zakresu roboczego, przykładamy inną uwagę do każdego z tych parametrów. Przy pracy prądnicowej, jeśli chcemy uzyskać pełną moc z maszyny, to powinna mieć stałą prędkość obrotową i na dodatek znamionową n = nn = const. Wtedy wartość siły elektromotorycznej E – a zatem i napięcia w sieci U – zależy jedynie od strumienia Φ pola magnetycznego. Strumień reguluje się prosto prądem wzbudzenia Jm. Przy pracy silnikowej (napędowej), chcąc uzyskać maksymalny moment elektromagnetyczny, powinniśmy mieć znamionowy strumień, czyli prąd wzbudzenia powinien być znamionowy Jm = Jzn.. Wtedy moment będzie zależny jedynie od prądu obciążenia ( prądu twornika Jt ), co oznacza, że przy znamionowych warunkach pracy napędu, moment elektromagnetyczny będzie zawsze dopasowywał się do momentu oporowego, przy każdej zmianie obciążenia. Analiza powyższych wzorów potwierdza efektywność i łatwość sterowania tą maszyną. Reakcja twornika lub reakcja poprzeczna w maszynie prądu stałego oraz rola biegunów komutacyjnych. Reakcja twornika i jej przebieg odgrywa w maszynach elektrycznych bardzo ważną rolę. Od niej zależą właściwości elektryczne maszyny w czasie pracy, ponieważ wpływa negatywnie na jej Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 11 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego parametry. Analiza pól magnetycznych w czasie pracy oraz wzajemne relacje między nimi, wyjaśniają ten proces (patrz rysunek poniżej ). W czasie pracy maszyny na biegu jałowym istnieje tylko jedno pole wytworzone przez bieguny główne. W momencie obciążenia maszyny przez przewody wirnika płynie prąd inicjując powstanie pola wirnika, czyli twornika. Zatem w czasie pracy maszyny mamy już dwa pola, ustawione w maszynie o liczbie par biegunów p = 1 dokładnie poprzecznie. W rezultacie nałożenia się pól, powstaje jedno pole wypadkowe, lecz już odkształcone. Strumień pola odkształconego jest mniejszy niż strumień pojedynczego pola stojana na biegu jałowym. Ten zaskakujący efekt jest wynikiem wejścia odpowiednich połówek rdzeni biegunów w stan nasycenia magnetycznego. W ostateczności mamy do czynienia z następującymi niekorzystnymi objawami: - spadek napięcia siły elektromotorycznej E w czasie pracy, co rzutuje na obniżenie napięcia w sieci przy pracy prądnicowej; - przesunięcie strefy neutralnej o kąt α, niedopuszczalne ze względu na iskrzenie szczotek z możliwością powstania łuku wokół komutatora; - co gorsza, kąt skręcenia α jest zmienny i zależy od stopnia obciążenia maszyny. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 12 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Powstaje zagrożenie uszkodzenia maszyny. Dlatego stosuje się bieguny komutacyjne, ustawione w osi poprzecznej tak, by ich strumień magnetyczny Φkom był równy strumieniowi pola twornika, lecz przeciwnie skierowany. Dzięki temu szczotki pozostają w tym samym miejscu, bez konieczności poszukiwania nowej strefy neutralnej. Znajomość efektu twornika, pozwala zrozumieć lepiej nie tylko zasadę działania maszyn elektrycznych, ale i specyfikę ich eksploatacji. Metody regulacji prędkości obrotowej maszyny prądu stałego. Z zależności napięciowych obwodu twornika przy pracy silnikowej mamy równanie: U = E + Jt Rtc = Usieci = const; gdzie: Jt – prąd twornika, Jt ≅ J obc. ; Rtc – oporność całkowita wirnika. Po podstawieniu: E = c Φ n; oraz M = k Φ Jt; mamy równanie charakterystyki mechanicznej, sztucznej, lub naturalnej – przy braku w wzorze oporności dodatkowej Rd : n = f(M) = U Rts + Rd − M; cΦ c1Φ 2 z której wynikają wszystkie metody regulacji prędkości obrotowej: – za pomocą strumienia Φ, czyli prądu magnesowania (wzbudzenia) Jm; – za pomocą oporu dodatkowego Rd , włączonego w szereg z twornikiem; – za pomocą napięcia sieci U, ale to jest kłopotliwe; Ten rozbudowany komentarz przy maszynie prądu stałego, nie jest bez powodu. Zasada jej działania i zjawiska w niej zachodzące są najłatwiejsze do zrozumienia, a sama maszyna jest nieskomplikowana. Staranne przemyślenia dokonane przy tej okazji, bardzo ułatwiają zrozumienie specyfiki maszyn pozostałych. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 13 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Transformator jednofazowy. Transformatory jedno- i wielofazowe są charakterystycznym przykładem urządzeń elektrycznych prądu zmiennego. Nie działają przy prądzie stałym, gdyż nie zachodzi wtedy zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co jest podstawą ich zasady działania. Co więcej, zasilone prądem stałym ulegają natychmiast spaleniu, jako że maleje ich opór wewnętrzny zmniejszony o brak oporów reaktancyjnych XL, zależnych od częstotliwości f prądu zmiennego. Powoduje to, pobranie z sieci dużego prądu, który jest praktycznie prądem zwarcia. Pomimo prostoty budowy, procesy elektromagnetyczne w nich zachodzące są złożone. Transformatory wielofazowe powstają z połączenia kilku transformatorów jednofazowych, dlatego analizuje się jedynie procesy w transformatorach jednofazowych. Staranne przemyślenie procesów zachodzących w transformatorach stanowi klucz do zrozumienia działania asynchronicznych maszyn elektrycznych, które są także typowymi maszynami prądu zmiennego. Transformatory, to w zasadzie przetworniki energii elektrycznej prądu zmiennego o danych parametrach U1, J1, na energię elektryczną prądu zmiennego, ale już o innych parametrach U2, J2. Odbywa to się bez zmiany częstotliwości prądu ( f = const ). Parametrem charakterystycznym transformatora jest jego przekładnia v, wskazująca proporcję, w jakiej są transformowane parametry energii elektrycznej, tzn.: napięcie U oraz prąd J. Transformatory, jako obiekty elektryczne, odgrywają niezwykle ważną rolę w systemach elektroenergetycznych zarówno lądowych jak i okrętowych. Bez nich praktycznie nie było by możliwości przesyłania energii elektrycznej na duże odległości. Budowa transformatorów jednofazowych. Z punktu widzenia budowy, transformator jest połączeniem obwodów elektrycznych i magnetycznych, dzięki którym zachodzi sprzężenie elektromagnetyczne między obwodami elektrycznymi. Dwie cewki indukcyjne osadzone na kolumnach rdzenia ferromagnetycznego, będącego magnetowodem, prowadzącym strumień magnetyczny, to cała budowa transformatora. Rdzeń jest wykonany jako pakiet konturów o odpowiednim profilu z blachy transformatorowej, gdzie poszczególne warstwy są między sobą starannie odizolowane lakierem lub Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 14 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego materiałem izolacyjnym. Czyni się tak po to, ażeby zmniejszyć negatywny wpływ indukowania prądów wirowych pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Cewka podłączona do sieci zasilającej stanowi obwód pierwotny, o parametrach indeksowanych cyfrą 1, cewka zasilająca odbiorniki prądu zmiennego stanowi obwód wtórny, o parametrach indeksowanych cyfrą 2, ( patrz schemat). L11; L22 – indukcyjności własne uzwojeń: pierwotnego i wtórnego; L12=L21 - indukcyjności wzajemne uzwojeń: pierwotnego i wtórnego; Φ - strumień główny, będący wynikiem sumowania dwóch przepływów magnetycznych : uzwojenia pierwotnego Θ1 oraz wtórnego Θ2; strumień ten sprzęga magnetycznie obydwa uzwojenia; Φs1;Φs2- strumienie rozproszenia obydwu uzwojeń, zamykające się przez powietrze i nie biorące udziału w sprzężeniu magnetycznym obu uzwojeń; Ψ1;Ψ2 - strumienie całkowite skojarzone; e1; e2 - siły elektromotoryczne samoindukcji uzwojeń; przekładnia zwojowa trafo: przekładnia napięciowa trafo: E1 z1 = =ν z ; E2 z 2 U 1 E1 ≈ =ν u ; U 2 E2 Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 15 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Zasada działania i procesy elektromagnetyczne w transformatorze. Jak już wspomniano, ma tu miejsce wykorzystanie zjawiska indukcji elektro-magnetycznej. Przebieg procesów jest następujący: Prąd zmienny pobrany z sieci przepływa przez uzwojenie pierwotne indukując w nim zmienny strumień magnetyczny Φ(t), będący w fazie z prądem i1. Tak powstaje przepływ magnetyczny Θ1 uzwojenia pierwotnego. Zmienny w czasie strumień Φ zaindukuje w uzwojeniu pierwotnym siłę elektromoto-ryczną samoindukcji eL1. Siła ta jest przesunięta w fazie o π 2 w stosunku do prądu i1 i strumienia Φ. Ten sam strumień Φ(t) przepływając przez rdzeń transformatora przenika uzwojenie wtórne, wywołując w nim siłę elektromagnetyczną e2 . W stanie jałowym transformatora ( brak impedancji obciążenia Zodb., a więc również prądu i2 ), na zaciskach uzwojenia wtórnego pojawia się napięcie U2 = e2 . Sytuacja zmienia się po załączeniu obciążenia. Na skutek odbioru mocy od transformatora, popłynie prąd i2, zmienny w czasie, wywołując w uzwojeniu wtórnym swoje własne, zmienne pole magnetyczne. Od tego momentu należy w rdzeniu uwzględniać obecność drugiego przepływu Θ2, i powstanie przepływu wypadkowego określonego równaniem: Θw = Θ1 – Θ2 ; oraz siły elektromotorycznej samoindukcji eL2 w uzwojeniu wtórnym. Warto zwrócić uwagę na relacje między wartościami napięć i sił elektromotorycznych. W stanie obciążenia transformatora występują nierówności: U1 > eL1; oraz eL2 > U2 ; Schemat zastępczy transformatora. Stosunkowo często nie jest należycie rozumiana idea i cel wprowadzenia pojęcia schematu zastępczego transformatora. W rzeczywistości jest to fikcja pojęciowa, ale wygodna i użyteczna w praktyce obliczeniowej. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 16 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Transformator jest urządzeniem o silnych indukcyjnościach, a jednocześnie łączy w sobie dwa niepołączone ze sobą galwanicznie obwody elektryczne, jak i nieliniowe obwody magnetyczne. Cechą obwodów magnetycznych jest istnienie sprzężeń między indukcyjnościami. Liczenie tego typu urządzeń jest uciążliwe i czasochłonne. Ujęcie matematyczne związków występujących w transformatorze rzeczywistym, po przekształceniach, prowadzi do układu dwóch równań. Spostrzeżono, że na ich podstawie można narysować obwód elektryczny, który nie ma nic wspólnego z transformatorem, lecz prosto spełnia wszystkie związki ilościowe między jego elementami. W ten sposób stworzono transformator zastępczy, przedstawiony na rysunku poniżej, który ma następujące zalety: – brak przekładni transformatorowej, lub inaczej ν = 1; – obydwa obwody pierwotny i wtórny są połączone ze sobą gałęzią środkową, co ułatwia liczenie; – brak sprzężeń magnetycznych między indukcyjnościami; – siły elektromotoryczne równe, E1 = E2; wobec ν = 1 ; – przeliczenie elementów i parametrów strony wtórnej transformatora rzeczywistego, określane jako sprowadzenie do strony pierwotnej schematu zastępczego, odbywa się przy pomocy bardzo prostych wzorów, upraszczających obliczenia. Należy zauważyć, że współczynnikiem sprowadzającym jest przekładnia trans-formatora rzeczywistego, co zwiększa przydatność tej metody obliczeniowej. Natomiast interpretacja schematu zastępczego jest trudna, ale to nie ma wpływu na dokładność obliczeń, co jest celem zasadniczym. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 17 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Oznaczenia na schemacie zastępczym transformatora oraz jego interpretacja. – elementy i parametry strony wtórnej sprowadzone do strony pierwotnej: U 2' ; i2' ; R2' ; X 2' ; X µ' ; E2' ; – XL1; XL2 reaktancje związane ze strumieniem rozproszenia Φs1; Φs2 ; – Xµ reaktancja związana z strumieniem głównym Φ; – J0 = i1 – i2' ; prąd biegu jałowego; – iµ składowa bierna prądu J0; – iFe składowa czynna prądu J0; – RFe oporność reprezentująca straty w transformatorze. Maszyny trójfazowe asynchroniczne prądu zmiennego. Maszyna asynchroniczna, ze względu na konstrukcję i zasadę działania, jest przykładem typowej maszyny prądu zmiennego. Istnieją dwa rodzaje maszyn asynchronicznych, różniących się miedzy sobą konstrukcją wirnika. Są to maszyny: – asynchroniczne pierścieniowe oraz – asynchroniczne klatkowe. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 18 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Podział ten, nie oznacza dwóch różnych zasad działania. Zarówno w jednej jak i w drugiej, moc pobrana do stojana z sieci, jest przenoszona do wirnika na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Między obwodami elektrycznymi stojana i wirnika brak jest połączenia galwanicznego. Są to nie tylko dwa osobne obwody, ale także rozmieszczone na osobnych częściach maszyny, oddzielonych dodatkowo od siebie szczeliną powietrzną. Ma to swoje znaczenie, ze względu na opór, jaki stawia powietrze liniom sił pola magnetycznego. Zaostrza też wymagania konstrukcyjne i wytrzymałościowe, gdyż wymogiem podstawowym jest dążenie do jak najmniejszej szczeliny między stojanem a wirnikiem. Budowa maszyn asychronicznych. W skład budowy tych maszyn wchodzą: – stojan; – wirnik; – trzy pierścienie ślizgowe, w przypadku maszyny pierścieniowej. Nie tylko obecność pierścieni odróżnia oba rodzaje maszyn od siebie. Decydująca jest odmienna konstrukcja wirników, mająca wpływ na sposób włączenia do sieci, a także możliwości sterowania ich prędkością obrotową. W maszynie pierścieniowej konstrukcja wirnika jest podobna do wirnika maszyny prądu stałego. Uzwojenia wirnika, nawinięte przewodami w izolacji, są wpuszczone w żłobki na powierzchni wirnika, tworząc trzy wyodrębnione cewki. Są one przesunięte względem siebie przestrzennie po obwodzie wirnika, co 1200, tworząc układ trzech faz. Cewki te są skonfigurowane w układ określany jako gwiazda (Υ). Początki cewek wyprowadza się do trzech pierścieni ślizgowych, spiętych razem za pomocą szczotek. Ma to swoje konsekwencje. Ważną zaletą takiej konstrukcji jest możliwość włączenia się z urządzeniami zewnętrznymi, w obwód wewnętrzny, elektryczny wirnika. Powstają w ten sposób dodatkowe możliwości sterowania tego typu maszyną. Natomiast wadą tej konstrukcji są: – złożona konstrukcja wirnika, wymagająca staranności przy montażu; – podwyższony koszt produkcji; Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 19 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego – zwiększony gabaryt wirnika, w rezultacie i całej maszyny; – łatwość uszkodzenia wirnika przy przeciążeniach roboczych, co jest zresztą w praktyce najczęściej spotykaną awarią; wysoki koszt remontu, w porównaniu do kosztów nowej fabrycznie maszyny Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 20 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warto się przyjrzeć obwodom elektrycznym tej maszyny, gdyż ujrzymy schemat elektryczny transformatora trójfazowego. Istotnie, maszyna ta często jest określana jako transformator trójfazowy z obrotową stroną wtórną i szczeliną powietrzną. Dlatego tak ważnym jest zrozumienie procesów elektromagnetycznych transformatora jednofazowego. Tutaj też stosuje się schemat zastępczy maszyny, który pokrywa się z schematem zastępczym transformatora, z jedną różnicą dotyczącą interpretacji obciążenia. Konstrukcja wirnika klatkowego jest całkowicie odmienna. Uzwojenie, to nie przewody, lecz nie izolowane pręty aluminiowe lub mosiężne, o przekroju okrągłym lub prostokątnym, ułożone równolegle do siebie, których początki i końce są spięte obręczami. Po wyjęciu masy wirnika, przypomina to klatkę, stąd nazwa tego typu maszyny. Sam wirnik powstaje z pakietu odpowiednich, cienkich konturów z blachy transformatorowej, gdzie poszczególne warstwy są starannie izolowane między sobą. Z tego powodu nie zachodzi konieczność izolowania prętów tworzących uzwojenie wirnika. W efekcie taka konstrukcja ma pewne zalety: – niskie koszty produkcji wirnika, a zatem i całej maszyny w porównaniu do maszyny pierścieniowej o tej samej mocy; – małe gabaryty wirnika, więc i całej maszyny klatkowej; – bardzo wysoka odporność wirnika na uszkodzenia przy przeciążeniach w pracy. W praktyce, awarie, jakie się zdarzają, to uszkodzenie stojana a nie wirnika, co czyni ten typ maszyny prawie niezawodną. Wadą maszyn klatkowych jest brak dostępu do elektrycznego obwodu wirnika, co powoduje, że można nią sterować jedynie od strony stojana. Natomiast maszyna asynchroniczna pierścieniowa jest sterowalna zarówno od strony wirnika, jak i stojana. Pewną ciekawostką wiążącą się z maszynami klatkowymi, jest kłopot z określeniem ilości faz w wirniku. Zazwyczaj mówi się, że faz jest tyle, ile prętów na wirniku. Czasami z wyliczeń w tej maszynie, może wyniknąć ułamkowa ilość faz, co jest już kłopotliwe do zrozumienia. Budowa stojana maszyn asynchronicznych trójfazowych. Stojan, to wydrążony walec o przekroju kołowym, na którego wewnętrznym obrysie znajdują się żłobki, przeznaczone do zamocowania uzwojeń cewek. W maszynie trójfazowej cewki trzech faz rozmieszcza się z przesunięciem co 1200 względem siebie. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 21 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Zarówno w maszynie pierścieniowej, jak i klatkowej, budowa stojanów jest identyczna. Te trzy cewki ułożone są w stojanie w układ gwiazdy (Υ) lub trójkąta (∇). Wspomniane cewki trzech faz są nieruchome w stosunku do stojana i wzajemnie do siebie. Stojan w tej maszynie pełni rolę magneśnicy. Identycznie buduje się stojany w maszynach synchronicznych, stosowanych jako generatory do wytwarzania energii elektrycznej, trójfazowej prądu zmiennego. Zasada działania trójfazowej maszyny asynchronicznej. W tak skonstruowanym stojanie, trzy cewki zasilone prądem zmiennym wytwarzają trzy pola magnetyczne pulsujące, nie przesuwające się po obwodzie stojana. Podłączenie takiej konstrukcji do trójfazowej sieci prądu zmiennego, gdzie również mamy do czynienia z przesunięciem między fazami co 1200, wywołuje ciekawy efekt Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 22 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego W wyniku nałożenia się na siebie trzech pulsujących pól magnetycznych trzech cewek nieruchomych względem stojana, powstaje pole magnetyczne wypadkowe, które zaczyna wirować względem stojana. Prędkość wirowania pola wypadkowego zależy od częstotliwości f1 prądu w stojanie, czyli od częstotliwości w sieci zasilającej. Jak wiadomo, częstotliwość sieci jest stała, a zatem i prędkość wirowania pola wypadkowego w stojanie będzie również stała ns = const. W stosunku do tej prędkości odnosimy wszystkie inne parametry określające wirowanie w maszynie, i dlatego nazywamy ją prędkością synchroniczną ns. Wirowanie pola magnetycznego wokół stojana można wykazać najprościej, śledząc położenie pola w przekroju maszyny o liczbie par biegunów p = 1. W zamkniętym wirniku, „omywanyn” przez wirujące pole stojana, zaindukują się siły elektromotoryczne i pod ich działaniem popłyną prądy w każdej fazie. Jest to rezultat zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Powstaje w wirniku nowa sytuacja, opisana już przy maszynie prądu stałego. Na każdy przewód z prądem w wirniku, pole magnetyczne stojana działa ze znaną już siłą F = B J l; Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 23 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego doprowadzając do powstania momentu elektromagnetycznego, wprawiającego wirnik w ruch obrotowy z prędkością n. Prędkość wirnika nigdy nie może osiągnąć prędkości synchronicznej ns pola w stojanie, gdyż wtedy ustanie zjawisko indukcji elektromagnetycznej i maszyna zatrzyma się. Z powyższego wynika, że w rzeczywistości nie występuje tutaj pojęcie biegu jałowego, jak to sugeruje przebieg charakterystyki mechanicznej. Dlatego punkt na charakterystyce mechanicznej odpowiadający stanowi biegu jałowego maszyny, jest określany jako „teoretyczny bieg jałowy”. Mówimy potocznie, że wirnik usiłuje dogonić pole magnetyczne w stojanie, ale nigdy go nie dogoni, gdyż to zaprzecza zasadzie działania tej maszyny. Ta różnica prędkości wirnika i pola magnetycznego stojana, która wyraźnie odróżnia maszynę asynchroniczną od wszystkich innych, nazywa się poślizgiem i jest opisana zależnością: s= Pojęcie poślizgu, jest jednym z n s −n ; ns najważniejszych parametrów w teorii maszyn asynchronicznych. Niezbędny warunek istnienia różnicy prędkości pola magnetycznego stojana i wirnika, uzasadnia nazwę tej maszyny – maszyna asynchroniczna. Z powyższego opisu zasady działania i konstrukcji maszyny wynika, że w czasie pracy występują w maszynie dwa pola magnetyczne wirujące: – synchronicznie wirujące pole stojana oraz – pole magnetyczne wirujące wokół obracającego się wirnika. To ostatnie pole jest „niesione” przez wirnik. Proste zależności matematyczne udowadniają, że chociaż mamy do czynienia z dwoma polami magnetycznymi wirującymi, to w stosunku do siebie wzajemnie, są one nieruchome. Wzór na moment elektromagnetyczny rozwijany przez maszynę asynchroniczną i wnioski eksploatacyjne z niego wynikające. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 24 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Wirujące pole magnetyczne stojana oddziaływuje na wirnik z mocą równą mocy prądu w obwodzie wirnika: P2 = 3 E2 J2 = M ωs ; Po przekształceniu i wyrażeniu siły E2 poprzez strumień Φ, uzyskamy zapis na moment: M = c Φ J2 cos ϕ2 ; gdzie: c= 3kf1 ωs ; - oznacza stałą konstrukcyjną; Zauważalne jest podobieństwo do wzoru na moment elektromagnetyczny w maszynach prądu stałego: M = k Φ Jt ; Wyrażając wzór na moment elektromagnetyczny w zależności od poślizgu maszyny, otrzymamy ostatecznie wyrażenie: U2 M≅ k 1 f1 R2 s = f (s) ; R2 2 2 X2 ±( ) s Wykres momentu w funkcji poślizgu f= (s), oraz jako charakterystyka mechaniczna, pokazuje rysunek: Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 25 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 26 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Analiza tego wzoru prowadzi do ciekawych wniosków. Pierwsza część wyrażenia, to parametry sieci. W przypadku systemów lądowych mamy do czynienia z siecią „sztywną”, co oznacza, że moment nie zależy od tych parametrów. Ani napięcie, ani częstotliwość teoretycznie nie powinny wpływać na wartość momentu rozwijanego przez maszynę. Inaczej jest na statku, gdzie sieć jest „miękka” i wspomniane parametry mogą się wahać. Druga część wyrażenia mówi, że moment zależy jedynie od parametrów wirnika, a nie stojana. To są ważne spostrzeżenia i wiele mówią o sposobie eksploatacji tej maszyny. Trójfazowe maszyny synchroniczne. Maszyny synchroniczne stosowane są przede wszystkim jako źródła energii elektrycznej prądu zmiennego, wielofazowego, i to dużej mocy. Odnosi się to, zatem, do zakresu pracy generatorowej, gdyż wtedy właśnie pracuje najlepiej. Nie oznacza to, że nie może pracować w zakresie silnikowym. Jednakże w tym reżymie pracy, jej właściwości eksploatacyjne są dużo gorsze. Zazwyczaj są to stanowiska specjalne, nietypowe. Takie, gdzie od napędu elektrycznego wymaga się ścisłego utrzymania prędkości obrotowej układu maszyn, przy zmianach obciążenia i to w szerokim zakresie. Spotkać ją można w zakładach produkujących kable elektryczne, druty o stałym przekroju na wielokilometrowej długości, w walcowniach blach o dużych powierzchniach i stałym profilu przekroju, ale wtedy są to silniki dużych mocy, na poziomie megawatów. Wyjaśnienie takiego stanu rzeczy tkwi w zasadzie działania maszyny. Jej prędkość obrotowa musi być stała, gdyż tylko wtedy rozwija pełną moc, jaka wynika z założeń konstruktorskich. Dodatkowo prędkość obrotowa zależy od częstotliwości prądu w stojanie, a ta częstotliwość jest taka, jaka w sieci zasilającej. Przy pracy napędowej maszyna pobiera energię z sieci elektrycznej, która narzuca stałe parametry tej energii, a zatem i stałą częstotliwość f1 = const. w stojanie. Mamy, więc problem z płynną regulacją prędkości obrotowej, czego wymaga się od napędu elektrycznego. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 27 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Szczególnym wykorzystaniem maszyny synchronicznej jest jej praca jako kompensator. W tym stanie pracy staje się źródłem mocy biernej pojemnościowej, co daje możliwość poprawy współczynnika mocy cos ϕ, w sieci elektrycznej. Jak wiadomo, przy cos ϕ = 1,0, z sieci jest pobierane 100% mocy czynnej, nie jest pobierana moc bierna, co ma bezpośredni wpływ na wysokość rachunków za energię elektryczną, jakie płacą zakłady , zwłaszcza produkcyjne. Budowa i konstrukcja maszyn synchronicznych. Budowa tych maszyn jest w dużym stopniu zbieżna z konstrukcją maszyn asynchronicznych, gdyż w obu typach maszyn mamy identyczne stojany. Konstrukcja stojana i procesy elektromagnetyczne w nim zachodzące, zostały już dokładnie opisane powyżej. Istotna różnica w budowie, odnosi się do konstrukcji wirnika. Jest ona całkowicie inna, i dużo prostsza. Na wirniku znajduje się uzwojenie cewki prądu stałego o dużej ilości zwojów. Prąd stały jest doprowadzany za pomocą pierścieni ślizgowych. Źródłem prądu w rozwiązaniach tradycyjnych była wzbudnica małej mocy, umiesz-czona na końcu wału wirnika. Dzięki temu obracała się razem z wirnikiem maszyny. Jako wzbudnicę używano zazwyczaj prądnicy bocznikowej prądu stałego. Regulując prądem wzbudzenia wzbudnicy uzyskuje się zmianę natężenia prądu cewki wirnika i w ostateczności zmianę strumienia magnetycznego pola wirnika. Wadą tego rozwiązania jest konieczność ręcznej obsługi obwodu wzbudzena, co nie jest wygodne i trudne dla personelu nie przeszkolonego. Dziś ten problem rozwiązuje się inaczej, poprzez zastosowanie automatycznych, szybko działających elektronicznych regulatorów napięcia. W ten sposób znikła konieczność stosowania wzbudnic maszynowych prądu stałego, proces samowzbudzenia generatora przebiega samoczynnie i szybko, a prąd stały produkowany jest przez prostownik elektroniczny włączony w obwód regulatora napięcia. Impulsem pobudzającym zadziałanie automatycznego regulatora napięcia jest siła elektromotoryczna remanentu Esz, pojawiająca się przy pierwszych obrotach wirnika pod wpływem szczątkowego pola magnetycznego, po poprzednich stanach magnesowania maszyny. Stąd Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 28 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego konieczność stosowania do budowy współczesnych generatorów materiałów ferromagnetycznych, z tak zwana „pamięcią magnetyczną”. Z opisu konstrukcji maszyn synchronicznych wynika wniosek, że jest to maszyna mieszana, jakby pośrednicząca pomiędzy maszyną prądu stałego a maszyną prądu zmiennego. Widoczna jest zmiana funkcji spełnianej przez wirnik, w porównaniu do maszyny prądu stałego. Wirnik tutaj pełni rolę magneśnicy. Zaś z punktu widzenia sterowania, maszyna ta sterowana jest niezwykle prosto i efektywnie, gdyż pojedynczy parametr, jakim jest prąd wzbudzenia, i to bardzo małej mocy, skutecznie wpływa na generowane napięcie. Zasada działania maszyn synchronicznych. Konstrukcja wirnika i jego współdziałanie z automatycznym regulatorem napięcia wyraźnie wskazuje, że celem jest wytworzenie stałego pola magnetycznego w maszynie. Przy stałym natężeniu prądu wzbudzenia Jm = const, strumień Φ tego pola będzie również stały. Jednakże przy obracaniu się wirnika, wiruje także pole magnetyczne w przestrzeni wewnętrznej maszyny. W rezultacie, to stałe pole magnetyczne będzie postrzegane przez nieruchome cewki stojana, jako pole zmienne w czasie. Będą więc spełnione wszystkie warunki wymagane dla zaistnienia zjawiska indukcji elektromagnetycznej. I to jest cała zasada działania tych maszyn. Staranne zapoznanie się z zasadą działania wyżej opisanych maszyn elektrycznych, powinno sprawić, że zrozumienie budowy i działania maszyn synchronicznych nie powinno stanowić już żadnego problemu, a sama maszyna wyda się być prostą. Pozostawiam ten problem jako zadanie do samodzielnego rozpracowania przez studentów. Warto jednak pamiętać, że prostota maszyny nie jest równoważna z prostotą jej eksploatacji. Skomplikowany przebieg reakcji twornika, zależny od charakteru wypadkowego obciążenia maszyny, powoduje, że proces eksploatacji nie jest łatwy. Szczególnie odnosi się to do współpracy równoległej generatorów synchronicznych. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 29 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Podstawową kwestią prowadzącą do pełnego rozumienia działania i eksploatacji maszyn synchronicznych, jest staranna analiza procesów związanych z przebiegiem reakcji twornika. Pomimo wielu zalet maszyn synchronicznych, mają one dużą wadę, jaką jest ich zmienność napięcia wyjściowego przy pracy generatorowej. Zmienność ta sięga około 80% procent w stosunku do napięcia znamionowego. Tak wielka zmienność napięcia stosunkowo długo była przeszkodą w powszechnym zastosowaniu ich w technice okrętowej, i w praktyce eliminowała czasowo te maszyny jako źródło energii elektrycznej o stałych parametrach. Biorąc pod uwagę szybkość procesów elektromagnetycznych w systemie elektroenergetycznym oraz fakt, że sieć okrętowa jest siecią „miękką”, ręczna obsługa takich generatorów, przez nieliczny personel i niewykwalifikowany, była niemożliwa. Problem został rozwiązany dopiero po opracowaniu automatycznych regulatorów napięcia. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 30 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Zestaw pytań egzaminacyjnych z przedmiotu "Maszyny elektryczne, energoelektronika i napędy elektryczne". I. Maszyny prądu stałego. 1. Zasada odwracalności maszyn elektrycznych. 2. Struktura mechaniczna maszyny prądu stałego (budowa stojana, wirnika, komutatora, bieguny główne i komutacyjne). 3. Siła elektromagnetyczna w maszynie prądu stałego (wzór i jego wyprowadzenie). 4. Charakterystyka biegu jałowego i napięcie remanentu (szczątkowe). 5. Reakcja twornika w maszynach prądu stałego. 6. Rodzaje charakterystyk w maszynach elektrycznych pr.stał., warunki ich zdejmowania oraz informacje eksploatacyjne jakie sobą przedstawiają. 7. Zakresy pracy i klasyfikacja maszyn prądu stałego. 8. Prądnice pr.stał. obcowzbudne i samowzbudne oraz ich schematy elektryczne. 9. Warunki samowzbudzenia prądnic prądu stałego. 10. Charakterystyki zewnętrzne prądnicy bocznikowej, szeregowej, szeregowo-bocznikowej. 11. Prądnica szeregowo-bocznikowa dozwojona zgodnie i niezgodnie. 12. Praca równoległa prądnic prądu stałego. 13. Równanie napięciowe maszyny prądu stałego dla zakresu pracy prądnicowej i silnikowej. 14. Wzór na moment elektromagnetyczny i jego wyprowadzenie dla silnika prądu stałego. 15. Stany pracy silnika prądu stałego. 16. Wzór na prędkość obrotową (n) wirnika oraz metody jej regulacji wraz z charakterystykami. 17. Charakterystyki mechaniczne n=f(M) silnika prądu stałego. 18. Rozruch silnika bocznikowego w funkcji prądu lub w funkcji momentu. Zakres zmian prądu rozruchowego (dopuszczalny). Wzór na prąd rozruchowy. Moment dynamiczny (Md). 19. Regulacja prędkości obrotowej silnika prądu stałego. 20. Hamowanie silników prądu stałego(bocznikowych): a) prądnicowe (odzyskowe) b) przeciwprądowe c) dynamiczne. 22.Równanie charakterystyki mechanicznej n=f(M) naturalnej i sztucznej. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 31 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 23.Układ Ward-Leonarda: schemat elektryczny oraz metody regulacji prędkości obrotowej w nim zastosowane. 24.Zestaw charakterystyk mechanicznych układu Ward-Leonarda przy regulacji prędkości obrotowej " w górę" i "w dół"dla stałego momentu i stałej moc. II."Maszyny asynchroniczne" 24 Budowa maszyny asynchronicznej pierścieniowej i klatkowej (stojan, wirnik) 25 Zasada działania maszyny asynchronicznej. 26 Wytłumaczyć mechanizm wirowania pola magnetycznego w stojanie maszyny asynchronicznej. 27 Wyjaśnić powstawanie momentu elektromagnetycznego w wirniku maszyny asynchronicznej. 28 Pojęcie poślizgu i jego interpretacja. 29 Wytłumaczyć co oznacza pojęcie "teoretyczny bieg jałowy" w maszynie asynchronicznej. 30 Charakterystyka n=f(s) 31 Wykres wektorowy wirnika i wzory na parametry wirnika (f2 E2 I2 Rd X2). 32 Schemat zastępczy maszyny asynchronicznej. 33 Moc i sprawność maszyny asynchronicznej. Wykres Sankey'a strat w maszynie. 34 Moment obrotowy silnika asynchronicznego, wyprowadzenie wzoru i wykres M=f(s). 35 Wzory na poślizg krytyczny, moment maksymalny, moment rozruchowy, wzór Klossa i jego interpretacja graficzna ( maszyny asynchroniczne). 36 Charakterystyki mechaniczne n=f(M) oraz wzory dla charakterystyki naturalnej i sztucznej. 37 Rozruch silnika asynchronicznego pierścieniowego. 38 Sposoby rozruchu silników asynchronicznych klatkowych. 39 Wzór i metody regulacji prędkości obrotowej silników klatkowych i pierścieniowych. 40 Wytłumaczyć znaczenie warunku U1 = const przy regulacji prędkości obrotowej poprzez zmianę f1 U1 lub f1. 41 Regulacja obrotów metodą oporu dodatkowego (masz.asynch.). 42 Silniki wielobiegowe oraz metodą Dalander'a regulacji prędkości obrotowej. 43 Hamowanie silników asynchronicznych. a) prądnicowe ( nadsynchroniczne) b) przeciwprądowe (prądem sieci). Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 32 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 44 Hamowanie silników asynchroniacznych a) prądem stałym (dynamiczne) b) jednofazowe. III.Maszyny synchroniczne 46. Budowa maszyny synchronicznej i jej schemat elektryczny. 47. Zasada działania i wzbudzenie maszyny synchronicznej. 48. Wytłumaczyć różnice między maszyną synchroniczną jawno- i tajnobiegunową. 49. Reakcja twornika w maszynach synchronicznych. 50. Wyjaśnić wpływ charakteru obciążenia elektrycznego prądnicy synchronicznej na przebieg reakcji twornika. 51. Omówić podobieństwa i różnice w przebiegu reakcji twornika w maszynach prądu stałego i synchronicznych. 52. Wykres wektorowy maszyny synchronicznej, reaktancja synchroniczna. 53. Zależność napięcia U prądnicy synchronicznej od charakteru obciążenia przy pracy samotnej na sieć okrętową. 54. Wyjaśnić znaczenie kąta obciążenia α dla pracy prądnicowej, silnikowej i na biegu jałowym maszyny synchronicznej. 55. Charakterystyka mechaniczna n=f(M) maszyny synchronicznej. 56. Regulacja obciążenia maszyny synchronicznej przy współpracy z siecią sztywną. 57. Charakterystyka M=f(α α) dla maszyny synchronicznej jawno i tajnobiegunowej ( moment reluktancyjny). 58. Charakterystyki: zewnętrzna, regulacyjna i zwarcia maszyny synchronicznej. 59. Zależność prądu zwarcia maszyn synchronicznych od prędkości obrotowej. 60. Regulacja wzbudzenia maszyny synchronicznej przyłączonej do sieci sztywnej. 61. Regulacja obciążenia maszyny synchronicznej przyłączonej do sieci sztywnej. 62. Omówić krzywe "V" (Mordey'a) maszyn synchronicznych. IV.Współpraca równoległa prądnic synchronicznych. 63 Warunki synchronizacji i metody synchronizacji prądnic synchronicznych. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 33 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 64 Rozdział mocy czynnych przy współpracy równoległej prądnic synchronicznych. 65 Omówić skład i wyposażenie okrętowego zespołu prądotwórczego z maszyną synchroniczną. 66 Regulacja mocy czynnej i biernej i jej związek z regulatorami prędkości obrotowej oraz napięcia. 67 Wpływ regulatorów napięcia i prędkości obrotowej na moc czynną, bierną, napięcia i częstotliwość przy pracy pojedynczej na sieć okrętową i przy pracy równoległej na sieć sztywną. 68 Specyfika pracy synchronicznej prądnicy wałowej i jej współpraca równoległa z samodzielnym zespołem prądotwórczym. V.Transformatory 69. Budowa i zasada działania transformatora jednofazowego. 70. Podstawowe zależności ilościowe w transformatorze. 71. Wyjaśnić pojęcie i znaczenie schematu zastępczego transformatora. 72. Sprowadzenie strony wtórnej do pierwotnej transformatora na podstawie schematu zastępczego. 73. Wykres wskazowy transformatora 1-fazowego. 74. Stan biegu jałowego trafo oraz parametry jakie można w tym stanie wyznaczyć. 75. Stan obciążenia trafo; schemat zastępczy oraz charakterystyki. 76. Stan zwarcia trafo; schemat zastępczy, charakterystyki oraz pomiary parametrów w tym stanie. 77. Współpraca równoległa transformatorów 3-fazowych oraz jej warunki. 78. Transformatory trójfazowe - grupy połączeń Yy 0, Yy 6 79. Transformatory trójfazowe - grupy połączeń Yd 5; Yd 11. VI.Energoelektronika 80. Zasada działania diody i tyrystora klasycznego oraz ich charakterystyki statyczne. 81. Działanie triaka, jego zastosowanie i charakterystyki. 82. Wyjaśnić pojęcie: element elektroniczny pół-sterowalny i w pełni sterowalny. 83. Przebiegi czasowe U0 ,I0 ,UD w prostowniku nie sterowanym a) półokresowym jednofazowym, b) pełnookresowym jednofazowym. Podać ich schematy elektryczne dla obciążenia rezystancyjnego. Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 34 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 84. Wyjaśnić i zilustrować na przebiegach czasowych (napięcia i prądu) sterowanie kątem zapłonu tyrystora. 85. Klasyfikacja prostowników z punktu widzenia ; a) zasilania, b) zakresu prostowania, c) sterowania napięciem i prądem wyprostowanym. 86. Charakterystyki statyczne prądowo - napięciowe diody, tyrystora, triaka. 87. Omówić zasadę działania sterownika prądu przemiennego ze sterowaniem fazowym. 88. Zasada działania przerywacza prądu stałego ( czopera ). 89. Falowniki jednofazowe; a) równoległy napięciowy, b) falowniki szeregowe. 90. Metody modulacji PWM w trójfazowych falownikach napięcia. 91. Trójfazowe falowniki prądowe. Potwierdzam w imieniu grupy odbiór zestawu pytań egzaminacyjnych: Starosta grupy IIMA.................................................. Starosta grupy IIMB.................................................. Starosta grupy IIMC.................................................. Metody Dydaktyczne Przedmiot jest realizowany w formie wykładów i ćwiczeń laboratoryjnych na trzecim i czwartym roku studiów. Pomoce dydaktyczne stanowią: - literatura podstawowa i uzupełniająca do wykładów, - rzeczywiste urządzenia, - instrukcje stanowiskowe do ćwiczeń laboratoryjnych, - regulamin pracy i instrukcja BHP obowiązujące w laboratorium I. Forma i warunki zaliczenia przedmiotu II-1. Forma i warunki zaliczenia wykładów Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 35 Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego - obecność studenta na wykładach, - uzyskanie pozytywnych ocen z wszystkich sprawdzianów pisemnych ( „kartkówek”) w ciągu semestru przeprowadzonych w terminach uzgodnionych ze studentami, - zaliczenie końcowe. II -2. Forma i warunki zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych - znajomość regulaminu pracy i BHP obowiązujących w laboratorium potwierdzona na specjalnym formularzu własnoręcznym podpisem studenta, - wykonanie wszystkich planowanych tematów ćwiczeń laboratoryjnych, - wykonanie poprawnych sprawozdań pisemnych z wykonanych ćwiczeń laboratoryjnych – opracowanych wg zaleceń podanych w instrukcjach stanowiskowych, - zaliczenie wszystkich wykonanych ćwiczeń laboratoryjnych, - uzyskanie zaliczenia łącznego z oceną. Literatura podstawowa 1. E. Koziej, B. Sochoń – Elektrotechnika i elektronika. Warszawa 1986 2. F. Przeździecki - Elektrotechnika i elektronika . Warszawa, PWN 1985r. 3. A. Gil – Podstawy elektroniki i energoelektroniki. WSM Gdynia 1998 4. Wyszkowski S. – Elektrotechnika okrętowa. PWN Warszawa 1989 Literatura uzupełniająca 5. W. Jabłoński – Elektrotechnika z automatyką. WSiP Warszawa 1996 6. A. Gil – Podstawy elektroniki i energoelektroniki. WSM Gdynia 1998 Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie” Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin 36
