1

Temat:

MASZYNY ELEKTRYCZNE W UKŁADACH

REGULACJI AUTOMATYCZNEJ

Zagadnienia:

• podział maszyn elektrycznych,
• zasady budowy maszyn elektrycznych,
• podstawowe prawa i zjawiska fizyczne w maszynach elek-

trycznych,

2

Maszyną elektryczna

−urządzenie elektromechaniczne

służące do przetwarzania energii:

−

mechanicznej na elektryczną (

PRĄDNICE -GENERATORY

),

−

elektrycznej na mechaniczną (

SILNIKI

),

−

elektrycznej na elektryczną ze zmianą napięcia, częstotliwości

(

PRZETWORNICE ELEKTROMASZYNOWE

),

−

MASZYNY SPECJALNE

(wzmacniacze, maszyny

pomiarowe- prądnice tachometryczne, selsyny tpk)

przy udziale ruchu

MASZYNY ELEKTRYCZNE

MASZYNY ELEKTRYCZNE

3

PODZIAŁ MASZYN ELEKTRYCZNYCH

PODZIAŁ MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Podział maszyn ze
względu na rodzaj prądu:

Asynchroniczne

silniki i prądnice, prądnice

tachometr. wzmacniacze

maszynowe

Prądu stałego

Indukcyjne

(silniki pierścieniowe

i klatkowe, wykonawcze,

prądnice tachometr, tpk

selsyny)

(duże prędkości obrot.)

Komutatorowe

Prądu przemiennego

prądnice (generatory) silniki,

prądnice tachometryczne

Synchroniczne

Maszyny

elektryczne

Podział maszyn ze względu na zastosowanie:

−

energetyczne

(prądnice, silniki, przetwornice) –

istotna sprawność

−

specjalne

(prądnice tachometryczne, selsyny, silniki skokowe,

silniki wykonawcze itp.) –

istotna ch-ka przetwarzania sygnału

4

R

U

I

=

Obwody elektryczne

Obwody magnetyczne

Prawo Ohma dla elementu obwodu

m

m

R

U

=

Φ

w obwodach jednorodnych

l

K

U

⋅

=

l

H

U

m

⋅

=

gdzie: K i H - natężenie pola elektrycznego
i magnetycznego, l - długość przewodnika

S

l

R

⋅

γ

=

S

l

R

m

⋅

µ

=

w obwodach niejednorodnych

∫

⋅

=

dl

)

l

(

K

U

∫

⋅

=

dl

)

l

(

H

U

m

∫

⋅

γ

=

S

dl

R

∫

⋅

µ

=

S

dl

R

m

Prawo Ohma dla zamkniętego obwodu

∑

∑

=

R

E

I

∑

∑

Θ

=

Φ

m

R

gdzie:

γ- konduktywność [1/Ωm.] ,

µ - przenikalność magnetyczna [H/m]

gdzie: E – siła elektromotoryczna

Θ - siła magnetomotoryczna

PODSTAWOWE PRAWA ELEKTROTECHNIKI

PODSTAWOWE PRAWA ELEKTROTECHNIKI

STOSOWANE W TEORII MASZYN ELEKTRYCZNYCH

STOSOWANE W TEORII MASZYN ELEKTRYCZNYCH

5

−

prawo przepływu.

−

zjawisko indukcji elektromagnetycznej (

SEM

),

−

zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na

przewód z prądem (

SED

)

PODSTAWOWE ZJAWISKA

PODSTAWOWE ZJAWISKA

W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

6

PRAWO PRZEPŁYWU

PRAWO PRZEPŁYWU

∫

∑

⋅

=

⋅

l

I

z

dl

H

∑

=

Θ

I

2

1

1

I

I

−

=

Θ

I

3

I

4

I

5

I

1

I

2

l

2

l

1

4

3

2

1

2

I

I

I

I

+

−

−

=

Θ

Przepływem

Θ pewnej powierzchni, ograniczonej dowolnym obranym

obwodem l, nazywamy całkowity prąd, przenikający daną powierzchnię

a)

b)

I

z

⋅

=

Θ

Prawo przepływu określa związek ilościowy między polem magnetycznym
i wytwarzającym go prądem

z

I

l

7

ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ

ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ

(SEM)

(SEM)

N

S

B

v

e

Przewód ruchomy v > 0

stałe pole magnetyczne (B = const)

α

⋅

⋅

⋅

−

=

sin

v

l

B

e

r

-

napięcie rotacji

dla

α=90° jak na rysunku

v

l

B

e

r

⋅

⋅

−

=

Przewód nieruchomy v = 0

zmienne pole magnetyczne (B = var)

dt

d

e

t

Φ

−

=

-

napięcie transformacji

zwrot napięcia

–

reguła prawej dłoni

r

t

e

e

e

+

=

8

SIŁA ELEKTRODYNAMICZNA (SED)

SIŁA ELEKTRODYNAMICZNA (SED)

W POLU MAGNETYCZNYM

W POLU MAGNETYCZNYM

N

S

B

i

Fe

α

⋅

⋅

⋅

=

sin

l

i

B

F

e

zwrot siły F określa

reguła lewej dłoni

Siła elektrodynamiczna F powstaje w wyniku:

*

działania pola magnetycznego na przewód z prądem,

*

wzajemnego oddziaływania dwóch przewodów z prądem,

*

działania pola na element ferromagnetyczny.

dla

α=90° jak na rysunku

l

i

B

F

e

⋅

⋅

=

9

ZASADY BUDOWY MASZYN ELEKTRYCZNYCH

ZASADY BUDOWY MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Szkic maszyny wirującej: 1-stojan, 2 wirnik, 3- wał, 4- łożysko,

5-tarcza łożyskowa, 6-sprzęgło, 7-szczelina powietrzna.

Obwód magnetyczny -

wykonuje się z materiałów ferromagnetycznych. W niektórych

obwodach są wykorzystywane magnesy trwałe w celu wytworzenia stałego pola
magnetycznego.

Obwody elektryczne-

wykonuje się z drutu miedzianego pokrytego warstwą lakieru

izolacyjnego o przekroju kołowym (w maszynach dużej mocy przekrój może być inny).
Uzwojenia wykonuje się w postaci cewek skupionych (nawijanych na biegunach
wydatnych) lub zezwojów układanych w żłobkach rdzenia stojana lub wirnika.

D

l

1

2

3

4

5

6

7

10

OBWODY MAGNETYCZNE W MASZYNACH

OBWODY MAGNETYCZNE W MASZYNACH

ELEKTRYCZNYCH

ELEKTRYCZNYCH

+ _

N

N

S

S

Φs1

Φsz

Φ

Przykład obwodu magnetycznego maszyny wirującej

Φ

Θ

0

sz

cz

el

in

a

obwód bez szczeliny

obwód ze szczeliną

11

STRATY I SPRAWNOŚĆ MASZYN ELEKTRYCZNYCH

STRATY I SPRAWNOŚĆ MASZYN ELEKTRYCZNYCH

η

P2

~0,75Pn

dod

m

Fe

Cu

P

P

P

P

P

∆

+

∆

+

∆

+

∆

=

∆

Bilans mocy

Sprawność maszyn elektrycznych

%

100

P

P

P

%

100

P

P

2

2

1

2

⋅

∆

+

=

⋅

=

η

∆PCu

P1

P2

∆PFe

∆Pm

∆Pdod

12

NAGRZEWANIE I STYGNIĘCIE MASZYN

NAGRZEWANIE I STYGNIĘCIE MASZYN

ELEKTRYCZNYCH

ELEKTRYCZNYCH

ϑ

ϑp

ϑu(1-e-t/Tc)

ϑ(t)

t

Bilans cieplny

ϑ

+

ϑ

=

Cd

dt

A

Qdt

Q-

ogólna ilość ciepła wydzielana w maszynie w jednostce czasu,

A -

ilość ciepła oddana do otoczenia w jednostce czasu przy różnicy

temperatury o 1

o

C ,

C

- pojemnośc cieplna maszyny (ciepło pobrane do podgrzania maszyny o 1

o

C),

ϑ - temperatura maszyny.

gdy d

ϑ=0 temperatura maszyny ustali się

gdzie:

A

Q

u

=

ϑ

=

ϑ

w ogólnym przypadku:

Tc

t

p

Tc

t

u

e

)

e

1

(

)

t

(

−

−

⋅

ϑ

+

−

⋅

ϑ

=

ϑ

Tc=C/A-

stała czasowa cieplna maszyny

13