Budowa i zasada działania maszyny indukcyjnej asynchronicznej.
Definicja poślizgu w zależności od wirowania pole elektromagnetycznego i liczby
park biegunów. Podać warunki kiedy osiąga on wartości ujemne
a) Budowa maszyn indukcyjnych
Maszyna indukcyjna składa się z częsci nieruchomej w kształcie walca, zwanej stojanem i
częsci ruchomej zwanej wirnikiem, także w kształcie walca.
Obwód magnetyczny tworzą rdzenie stojana i wirnika wykonane w formie pakietu blach
odizolowanych od siebie o ok 0,5mm. Stojan i wirnik są oddalone od siebie szczeliną
powietrzną o grubości rzędu kilku dziesiętnych milimetra w małych maszynach i od 1 do 3
mm w dużych maszynach.
Na całym obwodzie stojana i wirnika wycina się rowki o specjalnym kształcie, zwane
żłobkami, w których umieszcza się uzwojenia. Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie
maszyny, natomiast rdzeń wirnika w małych maszynach na wale, w maszynach dużych na
piaście.
Uzwojenie stojana silnika trójfazowego składa się z trzech oddzielnych uzwojeń zwanych
fazami, które w czasie pracy połączone są ze sobą w gwiazdę lub w trójkąt. Uzwojenie
stojanów wykonuje sie z izolowanego drutu nawojowego, dodatkowo impregnowanego i
usztywnionego. Uzwojenia są odizolowane od rdzenia izolacją żłobkową, zabezpieczone
przed wypadaniem ze żłobka za pomocą klinów.
b) Zasada działania maszyny indukcyjnej asynchronicznej.
Jeżeli uzwojenie stojana jest zasilane prądem trójfazowym, to powstaje wirujące z
prędkością n1 pole magnetyczne pochodzące od uzwojenia stojana. Prędkość ta zależy
od częstotliwości f1 i od liczby par biegunów. n1=60*f1/p
Prędkości wirowania pola elektromagnetycznego względem stojana nazywamy prędkością
synchroniczną.
W wirującym polu stojana jest umieszczony wirnik z uzwojeniem. W czasie gdy wirnik jest
jeszcze nieruchomy (n=0), pole wiruje względem wirnika z prędkością n1 i przecina pręty
wirnika indukując w nich siłę elektromotoryczną: E=4,44ku2N2f1FI
Strumień wirujący indukuje również siłę elektromotoryczną E1 w uzwojeniu stojana
E=4,44ku1N1f1FI
Po zamknięciu obwodu uzwojenia wirnika, pod wpływem indukowanego w tym uzwojeniu
napięcia, popłynie prąd. Na skutek oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik z
prądem powstanie moment elektromagnetyczny M. Stosując regułę Lenza, można
powiedzieć, że wirnik podąża za obracającym się polem stojana i wiruje w kierunku
zgodnym z kierunkiem wirowania tego pola, dążąc do osiągnięcia prędkości
synchronicznej. Gdyby wirnik rzeczywiście osiągnął prędkość synchroniczną nie powstałby
moment elektromagnetyczny, gdyż pręty wirnika nie byłyby przecinane przez pole stojana,
nie indukowałyby się napięcia i nie popłynąłby prąd. Maszyna wytwarza moment
elektromagnetyczny M przy wszystkich prędkościach wirnika z wyjątkiem prędkości
synchronicznej. Dlatego maszyny działające na tej zasadzie nazywamy maszynami
asynchronicznymi. Inna nazwa maszyna indukcyjna wynika stąd, że w obwodzie wirnika
napięcia pojawia się w wyniku indukcji elektromagnetycznej, a nie jest doprowadzone z
zewnątrz tak jak w innych silnikach. Gdyby obwód uzwojenia wirnika nie był zamknięty, nie
powstałby moment elektromagnetyczny, bo nie mógłby popłynąć prąd w wyniku
indukowanego napięcia.
Wielkością charakterystyczną dla maszyn indukcyjnych jest poślizg S: s=n1-n/n1
Poślizgiem nazywamy różnicę między prędkością obrotową pola wirującego a prędkością
wirnika.
Prędkość wirowania wirnika wynosi zatem: n=n1(1-s)
Pole wirnika wiruje względem stojana z prędkością synchroniczną, czyli jest nieruchome
względem pola stojana niezależnie od prędkości obrotowej maszyny. Pole magnetycznej
stojana wirnika tworzą więc jedno wspólne pole, które indukuje w stojanie i w wirniku siły
elektromotoryczne.
Poślizg w zależności od liczby par biegunów:
s=n1-n/n, n1=60f1/p
więc: s=60f1-pn/60f1
p-liczba par biegunów
Poślizg u=osiąga wartosci ujemne (s<0) przy pracy prądnicowej maszyny (N>N1). Wynika
to ze wzoru s=n1-n/n1. Wirnik napędzany w kierunku wirowania pola magnetycznego z
prędkością większą od synchronicznej)
Zasada działania maszyn prądu stałego. Zjawisko komutacji i oddziaływanie
twornika.
Przy wirowaniu wirnika w polu magnetycznym wytwarzanym przez bieguny główne stojana
zachodzą dwa podstawowe zjawiska:
1. W przewodach twornika indukuje się SEM o wartości określonej wzorem: E=BlV
Kierunek SEM można określić regułą prawej dłoni.
2. Przy przepływie prądu w przewodach twornika działa na nie siła mechaniczna o
wartości: F=BIL
Kierunek tej siły można określić za pomocą reguły lewej dłoni.
Siły mechaniczne działające na przewody twornika powodują powstanie momentu
elektromagnetycznego Mo, którego kierunek jest zależny od rodzaju pracy maszyny:
prądnicowej lub silnikowej.
Przy pracy prądnicowej moment Mo skierowany jest przeciwnie do kierunku wirowania
pola i w związku z tym do wały prądnicy należy dostarczyć energii mechanicznej, która w
prądnicy zamieniana jest na energię elektryczną.
Przy pracy silnikowej moment elektromagnetyczny Mo ma kierunek zgodny z kierunkiem
wirowania pola, jest więc momentem napędowym, pod wpływem którego energia
elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną, dostarczaną przez silnik napędzany
w maszynie roboczej.
Oddziaływanie twornika
Prąd It płynący przez uzwojenie twornika wytwarza strumień magnetyczny Fia, którego
można podzielić na dwie składowe:
Fi(aq) - występujący w strefie obojętnej
Fi(ad) - występujący pod biegunami głównymi
Następstwem działania strumienia Fi(aq) jest nieznane przesunięcie osi obojętnej.
Strumień Fi(ad) powoduje zmniejszenie strumienia głównego, a tym samym zmniejszenie
SEM E i momentu Mo. Rozmagnesowujące działanie prądu It nazywamy oddziaływaniem
twornika.
Komutacja
Uzwojenie wirnika o 2Na bokach stanowi zamknięty obwód elektryczny w którym
wypadkowe SEM jest równe zeru. Szczotki dzielą to uzwojenie na a par gałęzi
równoległych w taki sposób, że każda gałąz
ma Na/a boków. Podczas wirowania
poszczególne boki zmieniają się w gałęziach, lecz suma ich jest zawsze stała. W boku
przechodzącym z jednej gałęzi do drugiej następuje zmiana zwrotu prądu.
Połączenie zwojów uzwojenia z jednej gałęzi do drugiej przy użyciu wycinków komutatora i
szczotek oraz związane z tym zmiany zwrotu prądu w kolejnych zwojach nazywamy
komutacją.
Ujemnym zjawiskiem towarzyszącym komutacji może być iskrzenie szczotek na skutek
przyczyny natury mechanicznej lub elektrycznej.
Komutacją nazywa się zmianę kierunku prądu w cewce zwartej przez szczotkę. W cewce
między wycinkami komutatora prąd płynie w prawo ku szczotce dodatniej.
Wadą silników prądu stałego jest obecność szczotek i komutatora.
Definicja i właściwości sprzężenia dodatniego i ujemnego. Podać przykładu tych
sprzężeń w układzie wzmacniacza z jednym tranzystorem.
Sprzężenie zwrotne jest to oddziaływanie sygnału wyjściowego (lub jego części) na obwód
wejściowy w celu poprawienia właściwości wzmacniacza, głównie stałości wzmocnienia,
liniowości charakterystyki dynamicznej i zmniejszenia wpływu zmian temperatury.
Rozróżnia się sprzężenia: napięciowe i prądowe, uwzględniając fazę podawanego na
wejściu sygnału, ujemne i dodatnie (podstawa układów generacyjnych).
Obwód sprzężenia zwrotnego wprowadza do układu wejściowego wzmacniacza o
współczynniku wzmocnienia ku, napięcia Us=BetaU*U2, będące częścią napięcia
wyjściowego. Współczynnik BetaU=Us/U2 nazywa się współczynnikiem sprzężenia
zwrotnego.
Uwzględniając zależność: U2=ku*U1=ku(Ug+Us)=ku(Ug+BetaU*U2) można współczynnik
wzmocnienia układu wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym zapiać jako: ku =U2/Ug=ku/
1-BetaU*ku
Sprzężenie zwrotne powoduje zmianę wzmocnienia układu. Gdy:(
l1-Betakul>1 to ku przeciwnie do napięcia sygnału wejściowego, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia.
Jest to przypadek ujemnego sprzężenia zwrotnego. (
0 < l1-BetaU*kul <1 to ku >ku Napięcia sprzężenia zwrotnego jest zgodne w fazie z
napięciem sygnału wejściowego, co powoduje zwiększenie wzmocnienia układu. Jest to
sprzężenia dodatnie.
Ujemne sprzężenie zwrotne wykorzystuje się często we wzmacniaczach elektronicznych.
Przykładem układu ze sprzężeniem ujemnym może być układ zwany wtórnikiem
katodowym. Przykładem dodatniego sprzężenia zwrotnego w układzie wzmacniacza jest
generator drgań sinusoidalnych.
Generator drgań relaksacyjnych.
Drgania relaksacyjne są to drgania niesinusoidalne o przebiegu wolno narastającym, a
następnie szybko zanikającym, tzw. piłokształtnym.
Po zamknięciu wyłącznika W napięcie na kondensatorze wzrasta wg krzywej wykładniczej
tym wolniej im większa jest rezystancja R, ograniczając prąd ładowania. Po osiągnięciu
pewnego napięcia następuje szybkie rozładowanie kondensatora i spadek napięcia na
jego okładzinach. Proces ten cyklicznie się powtarza. Częstotliwość drgań relaksacyjnych
można regulować przez zmianę parametrów R i C układu.
Największe zastosowanie takie generatory znajdują w układach lamp oscyloskopowych i
kineskopowych.
Wykres drgań piłokształtnych.
Generator drgań sinusoidalnych.
y
ródłem drgań w generatorach sinusoidalnych jest najczęściej obwód rezonansowy
złożony z równolegle połączonych indukcyjności L i pojemności C. A
adunki zgromadzone
w kondensatorze powodują powstawanie pola magnetycznego. A
adunki zgromadzone na
kondensatorze powodują przepływ prądu przez cewkę. Prąd ten wytworzy strumień
magnetyczny, w którym będzie zmagazynowana energia. Cewka staje się z
ródłem prądu
ładującego kondensator. Z powodu rezystancji obwodu, część energii będzie się za
każdym razem zmieniała na ciepło, aż do wyczerpania energii. Powstaną drgania
gasnące. Aby otrzymać drgania niegasnące koniecznej jest uzupełnienie strat energii
poprzez dodatnie sprzężenie zwrotne w obwodzie LC.
Konieczne jest przy tym spełnienie dwóch warunków:(
warunek amplitudy określający potrzebną wartość współczynnika sprzężenia zwrotnego
niezbędne do podtrzymania stałej amplitudy drgań Beta=1/ku(
warunek fazy, która mówi, ze suma przesunięć fazowych wzmacniaczy i obwodu
sprzężenia zwrotnego musi być równa zeru
Uproszczony schemat generatora lampowego Colpittsa.
Praca prądnicowa maszyn prądu stałego - prądnica obcowzbudna i samowzbudna.
Narysować i omówić charakterystyki naturalne wymienionych prądnic.
Gdy wirnik maszyny napędzany jest przez inna maszynę wirującą np. przez turbinę -
mamy do czynienia z pracą prądnicową. Na zaciskach (szczotkach) prądnicy powstaje
wówczas sem, której wartość można regulować przez zmianę prądu wzbudzenia If.
Przyłączony do szczotek odbiornik Rl pobierając energię, wywołuje w tworniku (wirniku)
przepływ prądu Ic. Napięcie U na zaciskach jest mniejsze od sem E o spadek napięcia na
rezystancji twornika Ra i połączonych z nim szeregowo uzwojeniach komutacyjnym i
kompensacyjnym. Całkowitą rezystancję obwodu wewnętrznego, przez który płynie prąd It
oznaczamy Rat. Stąd, w przypadku prądnicy napięcie na jej zaciskach: U=E-RatIt
Prąd It ma zwrot zgodny ze zwrotem E, natomiast moment Mo jest skierowany przeciwnie
do kierunku prędkości obrotowej n (prędkości kątowej omega).
Prądnice w zależności od zasilania uzwojenia wzbudzenia mogą być samowzbudne i
obcowzbudne.
Prądnicę obcowzbudną otrzymujemy poprzez zasilanie uzwojenia wzbudzenia z obcego,
niezależnego z
ródła prądu stałego. W przypadku zaś, gdy uzwojenie wzbudzenia
przyłączone jest do zacisków twornika, prądnica jest prądnicą samowzbudną.
Charakterystyki zewnętrzne (naturalne) prądnic: U=f(It): 1-obcowzbudnej, 2-
samowzbudnej bocznikowej; Iks - prąd zwarcia prądnicy samowzbudnej, Iko-prąd zwarcia
prądnicy obcowznudnej.
Obciążone są wartości napięcia na zaciskach samowzbudnej prądnicy bocznikowej wraz
ze wzrostem prądu obciążenia jest związane nie tylko z oddziaływaniem twornika oraz ze
spadkiem napięcia na rezystancji twornika, ale także ze zmniejszeniem się prądu
magnesującego. Dla prądnicy samowzbudnej przy stałej rezystancji Rf obwodu
wzbudzenia przyłączonego do szczotek, prąd magnesujący If=U/Rf+R będzie się
zmniejszał ze zmniejszeniem napięcia U na zaciskach prądnicy. Spowoduje to
zmniejszenie się strumienia indukcji magnetycznej FI a zatem i sem E, co prowadzi do
ponownego zmniejszenia napięcia U.
Przy znacznych przeciążeniach prądnicy spadek napięcia może być tak duży, ze przy
dalszym zmniejszaniu rezystancji odbiornika Rzew w obwodzie zewnętrznym prądnicy
prąd I=U/Rzew nie wzrasta lecz opada, gdyż wartość U maleje szybciej niż wartość Rzew.
Na rysunku linia przerywaną oznaczony jest obszar przeciążeń prądnicy. Po osiągnięciu
prądu maksymalnego Imax dla danej maszyny, prąd twornika maleje do wartości Ik, co
odpowiada stanowi zwarcia prądnicy. Wówczas Rzew=0 oraz napięcie prądnicy U=0. Dla
stanu zwarcia prąd magnesujący If=0, a wartość sem E=Er zależy tylko od pozostałości
magnetycznej. Obcowzbudne prądnice bocznikowe ze względu na stałe niezależne od
prądu obciążenie napięcia zasilania uzwojenia wzbudzenia mają bardziej sztywne
charakterystyki zewnętrzne.
Omówić wpływ strumienia wzbudzenia na prędkość obrotową silnika prądu stałego
na przykładzie silnika bocznikowego i szeregowego.
Regulacja prędkosci obrotowej silnika bocznikowgo przez zmiane strumienia wzbudzenia:
n=U-Rt*It/c*fi=U-M/c*fi*Rt/c*fi
Zmianę strumienia wzbudzenia można osignąć włączając w obwód wzbudzenia zmienny
rezystor np. Rfr Włączenie takiego regulatora spowoduje zmniejszenie się prądu
magnesującego If, zmniejszy się więc strumień magnetyczny fi, a prędkość obrotowa
wzrośnie. W ten sposób osiąga się regulację prędkości obrotowej powyżej prędkości
obrotowej n0. Zakres regulacji prędkości obrotowej strumieniem jest ograniczony ze
względów konstrukcyjnych
wykres
Charakterystyki mechaniczne silnika bocznikowego prądu stałego przy regulacji prędkości
obrotowej przez zmianę strumienia wzbudzenia.
Podobnie jak dla silnika bocznikowego tak i dla szeregowego, aby uzyskać wzrost
prędkości obrotowej można zastosować zmniejszenie strumienia magnetycznego FI,
bocznikując uzwojenie wzbudzenia przez dodatkowy opór regulacyjny.
Wyjaśnić, dlaczego wraz ze wzrostem obciążenia transformatora jego strumień jest
stały.
W stanie obciążenia transformatora prąd I1 w uzwojeniu pierwotnym ma taką wartość i
przesunięcie kątowe, że jego wektor wraz z wektorem prądu wtórnego I2 sumując się
tworzą prąd jałowy I0. I0=I1+I2
W ten sposób każda zmiana prądu I2 wywołana zmianą obciążenia transformatora,
pociąga ze sobą proporcjonalną zmianę prądu I1 przy niezmiennej wartości prądu I0. Przy
dużym obciążeniu transformatora prąd jałowy transformatora jest bardzo mały w stosunku
do prądów I1 i I2 (wynosi ok. 5-1% prądu znamionowego), można więc przyjąć, że I0 jest
tożsamościowo równe 0 więc I1 tożsam. jest równe -I2
Dzięki stałości prądu I0 wartość maksymalna strumienia magnetycznego FIm jest stała i
praktycznie niezależna od obciążenia.
Wyjaśnić z czego wynika odkształcenie przebiegu prądu w obwodach z rdzeniem
magnetycznym - przyczyna powstawania harmonicznych wyższych
rzędów.Charakterystyka prądowo - napięciowa obwodów z rdzeniem magnetycznym (np.
transformator) jes silnie nieliniowa. Nieliniowość ta wprowadza zmiany w przebiegu energii
sieci (odkształcenie). Taki odbiornik działa jako generator wyższych harmonicznych prądu
powodując powstanie w sieci spadków napięcia, które nakładają się na sinusoidę
podstawową powodując jej odkształcenie.
Maszyna synchroniczna. Wpływ rodzaju obciążenia prądnicy synchronicznej na jej
strumień wypadkowy.
Maszyny synchroniczne są to maszyny prądu przemiennego, najczęściej trójfazowego, w
których prędkość obrotowa wirnika jest równa prędkości wirowania pola magnetycznego,
tzn wirnik obraca się bez poślizgu, a jego prędkość obrotowa jest wyrażona wzorem:
n=ns=60f/p
Maszyny synchroniczne mogą przetwarzać energię meganiczną na elektryczna lub na
odwrót.
Zasadniczą cechą maszyn synchronicznych jest to, że prędkość obrotowa wirnika jest taka
sama w zakresie pracy prądnicowej jak i silnikowej, tzn. charakterystyka mechaniczna jest
linią poziomą.
Maszyna synchroniczna składa się ze stojana i wirnika.(
Stojan - jego głównym elementem jest rdzeń w kształcie walca kołowego wydrążonego
złożonego z pakietu blach. Na wewnętrznym obwodzie rdzenia stojana wykonane są
żłobki, w których mieści się uzwojenie trójfazowe. Rdzeń wraz z uzwojeniem umieszczony
jest w obudowie, na której znajdują się zaciski służące do połączenia uzwojenia stojana z
siecią prądu trójfazowego.(
Wirnik - spełnia rolę magneśnicy. Posiada on pewną, zależną od prędkości obrotowej
liczbę par biegunów, na których mieszczą się uzwojenia zasilane prądem stałym,
doprowadzonym do tych uzwojeń za pośrednictwem dwóch pierścieni ślizgowych. Liczba
par biegunów związana jest z prędkością obrotową n=60f/p
Prądnica synchroniczna prądu przemiennego zw względu na obciążenie zmieni swoje
właściwości: obciążenie indukcyjne cosfil=0 pole magnetyczne wytwarzane przez prąd
twornika zmniejsza wypadkowy strumień wzbudzenia maszyny. Obciążenie
pojemnościowe cosfil=0 pole twornika zwiększa strumień wzbudzenia - oddziaływanie
podłużne twornika obciążenie rezystancyjne - pole twornika jest skierowane między
bieguny wirnika - oddziaływanie poprzeczne twornika, jest pomijalne w stosunku do pola
wypadkowego
Prostowniki niesterowane jedno i dwupołówkowe. Działanie filtrów RL i RC w
układach prostowniczych i ich wpływ na parametry pracy prostownika.
Prostowanie jest to proces, w wyniku którego z przebiegu mającego wartości dodatnie u
ujemne otrzymuje się przebieg przybliżający wartości tylko jednego znaku. Do
realizowanie powyższego procesu stosuje się urządzenie dokonujące prostowania -
prostownik zawierający elementy prostownicze (przeważnie diody półprzewodnikowe). W
przypadku prostowników niesterowanych nie ma możliwości regulacji prądu i napięcia
wyprostowanego.
Schemat zastępczy prostownika z diodą (prostownik jednopołówkowy)
W prostowniku jednopołówkowym zasilanym napięciem przemiennym Ug przez diodę
przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie jest wyższy
potencjał niż na katodzi i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Napięcie Ul
występuje więc jedynie przez połowę okresu napięcia wejściowego Ug.
Wielofazowe układy prostownikowe są to układy, w których prąd w obwodzie wyjściowym
równy jest sumie prądów dwóch lub większej liczby prostowników. Prostowniki te są
zasilane napięciami przemiennymi, przesuniętymi względem siebie w fazie o kąt fi=2pi/m,
m-liczba prostowników lub faz
Dwupołówkowy układ prostowniczy.
Przebiegi prądów i napięć.
Obciążenie rezystancyjno - pojemnościowe RC
Prostownik zaczyna przewodzić gdy napięcie wejściowe przekracza wartość napięcia na
kondensatorze. Prostownik przestaje przewodzić prąd, gdy napięcie na nim osiągnie
wartość równą zeru. Gdy prostownik jest zamknięty, kondensator C wyładowuje się przez
rezystancję R zgodnie z zależnością: U2 =pier.z2U1sinteta1 exp-(2pi-lambda)ctgteta,
gdzie teta=arctgomegaRC - kąt fazowy obwodu obciążenia.
Ponowne włączenie prostownika następuje po zrównaniu się napięcia kondensatora z
napięciem zasilającym.
Obciążenie rezystancyjno-indukcyjne RL
Schemat zastępczy
Włączenie prostownika następuje przy t=0, natomiast prąd przestaje płynąć w obwodzie w
chwili, gdy sem samoindukcji równoważy napięcie wejściowe.
Filtry stosuje si, by wygładzić przebiegi napięcia.
Schemat blokowy wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym. Wzmocnienie i rozdział
sygnałów. Pasmo przenoszenia wzmacniacza. Charakterystyka amplitudowo -
fazowa.
Wzmocnieniem elektrycznym nazywa się układ, w którym sygnał wejściowy w postaci
napięcia U1 lub prądu i1 o małej mocy p1 powoduje powstanie na jego wyjściu sygnału
U2=kuU1; i2=ki*i1 o znacznie większej mocy p2=kp*p1. Wzmocnienie to uzyskuje się
kosztem mocy doprowadzonej z zewnętrznego z
ródła zasilającego wzmacniacz.
Współczynniki ku, ki, kp nazywają się współczynnikami wzmocnienia.
Wzmocnienie i rozdział sygnałów
Za pomocą wzmacniacza sumacyjnego i różnicowego można realizować dodawanie i
odejmowanie sygnałów.
Wzmacniacz sumacyjny i różnicowy.
Pasmo przenoszenia - różnica częstotliwości między dwoma punktami charakterystyki
częstotliwościowej, dla której następuje spadek wzmocnienia o 3dB. B=fg=fd
Charakterystyka amplitudowo - fazowa