plik


ÿþElektrotechnika i elektronika (konspekt) Franciszek GoBek (golek@ifd.uni.wroc.pl) www.pe.ifd.uni.wroc.pl WykBad 6. Maszyny elektryczne prdu staBego Maszyny elektryczne 1) Przeznaczone do przetwarzania energii mechanicznej na elektryczn. Zwykle s to wirujce maszyny elektryczne jak generatory, prdnice czy alternatory. Wchodzi energia mechaniczna  wychodzi elektryczna. 2) Przeznaczone do przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczn. Nale| do nich silniki i inne napdy. Wchodzi energia elektryczna  wychodzi mechaniczna. 3) Do maszyn elektrycznych mo|na zaliczy równie| transformatory i przetwornice, których zadaniem jest zmiana parametrów energii elektrycznej takich jak napicie elektryczne, nat|enie prdu czy czstotliwo[. Wchodzi energia elektryczna  i wychodzi elektryczna. W budowie maszyn elektrycznych podstawowymi materiaBami s izolowane przewody elektryczne (druty miedziane lub aluminiowe), substancje izolujce (lakiery olejne i |ywicowe, mika, papier i folia), materiaBy o du|ej przenikalno[ci magnetycznej, szczotki wglowe, pier[cienie stykowe i Bo|yska. TrwaBo[ tych materiaBów zale|y od warunków pracy: temperatura, wilgotno[ i toksyczno[ [rodowiska, przeci|enia i wibracje. Przyjmuje si, |e okres u|ytkowania maszyn powinien wynosi od 15 do 20 lat. Ze wzgldu na u|yte materiaBy wyró|nia si nastpujce klasy ciepBoodporno[ci: klasa A  dopuszczalna temperatura 105°C, klasa E - 120°C, klasa B - 130°C, klasa F - 150°C, klasa H - 180°C. Wa|nym podzespoBem maszyn elektrycznych jest ukBad wentylacyjny. Medium chBodzce zwykle stanowi powietrze, czasem jednak stosowany jest wodór, którego przetBaczanie przez maszyn wymaga okoBo 10-krotnie ni|szej mocy a jego skuteczno[ chBodzenia jest wiksza. PrzykBad wirujcej maszyny elektrycznej ilustruje rysunek obok. wirnik osadzony na Bo|yskach tak by móc si obraca przy mo|liwie maBej szczelinie midzy nim a stojanem. Wirnik (rotor) mo|e by poBczony z mechanicznym obci|eniem gdy maszyna jest silnikiem lub ze zródBem napdu (np. turbin) gdy maszyna jest generatorem. W obu przypadkach (generatorów i silników) pole magnetyczne jest tym co sprzga system elektryczny z systemem mechanicznym. Gdy maszyna jest silnikiem wtedy siBa oddziaBywania biegunów magnetycznych stojana i wirnika generuje  mechaniczny moment siB. Gdy maszyna jest generatorem wówczas wykorzystuje prawo indukcji Faradaya dla konwersji zmiennych pól magnetycznych na prd elektryczny. Tu moment siB  mechaniczny wymusza zmiany pola magnetycznego przenikajcego uzwojenia. W maszynach elektrycznych istnieje wiele konfiguracji wytwarzania pola magnetycznego: magnesy trwaBe lub uzwojenia z prdem, prd w uzwojeniach staBy lub zmienny Analizujc jakiekolwiek maszyny elektryczne nale|y mie na uwadze midzy innymi straty mocy na: prdy wirowe, histerez rdzeni, grzanie  I2R i tarcie wirujcych elementów oraz straty na tzw. potrzeby wBasne (wymuszanie cyrkulacji chBodziw, smarów czy zasilanie ukBadów kontrolnych). Przy doborze rodzaju maszyny dla okre[lonego zadania nale|y bra pod uwag szczegóBowe charakterystyki maszyn (jak zale|no[ momentu obrotowego od szybko[ci obrotów, zale|no[ obrotów od obci|enia itp.) W tym wykBadzie omawiamy maszyny prdu staBego (DC machines). W maszynach prdu staBego nie ma wirujcego pola magnetycznego (inaczej ni| w maszynach prdu zmiennego AC) dlatego tu stosowane s odpowiednie przeBczniki mechaniczne tzw. komutatory pozwalajce na utrzymanie pól magnetycznych stojana i wirnika pod ktem 90° wzgldem siebie. Rysunek przedstawia graficzn metod znajdywania punktu pracy ukBadu maszyna  obci|enie. Maszyny elektryczne produkowane s w wielu formach i rozmiarach. Silniki elektryczne mo|na podzieli na: a) Silniki prdu staBego, b) Silniki synchroniczne, c) Silniki indukcyjne i d) Silniki specjalne (silniki krokowe, bezszczotkowe silniki prdu staBego czy silniki o przeBczanej reluktancji). Uzwojenie wzbudzajce zwane te| magnetyzujcym (wzbudzenie). Prd w tym uzwojeniu ma za zadanie tylko wygenerowa pole magnetyczne i nie zale|y od obci|enia. W takim uzwojeniu pBynie zwykle prd staBy, raczej o niewielkim nat|eniu  dziki du|ej przenikalno[ci rdzenia i odpowiedniej ilo[ci zwoi uzyskuje si jednak znaczny strumieD magnetyczny. Podstawy We wszystkich maszynach elektrycznych siBa dziaBajca na przewód z prdem dana jest wyra|eniem: F = i l × B gdzie F  wektor siBy, i  prd w przewodzie, l  wektor reprezentujcy odcinek przewodu, B  wektor indukcji magnetycznej. Moment obrotowy uzwojenia mo|emy zapisa jako: T = K B i sin± gdzie K - reprezentuje geometri uzwojenia (w tym promieD i ilo[ zwoi), B  gsto[ strumienia magnetycznego (indukcja magnetyczna) generowanego przez stator, ± - kt midzy B i normaln do pBaszczyzny uzwojenia (czyli osi uzwojenia). Maksimum siBy mechanicznej i maksimum siBy elektromotorycznej uzyskujemy w chwili gdy kt ± midzy polem stojana a polem twornika wynosi 90°! Aby podtrzyma warto[ kta ± E" 90° w czasie wirowania twornika w maszynach prdu staBego stosuje si komutator  urzdzenie, którego zadaniem jest odpowiednie przeBczanie uzwojeD twornika. Maszyny prdu staBego (prdnice i silniki prdu staBego). Prd staBy mo|na otrzyma albo prostujc elektronicznie prd zmienny pochodzcy z generatorów prdu zmiennego albo bezpo[rednio stosujc generatory (prdnice) prdu staBego. Prdnice prdu staBego s rozwizaniami przestarzaBymi niemniej jednak nadal omawianymi w wielu dydaktycznych tekstach. Silniki prdu staBego natomiast podlegaj obecnie intensywnemu rozwojowi ze wzgldu na ich powszechne zastosowania. Komutator Sam komutator jest zBo|ony z pewnej parzystej liczby przewodzcych segmentów, do których dotykaj tzw. szczotki jako kontakty. Komutator jest zamocowany na osi wirnika a jego segmenty poBczone s z uzwojeniami twornika tak jak pokazuje to rysunek obok. Zastosowanie tylko 6 segmentów oznacza, |e moment siBy w takim silniku bdzie pulsowaB gdy| kt ± nie bdzie stale równy 90° lecz bdzie zmieniaB si w przedziale a| od 90° - 30° do 90° + 30°. Dlatego w praktyce komutatory maj znacznie wicej segmentów np. 60. Maszyna prdu staBego zawiera stojan (jarzmo), na którym zamocowane s wyprofilowane rdzenie elektromagnesów. Wirnik wiruje midzy biegunami tych elektromagnesów. Uzwojenie wirnika jest poBczone z obwodem zewntrznym poprzez komutator gdzie wglowe szczotki s w [lizgowym kontakcie z segmentami wirnika. Gdy maszyna jest silnikiem do szczotek podBczone jest zasilanie prdem staBym. Gdy za[ maszyna jest generatorem to do szczotek podBczony jest obwód obci|enia  odbiorca energii elektrycznej. Rdzenie elektromagnesów s wykonywane w postaci uwarstwionej (laminowanej, laminaty). Uwarstwienie obni|a straty zwizane z prdami wirowymi powstajcymi w wyniku wszelkich pulsacji strumienia pola magnetycznego. Pulsacje powstaj, midzy innymi, gdy wirnik z naciciami (slotami zaburzajcymi jednorodno[ struktury magnetycznej) wiruje w przy rdzeniach elektromagnesów. Linie strumienia pola magnetycznego Batwo ukBadaj si wzdBu| magnetycznych (du|e µ) blaszek laminatu natomiast powstawanie prdów wirowych w kierunku prostopadBym do powierzchni odizolowanych od siebie blaszek jest skutecznie ograniczone. Rodzaje maszyn prdu staBego W[ród maszyn prdu staBego czasem mo|na spotka wersj nazywan maszyn obcowzbudn. W tej wersji do wzbudzenia pola magnetycznego, w którym wiruje twornik wykorzystywane jest zewntrzne (dodatkowe zródBo prdu)  rysunek (a) na nastpnym slajdzie. Znacznie cz[ciej spotykamy wersje, w których wzbudzenie zapewnia napicie na zaciskach twornika i takie maszyny nazywane s samowzbudnymi. Nie trzeba tu dodatkowego zródBa napicia i takie wersje s w praktyce preferowane. W [ród wersji samowzbudnych jednym ze sposobów jest poBczenie uzwojenia wzbudzania równolegle z uzwojeniem twornika (rys. b), ta wersja nazywana jest maszyn bocznikow. Nale|y podkre[li, |e impedancja uzwojenia wzbudzajcego jest znacznie wiksza od impedancji uzwojenia twornika, dziki czemu wzbudzenie nie podkrada znaczcego prdu twornikowi! Impedancja twornika musi by maBa  tam pByn znaczne prdy (tak w silnikach jak i w prdnicach). Do uzwojenia wytwarzajcego pole Lf (field) czyli wzbudnicy mo|e by szeregowo doBczony rezystor aby niezale|nie wyregulowa prd wzbudzenia. Innym rozwizaniem jest szeregowe poBczenie wzbudzenia z twornikiem co nazywamy maszyn szeregow (rys. c). W tej wersji caBy prd twornika idzie przez wzbudzenie, zatem uzwojenie wzbudzenia musi mie maB impedancj (kilka zwoi). Maszyny szeregowe wystpuj gBównie jako silniki. Generatory maj zbyt du| impedancj wewntrzn  tu napicie zale|y od obci|enia. Rodzaje maszyn prdu staBego Ostatni grup maszyn prdu staBego, pokazan na rysunku, stanowi maszyny szeregowo-bocznikowe gdzie mamy poBczenie blisko-równolegBe rys. d i poBczenie daleko-równolegBa rys. e. W obu przypadkach jest mo|liwo[ takiej orientacji |e szeregowe uzwojenie dodaje albo odejmuje swoje pole od pola uzwojenia równolegBego. W maszynach elektrycznych mamy dwa stadia pracy: Stan rozruchowy i stacjonarny. W stanie stacjonarnym, gdy prd wzbudzenia If wytwarza strumieD magnetyczny ¦ wiemy z wyra|enia na moment obrotowy: T = K B Ia sin± lub T = k ¦ Ia sin±, |e moment siBy dziaBajcy na wirnik jest proporcjonalny do iloczynu indukcji magnetycznej (czy te| strumienia) i nat|enia prdu w tworniku Ia (a  w armaturze czyli tworniku). Przy zaBo|eniu, |e komutator ma na tyle du|o segmentów, |e kt ± jest utrzymywany bardzo blisko warto[ci 90° mo|emy napisa: T = K B Ia = k ¦ Ia. Mechaniczna moc Pm generowana w silniku (lub absorbowana w prdnicy) jest dana iloczynem momentu siBy i prdko[ci ktowej twornika Éw: Pm = ÉwT = Éw k ¦ Ia. Wiemy, |e w wirujcym uzwojeniu twornika indukuje si siBa elektromotoryczna reakcji (wsteczna Eback = Eb) - hamujca twornik: gdzie ka opisuje geometri i wBasno[ci magnetyczna armatury. Eh jest albo generowanym napiciem gdy maszyna jest prdnic albo jest napiciem (spadkiem napicia) pokonywanym przez zasilanie gdy maszyna jest silnikiem. Moc elektryczna generowana w prdnicy (albo tracona w silniku) jest iloczynem: Przy idealnej konwersji energii w prdnicach i w silnikach nale|y przyj: Pm = Pe co pociga za sob równo[: k = ka. Wyja[nienie staBej  siedzcej w Ze wzgldu na ró|ne postacie tej staBej w ró|nych podrcznikach warto wyja[ni czym fizycznie jest ta staBa. Musi ona zapewni zgodno[ z do[wiadczeniem czyli z wynikajcym z prawa Faradaya zwizkiem: Eb = Nliczba szeregowo poBczonych zwoiÅ"d¦/dtszybko[ zmian strumienia w jednym zwoju Wynika std, |e przykBadowo podajc szybko[ wirowania w obrotach na minut n [obr/min] otrzymamy: Wytwarzanie siBy elektromotorycznej i momentu siBy ma miejsce niezale|nie od charakteru pracy maszyny. Z tym, |e do silnika  wkBadamy moc elektryczn (pokonujc reakcj: siB elektromotoryczn) a odbieramy moc mechaniczn (o[ silnika pokonuje opór odbiornika mocy mechanicznej), a do prdnicy  wkBadamy moc mechaniczn (pokonujemy reakcj: moment siB) i odbieramy moc elektryczn (która wymusza przepByw prdu w odbiorniku mocy elektrycznej). W konsekwencji oczywiste s zwizki midzy wsteczn SEM - Eb, napiciem na zaciskach twornika - Ua i prdem twornika - Ia w stadium stacjonarnym: oraz wyra|enie na prd wzbudzenia: If = Uf/Rf (w obu przypadkach) Ra  rezystancja twornika, Rf  rezystancja wzbudzenia. Z zale|no[ci: Eb = ka ¦ Éw oraz Ua = Eb + RaIa otrzymujemy: wyra|enie na prdko[ ktow silnika: Dla stadium rozruchowego zwizki midzy SEM Eb, napiciem na zaciskach twornika Ua i prdem twornika Ia w silniku obcowzbudnym mo|emy zapisa w postaci: Ua(t) = Eb(t) + RaIa(t) + La dIa(t)/dt (dla twornika) Uf = RfIf + Lf dIf(t)/dt (w obwodzie wzbudzenia) gdzie La  indukcyjno[ twornika, Lf  indukcyjno[ uzwojenia wzbudzenia. Te równania mo|na sprzc z równaniem opisujcym obci|on mechanicznie maszyn. ZakBadajc, |e Tob  jest momentem siB jakie stanowi  obci|enie (mo|e to by nawet turbina dla prdnicy), wystpuje tarcie o wspóBczynniku proporcjonalno[ci b do prdko[ci ktowej Éw(t) oraz jest rozpdzana pewna masa o momencie bezwBadno[ci J otrzymamy: T(t) = k ¦(t) Ia(t) = Tob(t) + bÉw(t) + JdÉw(t)/dt ¦(t) = kf If(t) Przebieg wzbudzania prdnicy samowzbudnej bocznikowej. Z wykresu (magnetyzacji) wida, |e dla zbyt du|ej rezystancji Rf - wikszej lub równej warto[ci krytycznej Rf kryt prdnica wygeneruje maB warto[ SEM Eb, pomidzy warto[ci resztkow Ersd, któr uzyskuje dziki strumieniowi resztkowemu rdzenia ¦rsd a niewiele wiksz warto[ci Eb . Dla mniejszej warto[ci Rf osigana jest warto[ SEM znacznie wiksza bo Eb1 zgodnie ze wspóBrzdnymi przecicia si charakterystyk Eb = Eb(If) i U = (RLf + Rf)If, gdzie If  prd w uzwojeniu wzbudnicy, RLF  rezystancja uzwojenia wzbudnicy, Rf  rezystancja rezystora wzbudnicy (Ra maBe). Zmieniajc warto[ rezystancji rheostatu Rf mo|emy regulowa warto[ generowanej SEM Eb. PrzykBad. Majc dane nominalne generatora prdu staBego obcowzbudnego: SEM Ebn = 100 V, Ia = 100 A, 1000 obrotów/min oraz dane: Ra = 0,14 &!, Uf = 100 V, Rf = 100 &! okre[li: 1) napicie na jego zaciskach Ua gdy jest on napdzany turbin o prdko[ci 800 obr/min. 2) napicie Ua gdy generator zostanie podBczony do obci|enia Ro = 1&!. Rozw. 1) Nominalny prd wzbudnicy If = Uf/Rf = 100V/100&! = 1 A przy nominalnej SEM Eb = 100 V i obrotach nn = 1000 obr/min. W przybli|eniu liniowym (800 nie jest bardzo odlegBe od 1000 obr/min) przyjmujemy, |e: Eb/Ebn = n/nn -> Eb= n/nn Ebn = (800/1000) 100 V = 80 V. 2) Po wBczeniu obci|enia zacznie pByn prd Ia = Io = Eb/(Ra + Ro) = 80/(0,14 + 1) = 70,2 A. Zatem na zaciskach generatora bdzie Ua = Uo = IoRo = 70,2 V. PrzykBad. Majc dane nominalne generatora prdu staBego obcowzbudnego: Uan = 2000 V, Pn = 1000 kW, nn = 3600 obr/min oraz nastpujce parametry: Ra = 0,1 &!, strumieD na jeden biegun ¦ = 0,5 Wb, obliczy: 1) indukowan SEM Eb, 2) staB maszyny ka, 3) moment siB przy nominalnych warunkach. Rozw. 1) Nominalny prd twornika Ia = Pn/Un = 106/2000 = 500 A. SEM w generatorze jest sum spadków napi na oporze wewntrznym i na obci|eniu: Eb = Ua + IaRa = 2000 + 500 × 0,1 = 2050 V. 2) Prdko[ ktowa przeliczona na rad/s wyniesie: Éw = 2Àn/60 = (2 × 3,14 × 3600 obr/min)/(60 s/min) = 377 rad/s StaBa maszyny ka = Eb/(¦ Éw) = 2050/(0,5 × 377) = 10,876 (VÅ"s/WbÅ"rad). 3) Moment siB T = k ¦ Ia = 10,876 (VÅ"s/WbÅ"rad). × 0,5 Wb × 500 A = 2718,9 Nm. Komentarz. W praktyce Batwo jest posBugiwa si wielko[ciami mierzalnymi jak np. Eb i Éw, wtedy te| zamiast wspóBczynnika k lepiej operowa iloczynem k¦ bo przykBadowo dla szeregowej maszyny prdu staBego k¦ = Eb/Éw = (Uo + IaRa + IaRs)/Éw, Rs  rezystancja uzwojenia wzbudnicy szeregowej. Prdnica bocznikowo szeregowa W tej prdnicy strumieD pola magnetycznego w szczelinie, od którego zale|y generowana SEM jest sum (lub ró|nic) dwuskBadnikow: ¦ = ¦ru ± ¦sz = ¦ru ± ksIa, SEM: Eb = ka¦Éw, Napicie na obci|eniu: Uo = Eb - IaRa - IsRs, prd twornika (armatury): Ia = If + Io, Moment siB napdu wynosi: T = P/Éw = EbIa/Éw = ka¦Ia. Silniki prdu staBego to w zasadzi prdnice, w których odwrócono role wej[cia i wyj[cia mocy: moc elektryczna wchodzi i jest zamieniana na moc mechaniczn. Charakterystyki dwóch elementarnych wersji silnika prdu staBego ilustruje rysunek. Silnik szeregowy wykazuje du|y spadek obrotów ze wzrostem obci|enia. Wynika to ze wzrostu spadku napicia na Lf i przez to zmalenia napicia na tworniku gdy ro[nie nat|enie pobieranego prdu wymuszone zwikszonym obci|eniem. Silnik bocznikowy jest pod wzgldem stabilno[ci obrotów lepszy. W silniku szeregowym uzwojenie elektromagnesów poBczone jest szeregowo z uzwojeniem wirnika. Ten typ silnika ma znaczny pocztkowy moment obrotowy ale szybko[ obrotów silnie maleje z obci|eniem. Teoretycznie silnik taki bez obci|enia mo|e doprowadzi do samo-destrukcji (patrz charakterystyka obrotów). Ze wzgldu na du|y moment startowy stosowane s w windach i tramwajach. Mog te| by[ stosowane jako maBe silniki w odkurzaczach. W silniku równolegBym uzwojenia elektromagnesów i wirnika s poBczone równolegle i tak wBczane do zasilania. Aby zmieni kierunek obrotów wystarczy odwróci kierunek prdu albo w wirniku albo w stojanie (elektromagnesie) przez przeBczenie odpowiednich zacisków. Taki silnik ma maBy pocztkowy (rozruchowy) moment siBy ale majc staBe obroty ma du|e zastosowanie w takich narzdziach jak wiertarki czy tokarki. Poniewa| szybko[ obrotów (przy staBej mocy) jest odwrotnie proporcjonalna do wielko[ci strumienia pola mag. wytwarzanego przez elektromagnes regulacja obrotów jest Batwa. Wystarczy do uzwojenia elektromagnesów doBcza szeregowo odpowiedni rezystancj. Charakterystyka silników Silnik bocznikowy Iz = If + Ia, Eb = ka¦Éw, Ia= (Uz  Eb)/Ra = (Uz  ka¦Éw)/Ra lub z równo[ci: T = ka¦Ia. Ia= T/(ka¦) co pozwala wiza moment siB z prdko[ci ktow: Wida, |e przy ustalonych: Uz, ka,¦ i Ra obni|enie prdko[ci Éw (wywoBane zwikszeniem obci|enia) pociga za sob wzrost prdu Ia (wikszy pobór to i wiksza dostawa mocy). Ustali si nowy punkt równowagi  Moc oddawana = moc pobierana czyli : Eb Ia = TÉw. Proste przeksztaBcenie daje nam zale|no[ prdko[ci ktowej od prdu Ia bdz od momentu siB T: Równanie speBnia si dla warto[ci nominalnej UZ i pewnego jej otoczenia co pozwala na regulacj obrotów. Silnik bocznikowo-szeregowy Mamy jak poprzednio: Iz = If + Ia, T = ka¦Ia, Eb = ka¦Éw. Eb  jak poprzednio mamy jako spadek napicia wymuszany (i pokonywany) zasilaniem. Napicie zasilania zrównane jest jego spadkami: Uz = Eb + Ia(Ra + Rs). Eb = ka¦Éw -> Éw = Eb/ka¦ => gdzie: ¦ru  strumieD od uzwojenia równolegBego, ¦sz = ksIa  strumieD od uzwojenia szeregowego, (wybór znaku +/- zale|y od tego czy ¦ru i ¦sz s zgodne czy przeciwna. Gdy strumienie ¦ru i ¦sz s zgodne wzrost Ia pociga za sob jednoczesny wzrost mianownika i zmalenie licznika co w konsekwencji daje zbyt dramatyczn zmian prdko[ci Éw. To oznacza, |e tu jest trudniej regulowa obroty ni| w silniku bocznikowym (równolegBym). Sytuacja ulega zmianie gdy strumienie ¦ru i ¦sz s przeciwne (ale tu maszyna ma sBabsz wydajno[). Sytuacj ilustruj wykresy na nastpnym slajdzie: Charakterystyki silników prdu staBego Silnik szeregowy Gdy silnik pracuje w obszarze linowej cz[ci krzywej magnetyzacji to: ¦ = ksIa, Eb = ka¦Éw = kaksIaÉw, Eb  jak poprzednio mamy jako spadek napicia wymuszany (i pokonywany) zasilaniem. Napicie zasilania zrównane jest jego spadkami: Uz = Eb + Ia(Ra + Rs) = (kaksÉw + RTotal)Ia, T = ka¦Ia = kaksIa2 => Z otrzymanej równo[ci wynika, |e zmniejszanie obci|enia mo|e prowadzi do olbrzymich = niebezpiecznych obrotów, dlatego takie silniki s poBczone z obci|eniami na staBe. Silnik prdu staBego z magnesem staBym Takie silniki s znacznie prostsze (i taDsze) od omówionych wcze[niej bo pole magnetyczne stojana jest wytwarzane (zamiast zasilanym uzwojeniem) tylko materiaBem o trwaBym momencie magnetycznym. W zwizku z tym podstawowe pryncypia dziaBania (Bcznie z komutacj) s analogiczne do omówionych wcze[niej. Te silniki stosowane s tam gdzie wystarcza maBy moment obrotowy i wymagane s maBe rozmiary silnika. Moment siBy takiego silnika: T = kTPMIa, gdzie: kTPM - staBa zdeterminowana geometri silnika (i jego magnesów trwaBych (T - torque, PM - permanent magnet)). Podobnie mamy indukowan sem wsteczn (back) Eb jako spadek napicia wymuszany (i pokonywany) zasilaniem : Eb = kaPMÉw, gdzie: kaPM staBa zawierajca geometri silnika razem ze strumieniem magnetycznym. Podsumowujc mo|na stwierdzi, |e silniki z magnesem staBym: 1) Silniki PM (permanet magnet) s mniejsze, l|ejsze i bardziej wydajne od silników z uzwojeniami stojana ale maj troch gorsz regulacj obrotów. 2) Odwracajc bieguny zasilania w silniku PM uzyskujemy zmian kierunku obrotów. 3) Wad silników jest mo|liwo[ ich rozmagnesowania pod wpBywem wysokiej temperatury lub silnego zewntrznego pola magnetycznego. 4) Powtarzalno[ silników PM zale|y od powtarzalno[ci u|ywanych materiaBów magnetycznych. Natomiast silniki prdu staBego z uzwojeniem w stojanach: 1) Silnik bocznikowy pozwala na Batw regulacj obrotów (ma pBask charakterystyk obroty/moment). 2) Silniki bocznikowo-szeregowe maj wikszy moment startowy ale gorsz regulacj obrotów. 3) Silniki szeregowe maj bardzo du|y moment startowy ale zB regulacj obrotów. Nadaj si w zastosowaniach o maBych obrotach i du|ym momencie siB. PrzykBad Okre[li szybko[ i moment siB generowany przez silnik bocznikowy cztero- biegunowy (p = 4) wiedzc, |e nominalna moc, napicie i obroty wynosz: 3 KM (1 KMparowy = 746 W), 240 V, 120 obr/min. Inne parametry silnika: N = 1000 zwoi, IZ = 30 A, If = 1,4 A, Ra = 0,6 &!, ¦ = 20 mWb, M = 4 (uzwojenia twornika). Rozwizanie. P = 3 kM = 3Å"746 = 2238 W. Ia = IZ  If = 30  1,4 = 28,6 A, Eb = UZ  IaRa = 240  28,6 Å"0,6 = 222,84 V, StaBa silnika: ka = pN/(2ÀM) = 4Å"1000/(2À4) = 159,15 (VÅ"s/WbÅ"rad), Prdko[ ktowa: Éw = Eb/(kaÅ"¦) = 222,84/(159,15 Å"0,002) = 70 rad/s, Moment siB: T = P/ Éw = 2238/70 = 32 NÅ"m. PrzykBad. Wiadomo, |e silnik bocznikowy (równolegBy) o warto[ciach nominalnych 8 A, 120 obr/min oraz parametrach: Ra = 0,2 &!, UZ = 7,2 V, N = 200 zwoi ma krzyw magnetyzacji jak na rysunku. Wyznaczy: If, n - liczb obrotów bez obci|enia, moc nominaln i krzyw  T  n . Rozwizanie. Aby znalez If (prd generujcy pole mag.) nie znajc Rf (i Rx), musimy obliczy Eb z równania Uz = Eb +IaRa:, Eb = UZ  IaRa = 7,2  8Å"0,2 = 5,6 V. Majc Eb z wykresu znajdujemy If = 0,6 A i Rf = 7,2/0,6 = 12 &!, Aby obliczy obroty bez obci|enia uwzgldnimy równo[ci: Eb = ka¦Éw= ka¦(2À/60)n oraz T = ka¦Ia: UZ = IaRa + Eb = IaRa + ka¦(2À/60)n, To: n = (UZ  IaRa)/(ka¦(2À/60)). Dla zerowego obci|enia T = ka¦Ia = 0 -> Ia= 0 Dla Ia = 0 n0-obc = UZ /(ka¦(2À/60)). Dla nominalnego obci|enia Eb = 5,6 V = ka¦(2À/60)n z tej równo[ci mamy ka¦ = Eb Å" 60/(2Àn) = 5,6Å"60/(2À120) = 0,44563 Vs/rad. Obroty bez obci|enia n0-obc = UZ /(ka¦(2À/60)) = 7,2/(0,44563 Å"2À/60) = 154,3 obr/min. Aby wykre[li prost  T  n policzymy drugi punkt dla wykresu a mianowicie nominalny moment siB Tnominal = ka¦Ia = 0,44563Å"8 = 3,565 Nm. Moc nominalna Pnominal = Tnominal Éw = 3,565(120/60)2À = 44,8 W = 44,8/746 KM = 0,06 KM. : PrzykBad. Wiadomo, |e silnik szeregowy prdu staBego ma parametry: 10 KM, 115 V, Szybko[ na peBnym obci|eniu 1800 obr/min przy poborze prdu 40 A. Silnik pracuje w liniowym obszarze krzywej magnetyzacji. Obliczy moment siB przy poborze prdu 60 A. Rozwizanie. W liniowym obszarze magnetyzacji mamy liniow zale|no[: ¦ = kSIS = kSIa Szybko[: n = 1800 obr/min => Éw = 2Àn/60 = 60À rad/s. Moc nominalna Pnominal = 10 KMÅ"746 W/KM = 7460 W. (KM jest jednostk poza ukBadow!) Moment siB przy nominalnym obci|eniu: T40A = (Pnominal)/Éw = 7460/(60À) = 39,58 Nm. Z tego mo|emy obliczy staB maszyny K bo dla maszyny szeregowej mamy: T = kaksIa2 = KIa2 => przy nominalnym obci|eniu K = T/Ia2 = 39,58/(402) = 0,0247 NmA-2. Zatem T60A = KIa2 = 0,0247 Å"602 = 88,92 Nm. Odnotujmy, |e w zakresie liniowym obszarze magnetyzacji moment obrotowy silnika szeregowego jest proporcjonalny do kwadratu pobieranego nat|enia prdu. Ró|ne warianty silników szczotkowych prdu staBego. a) Silnik podBu|ny z polem radialnym (z wirnikiem bezrdzeniowym lub z rdzeniem), b) Silnik pBaski z polem osiowym i przewodami drukowanymi. Elektrotechnika i elektronika Lista 06. 1) Generator 39 kW i 240V dziaBa przy 59% obci|eniu z prdko[ci 1800 obr/min z wydajno[ci 85%. Oblicz caBkowite straty i moc pobieran przez generator. 2) Generator prdu staBego z dwoma biegunami o polu wzbudzenia 0,05 Wb (ka|dy), 24 uzwojeniami rotora po 16 zwoi jest podBczony do napdu o prdko[ci ktowej 180 rad/s. wyznacz staB maszyny ka i indukowane napicie. 3) Obcowzbudny generator prdu staBego o parametrach: 1000 kW, 1000 V, 2400 obr/min ma rezystancj twornika Ra = 0,04 &! i strumieD na ka|dym biegunie ¦ = 0,4 Wb. Oblicz indukowane napicie, staB maszyny oraz nominalny moment siB. 4) Dla generatora bocznikowego o parametrach 100 kW, 250 V, rezystancja wzbudzenia Rf = 50 &!, rezystancja twornika Ra = 0,05 &!, obliczy: a) Nominalny prd obci|enia, b) Prd wzbudzenia, c) Prd twornika, d) Napicie generatora nieobci|onego. 5) Silnik szeregowy pobiera prd 25 A i uzyskuje moment obrotowy 100 Nm, oblicz : a) moment obrotowy gdy pobierany prd wzro[nie do 30 A, a strumieD pozostaje nienasycony, b) moment obrotowy gdy pobierany prd wzro[nie do 30 A, a strumieD wzrasta o 10%. 6) Bocznikowy silnik prdu staBego na 200 V pobiera 10 A przy obrotach 1800 obr/min. Rezystancja twornika wynosi 0,15 &!, a rezystancja uzwojenia magnesujcego 350 &!. Jaki jest moment obrotowy silnika?

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
technik elektronik 06 (praktyczny odp)
ochr uslug elektr 06
elektrotechnika 06
Die Geschichte der Elektronik (06)
2000 06 Licznik energii elektrycznej z układem AD7750
22pm 06 wciągarki z napedem elektrycznym i elekt ręcz
A21 Indukcja elektromagnetyczna (01 06)
Elektronika W05 i 06

więcej podobnych podstron