Maszyny elektryczne

Maszyny elektryczne
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.
Podział maszyn elektrycznych
• Transformatory - energia prądu przemiennego jest zamieniana w
energię prądu przemiennego o innych parametrach.
• Prądnice – energia mechaniczna jest zamieniana w energię
elektryczną.
• Silniki – energia
mechaniczną.
elektryczna
jest
zamieniana
Prądnice i silniki możemy podzielić na maszyny:
• prądu stałego
• prądu przemiennego
w
energię
Podział maszyn prądu przemiennego:
• transformatory
• maszyny indukcyjne (asynchroniczne)
• maszyny synchroniczne
Podział maszyn prądu stałego:
• szeregowe
• bocznikowe
• obcowzbudne
• z magnesami trwałymi
Elementy maszyn wirujących:
• Magneśnica (składa się z elektromagnesów lub magnesów stałych,
stanowi źródło pola magnetycznego).
• Twornik (jest w nim wytwarzana SEM (prądnica) lub siły
elektrodynamiczne (silnik).
Część maszyny nieruchomą nazywamy stojanem, a wirującą nazywamy
wirnikiem.
Każdą maszynę charakteryzują:
• napięcie znamionowe
• prąd znamionowy
• współczynnik mocy (maszyny prądu przemiennego)
• częstotliwość znamionowa (maszyny prądu przemiennego)
• moc znamionowa
• sprawność
• prędkość obrotowa
• masa
Transformatory.
Służą one do zwiększania lub obniżania napięcia i prądu.
Składają się z:
• uzwojenia pierwotnego (dolnego napięcia) – cewki o liczbie zwojów
NDN (N1),
• uzwojenia (lub kilku uzwojeń) wtórnego (górnego napięcia) ncewki o liczbie zwojów NGN (N2),
• rdzenia wykonanego z pakietowanych blach, na którym nawinięte
są uzwojenia.
Transformator jednofazowy: budowa i schemat
W transformatorze energia jest przenoszona między uzwojeniami w
oparciu o elektromagnetyczne oddziaływanie sprzężonych ze sobą
magnetycznie uzwojeń.
Stosunek liczby zwojów transformatora określa nam przekładnia
zwojowa nz:
Zależności między prądami i napięciami strony pierwotnej i wtórnej
określa przekładnia napięciowa K:
Moc po obu stronach transformatora jest taka sama i wynosi:
S = U1I1 = U2I2
Transformator może pracować w jednym ze stanów:
• jałowym
• obciążenia
• zwarcia
Transformatory mają wysoką sprawność
przekraczającą często 1% mocy znamionowej.
energetyczną,
nie
Transformatory trójfazowe
Metody połączenia uzwojeń transformatora trójfazowego:
a) gwiazda, b) trójkąt, c) zygzak
Podstawowe typy transformatorów:
• energetyczne
• jednofazowe
• autotransformatory
• przekładniki prądowe i napięciowe
• transformatory bezpieczeństwa (U2 = 24V)
• transformatory separacyjne (1:1)
Autotransformator
Maszyny komutatorowe prądu stałego i
przemiennego.
Ich charakterystycznym elementem jest komutator – pierścień złożony
z segmentów wykonanych z materiału przewodzącego podzielonych
materiałem izolacyjnym, umieszczonego na obrotowym wale.
Poszczególne segmenty komutatora (działki) są połączone z
uzwojeniami wirnika maszyny. Z zewnętrznym obwodem są one
połączone poprzez ślizgające się po nim szczotki.
Komutator umożliwia mechaniczną zamianę prądu stałego w
przemienny i odwrotnie.
Zasada działania prądnicy prądu stałego: a) z komutatorem
dwusegmentowym, b) z komutatorem czterosegmentowym.
Prądnica obcowzbudna prądu stałego
Schematy połączeń prądnicy prądu stałego: a) bocznikowej,
b) szeregowej, c) szeregowo-bocznikowej
Silniki prądu stałego występują jako:
• szeregowe
• bocznikowe
• szeregowo-bocznikowe
• obcowzbudne
• z magnesami trwałymi
Ich schematy są zbieżne ze schematami analogicznych prądnic.
Zmianę kierunku wirowania uzyskujemy poprzez zamianę polaryzacji
uzwojenia twornika lub wzbudzenia.
Charakterystyki
mechaniczne
silników prądu stałego:
1 – bocznikowego,
2 – szeregowo-bocznikowego,
3 – szeregowego
Prędkość obrotową silnika prądu stałego regulujemy poprzez:
• zmianę rezystancji obwodu wirnika,
• zmianę rezystancji obwodu wzbudzenia,
• zmianę napięcia zasilania.
Silniki komutatorowe prądu przemiennego:
Stosowane do zasilania z sieci jednofazowej. Stojan i wirnik są
wykonane z blach. Posiadają duży moment rozruchowy i dużą prędkość
obrotową. Można je zasilać również napięciem stałym.
Silniki indukcyjne (asynchroniczne).
Wykonywane jako 1 i 3-fazowe. Są najpopularniejszymi z silników
prądu zmiennego.
Zasada działania opiera się o wykorzystanie wirującego pola
magnetycznego uzyskanego w wyniku nakładania się na siebie
zmiennych pól magnetycznych wytworzonych w uzwojeniach stojana.
Pole to poprzez indukcję magnetyczną wzbudza w uzwojeniach wirnika
przepływ prądu i „pociąga” go za sobą. Wirnik wiruje zawsze wolniej od
pola stojana (asynchronizm). Różnica w prędkości wirowania wirnika i
pola stojana w odniesieniu do prędkości pola stojana stanowi tzw.
poślizg.
Silniki indukcyjne ze względu na konstrukcję wirnika dzielimy na:
• klatkowe (wirnik stanowi „klatka” z prętów połączonych na końcach
pierścieniami zwierającymi),
• pierścieniowe (wirnik posiada uzwojenia wyprowadzone na
zewnątrz za pośrednictwem pierścieni ślizgowych.
Uzwojenia silników mogą być połączone:
• w gwiazdę,
• w trójkąt.
Często podczas rozruchu maszyny indukcyjnej (najczęściej klatkowej)
stosuje się metodę przełączania uzwojeń: gwiazda-trójkąt.
Połączenie uzwojeń w gwiazdę i w trójkąt.
Wirnik klatkowy
Wirnik pierścieniowy z
rezystorami rozruchowymi
Prędkość obrotowa silnika indukcyjnego jest proporcjonalna do
częstotliwości zasilania. Zależy również od ilości par biegunów stojana.
Nieznacznie zależy też od obciążenia silnika i jego napięcia zasilania. W
silnikach pierścieniowych zależy również od napięcia na pierścieniach
wirnika (wartości wpiętych tam rezystorów).
Obecnie najpopularniejszą metodą jej regulacji jest regulacja
częstotliwości zasilania silnika indukcyjnego realizowana za
pośrednictwem falowników energoelektronicznych.
M
f
Charakterystyka mechaniczna dla
różnych częstotliwości zasilania
silnika
ωm
Jednofazowe silniki indukcyjne.
Składają się ze stojana o uzwojeniu dwufazowym i wirnika klatkowego.
Dla jego rozruchu niezbędne jest stworzenie kondensatorowego
uzwojenia rozruchowego, w którym prąd jest przesunięty w fazie, co
pozwala na stworzenie pola wirującego i rozruch silnika.
Jednofazowy silnik indukcyjny z kondensatorowym uzwojeniem
rozruchowym (pojedynczy i podwójny kondensator)
Maszyny synchroniczne.
Najczęściej wykorzystywane jako generatory prądu zmiennego, rzadziej
jako silniki.
Wirują zawsze z tą samą prędkością obrotową niezależnie od
obciążenia.
Składają się z:
• stojana
• wirnika (z magnesami stałymi lub elektromagnesami prądu stałego)
- z biegunami jawnymi (w maszynach o małych prędkościach)
- z biegunami utajonymi (w maszynach szybkobieżnych)
Schemat maszyny synchronicznej
a)
b)
Maszyna synchroniczna z biegunami a) jawnymi, b) utajonymi
W prądnicy synchronicznej wirnik zasilany prądem stałym obraca się,
wytwarzając wokół siebie pole magnetyczne wirujące z taką samą
prędkością jak sam wirnik. Przecina ono uzwojenia stojana, indukując w
nim zmienne SEM. Uzyskane w ten sposób napięcie można wykorzystać
do zasilania innych odbiorników. Jego częstotliwość zależy od prędkości
obrotowej wirnika i jest z nią ściśle zsynchronizowana.
Prądnice takie
(elektrownie).
wykorzystujemy
głównie
w
elektroenergetyce
Mogą one pracować samotnie lub w pracy równoległej z innymi
generatorami (system elektroenergetyczny). W przypadku pracy
równoległej konieczna jest synchronizacja prądnicy (generatora) z
siecią. Synchronizuje się poziom napięcia, częstotliwość i zgodność faz.
Alternatory.
Są to prądnice synchroniczne pracujące w pojazdach samochodowych.
Uzyskane z nich napięcie jest regulowane (poprzez regulator napięcia
zmieniający napięcie zasilające magnes wirnika), a następnie
prostowane i podłączone do akumulatora.
Silniki synchroniczne.
Są kłopotliwe w użyciu. Wymagają specjalnych układów rozruchowych.
Jednocześnie zapewniają stałą prędkość niezależnie od obciążenia.
Mogą być wykorzystywane do kompensacji cos ϕ.
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999