Wrocław 2005/6

Z

A

KŁ

D

M

S

Y

N

EL

TR

C

H

A

A

Z

Y

YN

Z

EK

C

*

*

* PO

L

IMN

i PE

WR

.

.

Politechnika Wrocławska

Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych

Materiał ilustracyjny

do przedmiotu

ELEKTROTECHNIKA

(Cz. 4)

Maszyny elektryczne

Prowadzący:

prof. dr hab. inż. Jan Zawilak (I-29, A10 p.303, tel. [phone])

Silniki indukcyjne

Budowa maszyny indukcyjnej

stojan - 1, wirnik – 4
żłobki stojana, uzwojenie stojana – 2
zęby stojana, magnetowód stojana – 3
żłobki wirnika, uzwojenie wirnika – 5

5

Budowa silnika indukcyjnego

Rodzaje budowy wirników silników

indukcyjnych

Wirnik pierścieniowy

Wirnik klatkowy

Wirnik klatkowy i pierścieniowy

Obwód magnetyczny silnika indukcyjnego

μ

0

μ

Fe

μ

δ

=

μ

0

Strumień magn. cewki z prądem w
ośrodku o

μ=μ

0

.

Strumień magn. cewki z prądem w
rdzeniu stojana silnika o

μ

Fe

>>

μ

0

.

Uzwojenie 3–fazowe symetryczne zasilane prądami 3–fazowymi

symetrycznymi wytwarza pole wirujące kołowe

B

A

C

1

1/2

1/2

t

1

Uzwojenie 3–fazowe symetryczne zasilane prądami 3–fazowymi

symetrycznymi wytwarza pole wirujące kołowe

I

B

I

A

I

C

Θ

C

Θ

B

ω

B

Ap

B

Bp

B

Cp

t

1

t

2

t

2

m

m

B

0,866I

I

2

3

i

=

=

Powstawanie strumienia wirującego

p

f

n

=

(obroty na sekundę)

gdzie:

f – częstotliwość

p – liczba par biegunów.

i

i

a

i

b

i

c

ω

t

t

1

t

3

t

2

t

4

t

1

t

3

t

2

t

4

Zasada działania silnika indukcyjnego

s

s

def

n

n

n

s

−

=

Poślizg -

gdzie:

n – prędkość obrotowa wirnika

p

f

n

s

=

n

s

– prędkość obr. wirującego strumienia magn.

F

F

ω

φ

Gdy wirnik silnika pozostaje nieruchomy (n = 0) – poslizg s = 1, a gdy wirnik wiruje
synchronicznie ze strumieniem (n = n

s

) – poślizg s = 0.

Przeciętne wartości poślizgu przy obciążeniu znamionowym mieszczą się w granicach
od 0,01 (dla dużych maszyn) do 0,1(dla b. małych maszyn).

Uzwojenie stojana

Uzwojenie stojana

Silnik indukcyjny

Żłobki i uzwojenie stojana

Obwodowy rozkład siły magnetomotorycznej uzwojenia p=1

p = 1

1

c) obwodowy rozkład przepływu (smm) dla dyskretnego rozkładu prądu

I

Θ; B

2

3

4

1

τ

Θ; B

x

x

c)

Obwód

maszyny

Obwód

maszyny

O

ś

bieguna

O

ś

bieguna

O

ś

neutralna

τ

O

ś

neutralna

a)

b)

a) szkic maszyny

b) obwodowy rozkład przepływu (smm) dla ciągłego rozkładu prądu

1

2

4

Obwodowy rozkład siły magnetomotorycznej uzwojenia p=2

p = 2

2p=4

a)

b)

N

S

N

S

Θ; B

N

N

S

S

x

1

2

3

4

1

2

3

4

1

Obwód

maszyny

a) szkic maszyny

b) obwodowy rozkład przepływu (smm)

dla ciągłego rozkładu prądu

Moment obrotowy maszyn indukcyjnych

2

'

2

1

2

'

2

1

2

'

2

)

(

)

/

(

6

,

28

X

X

s

R

R

U

s

R

n

M

s

+

+

+

≈

poślizg (s)

M

0

1

-1

U=const

I

m

E

X

m

R

Fe

R

1

X

r1

I

1

I

Fe

X’

r2

I’

2

I

0

R’

2

/s

U

M – moment obrotowy (N.m)

n

s

– synchroniczna prędkość obr. (obr/min)

Schemat zastępczy silnika indukcyjnego

Rodzaje pracy maszyny indukcyjnej

M

max

M

r

n

n

s

s=0

s=1

S

n=0

M

s

k

Praca

hamulcowa

Praca

silnikowa

Praca

pradnicowa

Podstawowe zależności między parametrami maszyn

indukcyjnych

2

'

2

1

2

'

2

1

2

1

'

2

)

(

)

/

(

6

,

28

X

X

s

R

R

U

s

R

n

M

s

+

+

+

=

'

2

1

2

1

max

3

,

14

X

X

U

n

M

s

+

=

'

2

1

'

2

X

X

R

s

k

+

=

k

k

k

s

s

s

s

M

M

+

=

2

M

max

M

r

n

n

s

s=0

s=1

S

n=0

M

s

k

Wzór Klossa

Zakresy pracy stabilnej i niestabilnej

Dany punkt jest punktem pracy stabilnej jeśli w jego sąsiedztwie jest
spełniony warunek:

0

)

(

<

−

dn

M

M

d

o

n

M

max

M

r

n

n

s

n=0

M

s

k

A

B

Moment

oporowy

Moment

napędowy

Praca stabilna

Praca niestabilna

A – punkt pracy niestabilnej

B – punkt pracy stabilnej

Rozruch bezpośredni

U

3f

8

5

÷

=

n

r

I

I

5

,

1

8

,

0

÷

=

n

r

M

M

n

0

M, I

M

Ι

n

n

Ι

r

Ι

n

Μ

r

Μ

n

Rozruch z przełącznikiem gwiazda/trójkąt

U

3f

Przełącznik

gwiazda / trójkąt

3

1

=

Δ

I

I

Y

3

1

=

Δ

M

M

Y

n

0

M, I

M

Δ

M

Y

Ι

Δ

I

Y

M

rY

I

rY

Wirniki „głębokożłobkowe”

Gestosc pradu

Wy

sokosc p

reta

Zjawisko „wypierania” prądu ze żłobka

Silniki „dwuklatkowe”

F

g

F

r

g

r

R

R

>

g

r

L

L

<

W pierwszej chwili rozruchu: f

2

=50Hz

g

r

Z

Z

<<

g

r

I

I

>>

Po rozruchu: f

2

=1- 3 Hz

g

r

Z

Z

>>

g

r

I

I

<<

M

r

n

0

M=M

r

+M

g

M

g

M

M

n

R

r

2

π

f

2

L

r

R

g

2

π

f

2

L

g

I

g

I

r

3

2

÷

=

n

r

M

M

5

3

÷

=

n

r

I

I

Rozruch silników klatkowych - rozrusznik stojanowy

(dławik

rozruchowy)

M

Z

W

I

1

U

1

I

S

U

2

M = f (U

2

/ U

1

)

2

I

1

= I

s

= f (U

2

/U

1

)

L

1

L

2

L

3

Z -

impedancja

Rozruch silników klatkowych - rozruch przez obniżenie napięcia

(autotransformator)

M

W

1

I

1

U

1

I

S

U

2

L

1

L

2

L

3

ϑ

Is

I

1

=

ϑ

> 1

M = f (U

2

/

U

1

)

2

I

1

= f (U

2

/

U

1

)

2

W

2

rozruch trzystopniowy

a - W

1

otwarty W

2

zamknięty

b - W

1

otwarty W

2

otwarty zał X

c – W

1

zamknięty

X

Łagodzenie rozruchu przez rozdzielenie uzwojeń stojana

C

C

C

C

praca

C

rozruch

C

Łagodzenie rozruchu przez rozdzielenie uzwojeń stojana

Rozruch silnika (zasilana str. N, strona P - wolna)

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 Czas [s]

Napi

ęcie [V]

-2000

-1600

-1200

-800

-400

0

400

800

1200

1600

2000

Pr

ąd [A] [obr./min]

Obliczony rozruch silnika (zasilane str. N+P)

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4 czas [s]

Napi

ęcie [V]

-2000

-1600

-1200

-800

-400

0

400

800

1200

1600

2000

Pr

ąd [A] [obr/min]

Obliczony rozruch silnika (zasilana str. N, str. P - z kondensat. poł. w gwiazdę)

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

czas [s]

N

api

ęcie [V]

-1100

-900

-700

-500

-300

-100

100

300

500

700

900

1100

Pr

ąd

[A] [o

br

/min

]

Obliczony rozruch silnka (zasilana strona N, str. P z kondesat. poł w trójkąt)

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

czas [s]

napi

ęcie [V]

-1100

-900

-700

-500

-300

-100

100

300

500

700

900

1100

Pr

ąd [A], [obr/min]

Rozruch silnika pierścieniowego

rozrusznik

stojan

wirnik

U

3f

M

max

n

S=0

S=1

n=0

M

n

s

R

r1

R

r2

R

r3

R

r4

R

r5

R

r

=0

R

r1

R

r2

R

r3

R

r4

R

r5

R

r

=0

n

S=0

S=1

n=0

I

n

n

I

n

M

obc

Charakterystyki robocze silnika ind.

n/n

s

η

I/I

n

cosf

P

2

/P

n

0

1,0

U = U

n

f = f

n

1,0

0,5

0,5

Maszyny wielobiegowe -

aplikacje

najefektywniej w napędach o wentylatorowej charakterystyce mechanicznej

sposoby regulacji wydatku pomp i wentylatorów

P – moc pobrana, Q - wydatek

a. dławieniowa

b. regulacja kąta ustawienia łopat

c. regulacja prędkości obrotowej

Regulacja prędkości obrotowej silnika

pierścieniowego...

Regulator

prędkości

stojan

wirnik

U

3f

n

max

n

min

n

n=0

M

R

r1

R

r2

R

r3

R

r4

R

r5

R

r

=0

n

max

n

min

M

obc

... przez zmianę
rezystancji w
obwodzie wirnika.

Regulacja prędkości obrotowej...

M

max

n

n

n

n=0

M

n

k

M

obc

U

n

U

1

U

2

U

3

2

U

M

∝

M

U

3f

...przez zmianę wartości napięcia zasilającego.

Uzwojenie o przełączalnej liczbie par biegunów

3

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

1

1

2

3

3

4

4

2

i

1

4

2

1

3

2

4

N

S

S

S

N

N

a) p

l

= 2

b) p

ll

= 1

...przez zmianę liczby par biegunów.

Maszyny wielobiegowe -

aplikacje

210

180

190

470

195

0,74

93,0

740

167

124

115

200

190

200

540

218

0,85

94,0

987

188

160

150

Se 355
S

6/8

napęd przenośnika taśmowego –

stały moment

36

190

150

380

4,5

0,43

60,0

410

3,9

1,67

1,0

180

240

180

580

22,6

0,86

89,0

1460

19,6

16,8

15,0

Sf 160
L-

4/14

napęd wentylatora

%

%

%

%

A

--

%

o/m

kVA

kW

kW

m

r4/14

m

m

m

r

I

r

I

1

cos

ϕ

η

n

S

1

P

1

P

n

Typ

dwubiegowe silniki z uzwojeniami przełączalnymi

Maszyny wielobiegowe o zmienianych liczbach biegunów

pola magnetycznego -

silniki synchroniczne o biegunach

wydatnych

silniki na stacji prób

wentylator głównego

przewietrzania kopalni

Maszyny wielobiegowe o zmienianych liczbach biegunów

pola magnetycznego -

rozruch silnika dwubiegowego

moc pozorna S w

czasie rozruchu

a. silnika

jednobiegowego

b. silnika

dwubiegowego

18 MVA

9 MVA

Rozruch silnika dwubiegowego

prąd twornika I

1

w

czasie rozruchu

a. silnika

jednobiegowego

b. silnika

dwubiegowego

2100 A

860 A

Rozruch silnika dwubiegowego

0,91 U

n

0,76 U

n

napięcie zasilające U

1

w czasie rozruchu

a. silnika jednobiegowego

b. silnika dwubiegowego

Maszyny wielobiegowe o zmienianych liczbach biegunów

pola magnetycznego -

rozruch silnika dwubiegowego

Regulacja prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego

const

f

U =

M

U

s

, f

s

f

s

U

var

, f

var

M

r1

n

0

M

f

1

f

4

f

n

f

3

f

2

M

r n

M

obc

n

1

n

1

n

1

n

1

n

n

... przez zmianę
częstotliwości napięcia
zasilającego.

Silniki jednofazowe

ω

−ω

Φ=Φ

1

+Φ

2

Φ

1

Φ

2

n

0

M

M

1

M

2

M=M

1

+M

2

M

rozr

=0

Pulsujące pole magnetyczne (wytwarzane przez prąd uzwojenia jednofazowego) można
rozłożyć na dwie składowe, wirujące w przeciwnych kierunkach. Zatem silnik jednofazowy
może być traktowany jak dwa silniki wielofazowe pracujące na wspólnym wale, których
strumienie wirują w kierunkach przeciwnych. Moment rozruchowy takiego silnika M

rozr

= 0.

Aby uzyskać moment rozruchowy, praktyczne konstrukcje
silników jednofazowych są wyposażane w dodatkowe uzwojenia
rozruchowe połączone szeregowo z kondensatorami.

Hamowanie przeciwwłączeniem

M

h

n

s=1

S=2

n=0

M

-n

1

n

1

M

obc

3

2

1

M

1

2

3

Hamowanie jednofazowe

stojan

wirnik

R

reg

=0

R

max

n

0

M

M

h

M

h

R

reg

=0

R

max

Hamowanie z odzyskiem energii (1)

M

obc

n

0

M

n

2

p=1

p=2

n

1

Zmniejszanie prędkości od n

1

do n

2

w napędzie z silnikiem dwubiegowym.

Hamowanie z odzyskiem energii (2)

r

G

M

G

=

M

G

n

h

r

M

G

M

h

Opuszczanie ciężaru ze stałą prędkością:

n

h1

- silnik połączony dla p=1

n

h2

- silnik połączony dla p=2

M

G

n

0

M

n

h1

p=1

p=2

n

h2

Hamowanie dynamiczne

M

> R

h1

> R

h2

> R

h3

R

h

=0

n

0

M

ham.

Charakterystyka

naturalna

n

M

I

s1

> I

s2

> I

s3

0

M

ham.

Charakterystyka

naturalna

R

h

=const

I

s

=const

stojan

wirnik

R

h max

R

h

=0

U

3f

I

s

Tr

Z

A

KŁ

D

M

S

Y

N

EL

TR

C

H

A

A

Z

Y

YN

Z

EK

C

*

*

* PO

L

IMN

i PE

WR

.

.

Maszyny synchroniczne

Maszyny synchroniczne rodzaje budowy

jawnobiegunowa

cylindryczna

Turbogenerator bardzo dużej mocy 360 MW

maszyna cylindryczna

Maszyna cylindryczna

kształtowanie rozkładu pola magn. rozkładem uzwojenia wzbudzenia

Maszyna cylindryczna

Uzwojenie wzbudzenia

Maszyny synchroniczne jawnobiegunowe

Maszyny synchroniczne jawnobiegunowe

Maszyny synchroniczne

W

W ’

U

U ’

V

V ’

Φ

stojan

wirnik

U

V

W

+

-

Maszyny synchroniczne-moment elektromagnetyczny

cylindryczna

jawnobiegunowa

ϑ

sin

55

,

9

d

f

X

E

U

n

m

M

=

)]

1

1

(

2

sin

[

55

,

9

2

q

d

d

f

X

X

U

X

E

U

n

m

M

−

+

=

ϑ

Rodzaje pracy maszyny synchronicznej

Praca

silnikowa

Bieg

jałowy

Praca

prądnicowa

ω

ω

ω

U

s

I=0

E

M

δ

-

π

π

Praca

silnikowa

Praca

prądnicowa

M

max

Praca stabilna

Praca niestabilna

I

E

X

I X

U

s

jX

I

E

U

s

+

=

U

s

E

I jX

δ

I

Uproszczony jednofazowy schemat
zastępczy maszyny synchronicznej.

I jX

U

s

I

δ

E

Krzywe V

b) rodzina krzywych przy różnych mocach

c) praca prądnicowa; d) praca silnikowa

silniki synchroniczne – rozruch

- rozruch za pomocą dodatkowego silnika

- rozruch częstotliwościowy

- rozruch asynchroniczny (klatka rozruchowa: uzwojenie klatkowe

lub nabiegunniki lite)

Maszyna o magnesach trwałych

Mleczko

Mleczko

Mleczko

Mleczko

Maszyny prądu stałego

Φ

U

ω

I

Maszyny prądu stałego - stojan i wirnik

Maszyny prądu stałego - wirnik

Komutacja

I

a

I

a

0,5I

a

0,5I

a

0,5I

a

0,5I

a

ω

I

a

I

a

0,5I

a

0,5I

a

0,5I

a

0,5I

a

ω

I

a

I

a

0,5I

a

0,5I

a

ω

W okresie komutacji (w czasie przejścia szczotki z jednej działki komutatora na drugą)
prąd w cewce komutowanej zmienia kierunek na przeciwny. Zmienny w czasie prąd
cewki indukuje w niej sem samoindukcji, co powoduje przepływ prądu w zwartej przez
szczotkę cewce i iskrzenie między działkami komutatora a szczotkami. Celem
skompensowania sem samoindukcji stosuje się bieguny komutacyjne wytwarzające
strumień indukujący w komutującej cewce przeciwnie skierowaną sem rotacji.

Pole magnetyczne - bieguny pomocnicze

Pole magnetyczne – uzwojenie kompensacyjne

Maszyny prądu stałego. Zależności podstawowe

v

l

B

E

=

ω

Φ

c

E

=

a

I

Φ

c

M

=

r

F

M

⋅

=

a

N

c

π

2

=

Gdzie:

F – strumień magnetyczny jednego bieguna

N – liczba prętów uzwojenia twornika

a – liczba gałęzi równoległych uzwojenia

twornika

Siła elektromotoryczna wzbudzana w tworniku

Moment obrotowy

r

l

I

B

M

a

=

ω

I

f

I

a

Φ

I

f

I

a

Rodzaje połączeń maszyn prądu stałego

A2

-

+

- +

F1

F2

A1

-

+

E1

E2

A1

A2

obcowzbudna

bocznikowa

szeregowa

szeregowo-bocznikowa

Sposób połączenia uzwojenia wzbudzenia względem uzwojenia twornika
decyduje o właściwościach maszyny prądu stałego.

-

+

D2

D1

A1

A2

E1

E2

-

+

D2

D1

A1

A2

Charakterystyka mechaniczna silnika bocznikowego

a

I

Φ

c

M

=

I

f

Σ

R

a

I

a

U

I

a

Σ

R

a

Φ

E

W przypadku maszyny bocznikowej:

f

I

Φ

∝

;

a

a

R

E

U

I

Σ

−

=

ω

Φ

c

E

=

M

I

c

R

I

c

U

f

a

f

2

2

2

)

(

Σ

−

=

ω

M

k

−

=

0

ω

ω

Ogólnie moment obrotowy:

Po przekształceniach:

gdzie:

ω

M

U=const

0

I

f

=const

ω

0

Charakterystyka mechaniczna silnika szeregowego

a

I

Φ

c

M

=

W przypadku maszyny szeregowej:

a

I

Φ

∝

;

a

a

R

E

U

I

Σ

−

=

ω

cΦ

E

=

2

2

c

R

M

c

U

a

Σ

−

=

ω

2

1

k

M

k −

=

ω

Ogólnie moment obrotowy:

ω

M

U=const

0

gdzie:

;

a

f

I

I

=

zatem:

Po przekształceniach:

I

f

=I

a

Σ

R

a

I

a

U

I

a

Σ

R

a

Φ

E

Charakterystyki silników bocznikowego, szeregowego

i szeregowo-bocznikowego

ω

M

U=const

0

M

n

ω

n

1

2

3

1 - boczn.
2 - szer.- boczn.
3 - szereg.

-

+

D2

D1

A1

A2

E1

E2

Rozruch silników prądu stałego

;

a

a

R

E

U

I

Σ

−

=

ω

cΦ

E

=

I

f

Σ

R

a

I

a

U

I

a

Σ

R

a

Φ

E

I

a

R

r

R

r

r

a

a

rozr

R

R

U

I

I

+

Σ

=

=

W pierwszej chwili rozruchu, gdy

ω

= 0, siła

elektromotoryczna E = 0. Prąd twornika
włączonego bezpośrednio na napięcie
znamionowe byłby bardzo duży (

20 - 30 razy

większy od znamionowego !!!

), co prowadziło by

do zniszczenia silnika. Celem jego ograniczenia,
w obwód twornika jest włączany, na czas
rozruchu, rezystor R

r

zwany rozrusznikiem.

Innym sposobem zmniejszania prądu

rozruchowego jest załączanie twornika na
obniżone napięcie.

Rozruch silników prądu stałego - 1

Regulacja prędkości silników prądu stałego (1)

)

(

reg

a

a

R

R

I

U

E

+

Σ

−

=

ω

Φ

c

E

=

f

I

c

Φ

1

≈

Z przekształcenia zależności:

otrzymujemy zależność na prędkość silnika:

f

reg

a

a

I

c

R

R

I

U

2

)

(

+

Σ

−

=

ω

... z której wynika, że prędkość silnika można regulować zmieniając:

‰

prąd wzbudzenia,

‰

napięcie zasilania twornika,

‰

rezystancję obwodu twornika

.

I

f

Σ

R

a

I

a

U

I

a

Σ

R

a

Φ

E

I

a

R

reg

R

reg

f

reg

a

a

I

c

R

R

I

U

2

)

(

+

Σ

−

=

ω

ω

M

0

ω

0

R

reg

=0

R

reg1

R

reg2

R

reg3

U=U

n

; I

f

=I

fn

ω

M

U

n

0

U

3

U

2

U

1

M

n

ω

0

M=con st

P=con st

U

4

I

f4

I

f3

I

f2

I

f1

I

fn

I

f

=I

fn

U=U

n

U

n

>U

1

>U

2

>U

3

>U

4

I

fn

>I

f1

>I

f2

>I

f3

>I

f4

R

reg1

< R

reg2

< R

reg3

Regulacja prędkości silników prądu stałego (2)

A

A

B

B

C

C

Silnik skokowy (1)

i

A

B

C

t

t

t

A

B

C

Układ

sterujący

i

A

B

C

t

t

t

Silnik skokowy (2)

A

A

B

B

C

C

A

B

C

Układ

sterujący

i

A

B

C

t

t

t

Silnik skokowy (3)

A

A

B

B

C

C

A

B

C

Układ

sterujący

OCHRONA PRZED

PORAŻENIEM PRĄDEM

ELEKTRYCZNYM

L1

L2

L3

PEN

P

k

R

d

Δ

I

Zasada działania zabezpieczenia różnicowego

L1

L2

L3

PEN

N

E

PEN

PEN

N

N

PE

PEN

L1

L2

L3

N

N

E

PEN

N

N

PE

PE

PE

TT

TN-C

TN-S

L1

N

L2

L3

PE

N

E

N

N

L1

N

L2

L3

PE

N

E

PEN

PEN

N

N

N

PE

PE

TN-C-S