I prawo Kirchhoffa:

Suma algebraiczna prądów w każdym węźle obwodu elektrycznego jest równa zeru, czyli suma prądów wpływających do węzła równa się sumie prądów odpływających od węzła.

II prawo Kirchhoffa:

Suma algebraiczna napięć źródłowych w oczku obwodu elektrycznego równa się sumie spadków napięć na rezystancjach oczka.

Zasada superpozycji:

Odpowiedź obwodu elektrycznego na kilka wymuszeń jest równa sumie odpowiedzi na każde wymuszenie z osobna.
Właściwości takie wykazują obwody prądu stałego, których poszczególne gałęzie mają stałą rezystancję (R=const.), niezależną od wartości prądu.

Twierdzenie Thevenina:

Każdy obwód liniowy rozpatrywany między wybranymi zaciskami m-n można zastąpić obwodem zastępczym, złożonym ze źródła napięcia, rezystancji zastępczej obwodu widzianego z zacisków m-n oraz rezystancji gałęzi między zaciskami m-n, połączonych szeregowo, przy czym sem źródła zastępczego jest równa napięciu między zaciskami m-n w stanie jałowym.

Obwody prądu sinusoidalnego jednofazowego

Rezonans napięć

Rezonans, występujący w obwodzie o szeregowym połączeniu elementów R, L, C, charakteryzujący się równością reaktancji indukcyjnej i reaktancji pojemnościowej nazywamy rezonansem napięć lub rezonansem szeregowym.

Warunek (1): $\text{ωL} = \frac{1}{\text{ωC}}$.

Rezonans prądów

Rezonans, występujący w obwodzie o równoległym połączeniu elementów R, L, C, charakteryzujący się równością susceptancji indukcyjnej i susceptancji pojemnościowej, nazywamy rezonansem prądów lub rezonansem równoległym.

Warunek (2): $\text{ωC} = \frac{1}{\text{ωL}}.$

Częstotliwość rezonansowa (szeregowego lub równoległego) obwodu rezonansowego (przy której spełniony jest warunek odpowiednio: 1. v 2.): $f_{r} = \frac{1}{2\pi\sqrt{\text{LC}}}$.

Mocą czynną nazywamy wartość średnią mocy chwilowej i określamy ją wzorem: P = UIcosφ.

(cosφ - współczynnik mocy).

Jednostką mocy czynnej jest wat [W].

Moc pozorna oznaczana jest przez S i definiowana jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu: S = UI.

Jednostką mocy pozornej jest woltoamper [VA].

Moc bierna oznaczana jest przez Q i definiowana jako iloczyn wartości skutecznych napięcia, prądu i sinusa kąta przesunięcia fazowego między nimi: Q = UIsinφ.

Jednostką mocy biernej jest war [Var].

Kompensacja mocy biernej

Nadwyżka zapotrzebowania na moc bierną ponad zdolności produkcyjne prądnic, musi być dostarczona z dodatkowych źródeł mocy, dlatego instalowane są źródła energii biernej w pobliżu odbiorników. Uzyskuje się dzięki temu zmniejszenie spadku napięcia o wartość XI_k, a straty mocy maleją odwrotnie proporcjonalnie do współczynnika mocy.

Wartość średnia prądu

Jeżeli obliczenia dotyczą ładunku elektrycznego związanego z przepływem prądu sinusoidalnego, to posługujemy się tzw. wartością średnią, którą definiujemy dla połowy okresu ( dla całego okresu sinusoidy wartość średnia wynosi zero) następująco: $I_{sr} = \frac{2}{T}\int_{0}^{\frac{T}{2}}{\text{idt} \approx 0,637I_{m}.}$ (I_m - amplituda)

Wartość średnia napięcia: U_sr ≈ 0, 637U_m.

Wartość skuteczna prądu

W rozważaniach energetycznych prąd sinusoidalny zastępujemy równoważnym prądem stałym, który nazywamy wartością skuteczną danego prądu sinusoidalnego i oznaczamy dużą literą I. Ten równoważny prąd stały ma wydzielić na rezystorze R w czasie T taką samą energię w postaci ciepła jak dany prąd sinusoidalny.

$$I = \frac{I_{m}}{\sqrt{2}}.$$

Wartość skuteczna napięcia: $U = \frac{U_{m}}{\sqrt{2}}.$

Impedancja (opór pozorny): $Z = \sqrt{R^{2} + X^{2}}$, gdzie X = X_L − X_C.

Impedancja zespolona: =[R+j(X_L−X_C)] = R + jX.

RLC

Idealny element R – rezystancja (opór czynny), przy przepływie prądu ma jedynie zdolność przemiany energii elektrycznej w ciepło.

W obwodach, w których występują tylko elementy rezystancyjne prądy i napięcia są w fazie.

Konduktancja - przewodność: $G = \frac{1}{R}$, jednostka: simens [S].

Idealny element L – indukcyjność własna, przy przepływie prądu zmiennego ma jedynie wartość gromadzenia energii w polu magnetycznym.

Reaktancja indukcyjna (opór bierny indukcyjny): X_L = ωL = 2πfL.

Susceptancja indukcyjna (przewodność bierna indukcyjna): $B_{L} = \frac{1}{X_{L}}$.

Idealny element C – pojemność, może gromadzić energię w polu elektrycznym, jeżeli na elektrodach kondensatora występuje ładunek Q, co jest związane z występowaniem między elektrodami napięcia U.

Reaktancja pojemnościowa (opór bierny pojemnościowy): $X_{C} = \frac{1}{\text{ωC}}$.

Susceptancja pojemnościowa: $B_{C} = \frac{1}{X_{C}}.$

Stan nieustalony

Obwód RL przy załączeniu napięcia stałego:

U_L(t)- napięcie na cewce

U_R(t)- napięcie na rezystorze

I(t)- prąd

Obwód RC przy załączeniu napięcia stałego:

U_C(t)- napięcie na kondensatorze

U_R(t)- napięcie na rezystorze

I(t)- prąd

Obwód RLC przy załączeniu napięcia stałego:

Ochroną przeciwporażeniową nazywa się cykl działań oraz instalacji mających na celu zwiększenie bezpieczeństwa człowieka podczas pracy z urządzeniami zasilanymi elektrycznie. Szereg działań w niej zawartych dzielimy na dwie główne grupy, tj.:

środki nietechniczne

środki techniczne

Wśród środków nietechnicznych można wyróżnić:

szkolenie wstępne oraz okresowe pracowników obsługujących urządzenia elektryczne

wymóg posiadania wymagań kwalifikacyjnych przez pracowników obsługujących urządzenia elektryczne

właściwa organizacja pracy osób obsługujących urządzenia elektryczne

egzekwowanie przestrzegania zasad bezpieczeństwa

popularyzacja zasad bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych

badania okresowe pracowników obsługujących urządzenia elekrtyczne

szkolenie z udzielania pierwszej pomocy w przypadkach porażeń elektrycznych

Środki techniczne dzielimy na:

ochronę przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa)

ochronę przed dotykiem pośrednim (ochrona dodatkowa)

ochronę przed dotykiem pośrednim i bezpośrednim - poprzez zasilanie urządzeń napięciem bezpiecznym

używanie sprzętu ochronnego (w tym środków ochrony indywidualnej) – w sytuacjach, w których powyższe środki ochrony nie mogą być użyte (np. podczas napraw urządzęń elektrycznych)

Ochrona podstawowa – ochrona przed zagrożeniami występującymi w wyniku dotyku do elementów urządzeń elektrycznych pod napięciem. Realizuje się ją poprzez uniemożliwienie człowiekowi dotyku to elementów pod napięciem – instalację osłon i zagrodzeń, izolowanie części lub umieszczanie ich poza poza zasięgiem ręki. Ochronę też można też uzupełnić poprzez użycie ochronnych urządzeń różnicowoprądowych o dużej czułości (prąd wyzwalający max. 30 mA).

Ochrona dodatkowa – ochrona przed skutkami porażenia w przypadku dotknięcia do elementów elektrycznie czynnych (które normalnie są odizolowane a chwilo np. w wyniku awarii znalazły się pod napięciem) realizowana jest głównie poprzez zminimalizowanie wartości prądu rażeniowego, zminimalizowanie czasu przepływu prądu przez ciało człowieka lub poprzez całkowite uniemożliwienie tegoż przepływu. W tym celu należy zastosować przynajmniej jeden z poniższych środków:

samoczynne wyłączanie napięcia

stosowanie urządzeń o II klasie ochronności

izolowanie stanowiska pracy

separacji elektrycznej

Ochrona przed dotykiem pośrednim i bezpośrednim - ochrona przed skutkami porażenia w postaci stosowania zasilania o bardzo niskim napięciu (np. baterie, akumulatory, przetwornice prądu). Gniazda i wtyczki urządzeń niskonapięciowych nie mogą pasować do gniazd i wtyczek urządzeń innego typu.

Układ sieciowy, w rozumieniu konfiguracji sieci elektroenergetycznej, określa sposób połączenia punktu neutralnego transformatora z ziemią oraz z siecią przesyłową.

TT - punkt neutralny transformatora jest uziemiony (przewód neutralny połączony z uziomem roboczym transformatora), natomiast punkty PE odbiorników oraz części przewodzące dostępne (np. metalowe obudowy urządzeń) są uziemione niezależnie od sieci energetycznej, najczęściej bezpośrednio w miejscu zainstalowania, uziemieniem ochronnym oddzielnie dla każdego odbiornika. Wyróżnia się uziemienia indywidualne, grupowe oraz zespołowe.

TN - punkt neutralny źródła napięcia (transformatora lub generatora) jest uziemiony, natomiast połączenie PE z ziemią części przewodzących dostępnych, które normalnie nie są pod napięciem (np. metalowe obudowy odbiorników) realizowane jest poprzez sieć zasilającą:

TN-S - oddzielnym przewodem ochronnym PE. Przewód ten służy wyłącznie do ochrony urządzeń, nie można włączać go w jakikolwiek obwód prądowy, służy do tego oddzielny przewód neutralny N.

TN-C - wspólnym przewodem ochronno-neutralnym PEN

IT - punkt neutralny transformatora izolowany (podłączony przez bezpiecznik iskiernikowy z uziomem), punkty PE połączone z uziemieniem ochronnym oddzielnie dla każdego odbiornika

Elektromagnetyzm. Pole magnetyczne.

Podział materiałów magnetycznych

Podział z punktu widzenia ich właściwości magnetycznych:
Diamagnetyczne μw < 1 Magnetyzują się w bardzo słabym stopniu w kierunku przeciwnym do kierunku działania zewnętrznego pola magnetycznego. Osłabiają działanie pola. Gazy szlachetne, kadm, rtęć, srebro, ołów.
Podział ze względu na zdolności rozmagnesowywania:
Twarde Magnesy trwałe.

Remanencja : pozostałość magnetyczna – cecha charakteryzująca ferromagnetyki.

Analogie między obwodem magnetycznym i elektrycznym. (Podać podstawowe pojęcia i jednostki)

Obwód magnetyczny	Obwód elektryczny
Strumień indukcji magnetycznej Φ [Wb-weber]	Prąd elektryczny I [A-amper]
Siła magnetomotoryczna ϴ [A-amper]	Siła elektromotoryczna E [V-wolt]
Oporność magnetyczna - reluktancja R [A/Wb = henr^-1]	Oporność elektryczna R [Ω-om]

Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

Jeżeli wartość strumienia magnetycznego sprzężonego z obwodem elektrycznym zmienia się w czasie, to w obwodzie tym indukuje się siła elektromotoryczna o wartości: $e = - N\frac{\text{dΦ}}{\text{dt}} = - \frac{\text{dΨ}}{\text{dt}}$. (N – liczba zwojów cewki; Ψ – strumień magnetyczny skojarzony z cewką)
Zastosowanie: elektrownie wiatrowe, prądnice, generatory.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Powstanie napięcia indukowanego w uzwojeniu – lub inaczej mówiąc, siły elektromotorycznej indukowanej – przy jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem, nazywamy zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej.

Indukcyjność własna cewki.

Indukcyjnością własną cewki L nazywamy stosunek strumienia skojarzonego z cewką Ψ do prądu I płynącego przez cewkę: $L = \frac{\Psi}{I}$. Jednostką indukcyjności jest henr [H].

Zjawisko indukcji własnej polega na indukowaniu się siły elektromotorycznej w cewce pod wpływem zmian prądu płynącego przez cewkę. Zjawisko to wykorzystuje się do budowy układów zapłonowych świetlówek.

Siłę elektromotoryczną indukcji własnej, zwaną też siłą elektromotoryczną samoindukcji, wyznaczamy ze wzoru $e_{L} = - \frac{\Psi}{t} = - L\frac{i}{t}$. Wzór ten jest słuszny przy L=const, tzn. nie dotyczy cewek wykonanych z materiału ferromagnetycznego. (Ψ – strumień skojarzony z liczbą zwojów)

Zjawisko indukcji wzajemnej polega na indukowaniu się siły elektromagnetycznej w cewce pod wpływem zmian prądu w innej cewce z nią sprzężonej. Zjawisko to wykorzystuje się do budowy transformatorów.

Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej: $e_{M} = - M\frac{\text{di}}{\text{dt}}.$

Sprzężenie

Sprzężenie magnetyczne powoduje indukowanie się napięcia w cewce od zmian prądu własnego cewki i od zmian prądu cewki z nią sprzężonej.

$M = k\sqrt{L_{1} \bullet L_{2}}$,

dla k=1 – układ idealny, k – współczynnik sprzężenia

Nawinięcie dwóch cewek zgodne	Nawinięcie dwóch cewek przeciwne
L1 + L2 + 2M	L1 + L2 − 2M

I prawo Kirchhoffa dla obwodów magnetycznych.

Suma algebraiczna strumieni magnetycznych w węźle obwodu magnetycznego jest równa zeru: $\sum_{k = 1}^{n}{\Phi_{k} = 0.}$

II prawo Kirchhoffa dla obwodów magnetycznych.

W oczku obwodu magnetycznego suma spadków napięć magnetycznych $\sum_{k = 1}^{n}{\Phi R_{\text{mk}}}$ jest równa sumie sił magnetomotorycznych $\sum_{k = 1}^{n}{H_{k}l_{k}.}$

Prawo Ohma dla obwodów magnetycznych.

$$\Phi = \frac{}{R_{m}} = \Phi R_{m},$$

gdzie: Φ – strumień; ϴ - przepływ (siła magnetomotoryczna); R_m – reluktancja.

Prąd wirowy

W przewodniku masywnym pod wpływem indukowanej siły elektromotorycznej powstają prądy, które ze względu na kołowy kształt ich drogi nazywamy prądami wirowymi. Zwrot prądów wirowych wynika z reguły Lenza.

Maszyny elektryczne

Podstawowymi częściami każdej maszyny elektrycznej wirującej są: ruchomy wirnik (rotor) i nieruchomy stojan (stator). W danej maszynie można wyróżnić dwa obwody elektryczne: obwód uzwojenia stojana i obwód uzwojenia wirnika – wykonane z izolowanego drutu miedzianego lub aluminiowego. Szczotki węglowe, pierścienie ślizgowe, komutator służą do doprowadzenia prądu do uzwojenia wirnika. Materiałami izolacyjnymi są najczęściej folie, papiery, lakiery olejne i żywicowe oraz izolacje mikowe. Trwałość tych materiałów zależna przede wszystkim od temperatury, wilgotności, toksyczności środowiska oraz wibracji, rzutuje na trwałość maszyny.

Obwody magnetyczne maszyn są wykonane z materiałów ferromagnetycznych (stal i żeliwo). Stanowią je uzwojone rdzenie stojana i wirnika. Zadaniem ich jest rozprowadzenie strumieni magnetycznych wytworzonych przez prądy w uzwojeniach.

Jarzmo stanowi podstawowy element konstrukcyjny. Do niego są przymocowane łapy, tarcze łożyskowe, szczotkotrzymacze oraz wszelkiego rodzaju osłony części wirujących i części będących pod napięciem.

Maszyny prądu stałego

Stojan i wirnik, z punktu widzenia spełniających funkcji, nazywamy magneśnicą i twornikiem. W magneśnicy jest wytwarzany strumień magnetyczny, a w tworniku siła elektromotoryczna (sem) i moment elektromagnetyczny. Do jarzma w kształcie cylindra są przymocowane bieguny główne wytwarzające główny strumień magnetyczny oraz, w tej samej liczbie, bieguny komutacyjne służące do poprawienia warunków komutacji.

Maszyny prądu stałego mogą pracować w charakterze silników, prądnic i hamulców. Silniki przetwarzają dostarczoną energię elektryczną na energię mechaniczną, prądnice natomiast zamieniają energię mechaniczną maszyny napędzającej na energię elektryczną. Zjawisko przeciwdziałania momentu elektromagnetycznego momentowi maszyny napędzającej, jakie występuje w prądnicy, można wykorzystać do elektrycznego hamowania.

Komutatorowa maszyna prądu stałego

1 - jarzmo stojana, 2 - biegun główny, 3 - nabiegunniki, 4 - uzwojenie wzbudzenia, 5 - biegun komutacyjny, 6 - uzwojenie biegunów komutacyjnych, 7 - uzwojenie kompensacyjne, 8 - twornik, 9 - uzwojenie twornika, 10 - komutator, 11 - szczotki

Zasada działania

Uzwojenie wzbudzenia mieści się w stojanie, a uzwojenie twornika jest ułożone w żłobkach wirnika. Prąd stały płynący w uzwojeniu wzbudzenia wytwarza pole magnetyczne stałe względem stojana, a wirujące kołowe względem obracającego się wirnika. W wyniku oddziaływania tego pola na prąd twornika powstaje moment elektromagnetyczny. Pole wirujące kołowe charakteryzuje się tym, że oś pola wiruje z pewną prędkością względem elementu odniesienia (w tym przypadku wirnika) przy zachowaniu stałego zwrotu i stałej wartości wzdłuż tej osi.

Pole to wiruje względem obwodu wirnika z prędkością v = 2πnr w kierunku przeciwnym do wirnika obracającego się z prędkością obrotową n (r - promień wirnika). Obraz pola magnetycznego (wykresie poniżej) dotyczy stanu jałowego maszyny. Podczas normalnej pracy maszyny pole magnetyczne jest polem wypadkowym pola magnetycznego od biegunów głównych i pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie twornika. Rozkład indukcji magnetycznej wzdłuż obwodu twornika ulega zniekształceniu, a położenie osi neutralnej przesunięciu. Zjawiska te nasilają się wprost proporcjonalnie do wartości prądu twornika. Powodują one występowanie napięć pomiędzy wycinkami komutatora, zmniejszenie indukowanej siły elektromotorycznej w obwodzie twornika oraz wpływają niekorzystnie na przebieg komutacji, a tym samym na pracę szczotek. Częściowe zmniejszenie skutków oddziaływania twornika osiąga się poprzez zwiększenie szczeliny powietrznej (bardziej równomierny rozkład indukcji) oraz przesuwanie szczotek w kierunku osi neutralnej. Natomiast uzwojenie biegunów komutacyjnych ma za zadanie poprawę komutacji i co za tym idzie uniknięcie iskrzenia szczotek. Bieguny te umieszczone są w strefie gdzie następuje przejście zwojów twornika ze strefy oddziaływania jednego bieguna głównego do drugiego. Indukowana przez uzwojenie biegunów komutacyjnych siła elektromotoryczna znosi siłę elektromotoryczną indukowaną w zwojach w tym rejonie i zapobiega iskrzeniu szczotek. Aby zlikwidować szkodliwy wpływ oddziaływania twornika w dużych maszynach stosuje się uzwojenia kompensacyjne. Uzwojenie to jest rozłożone równomiernie w strefie biegunów głównych i umieszczone w żłobkach nabiegunników. Jest ono połączone szeregowo z uzwojeniem twornika, a zmianie kierunku prądu w obwodzie twornika odpowiada zmiana kierunku prądu w uzwojeniu kompensacyjnym. Stosowanie uzwojenia kompensacyjnego znacznie podraża koszty maszyny, ale pozwala na powiększenie mocy znamionowej maszyny przy tych samych wymiarach i prędkości obrotowej.

Komutator dokonuje przełączeń końców uzwojenia twornika ze szczotkami w chwilach, gdy e = 0, dzięki temu na szczotkach otrzymuje się stale ten sam zwrot sem. Komutator spełnia rolę prostownika mechanicznego.

Komutacja: przełączanie zwojów uzwojenia z jednej gałęzi do drugiej przy użyciu wycinków komutatora i szczotek oraz związane z tym zmiany zwrotu prądu w kolejnych zwojach.

SEM	Moment elektromagnetyczny
ruch wirnika: prędkość kątowa ω [rad/s]
E=CΦω	M = CΦIt
ruch wirnika: prędkość kątowa n [obr/s]
E=CEΦn	M = CMΦIt

C,  C_E,  C_M - stałe współczynniki charakteryzujące uzwojenia i wymiary maszyny.

Praca prądnicowa: wirnik maszyny jest obracany przez inną maszynę wirującą np. przez turbinę. Na zaciskach (szczotkach) prądnicy powstaje wówczas sem, której wartość można regulować przez zmianę prądu wzbudzenia I_w. Praca silnikowa: zaciski maszyny są dołączone do sieci (źródła) prądu stałego o napięciu U

Prądnica	Prądnica i silnik	Silnik
U = E − RtcIt	E = CΦω lub E = CEΦn	U = E + RtcIt
	M = CΦIt lub M = CMΦIt	$$\omega = \frac{U - R_{\text{tc}}I_{t}}{\text{CΦ}}$$
		$$n = \frac{U - R_{\text{tc}}I_{t}}{C_{E}\Phi}$$
Parametry
I,  U,  If,  n		U,  If,  n,  M

A dalej wybitnie mnóstwo fascynujących informacji nt. silników, charakterystyk, rozruchów…

Ze względu na sposób zasilania obwodu wzbudzenia rozróżniamy następujące typy maszyn prądu stałego

• maszyny obcowzbudne (a)

• maszyny samowzbudne: bocznikowe (b); szeregowe (c); szeregowo -bocznikowe (d)

A1 A2 - uzwojenie twornika

B1 B2 - uzwojenie biegunów komutacyjnych

E1 E2 - uzwojenie wzbudzające bocznikowe

D1 D2 - uzwojenie wzbudzające szeregowe

F1 F2 - uzwojenie wzbudzające obce.

Charakterystyka momentu obrotowego M=f(I_t)

Charakterystyka momentu obrotowego silnika bocznikowego

1 - przy pominięciu wpływu oddziaływania twornika; 2 - z uwzględnieniem oddziaływania twornika

Charakterystyka momentu obrotowego jest to zależność pomiędzy momentem elektromagnetycznym rozwijanym przez silnik i prądem twornika, przy stałym prądzie wzbudzenia. Dla stałego strumienia wykres ten będzie linią prostą. Niewielkie odchylenie od tej linii jest skutkiem zmniejszenia się strumienia w wyniku oddziaływania twornika.

Rozruch silnika

W chwili rozruchu n=0, więc prąd rozruchowy wynosi

i jest około 10...30 razy większy od prądu znamionowego, przepływ tak dużego prądu może uszkodzić maszynę, jak również stanowi zbyt duże obciążenie sieci zasilającej. W związku z tym rozruchu silnika dokonuje się poprzez regulację napięcia od 0 do wartości znamionowej lub poprzez włączenie szeregowo z twornikiem regulowanego rezystora zwanego rozrusznikiem.

Przy zastosowaniu rozrusznika prąd rozruchowy:

gdzie: R_r - rezystancja rozrusznika.

Wartość rezystancji R_r dobiera się tak, aby prąd rozruchowy nie przekraczał (1,2...2)I_tn. Rozruch silnika bocznikowego przeprowadza się zmieniając rezystancję R_r od wartości maksymalnej do zera, przy maksymalnym strumieniu wytworzonym przez uzwojenie. Ponieważ będzie zmniejszony prąd I_t dlatego, należy podczas rozruchu zapewnić maksymalny strumień, aby uzyskać duży moment elektromagnetyczny silnika i krótki czas rozruchu. Rozrusznik silnika bocznikowego jest więc zbudowany w taki sposób, aby w obwód twornika włączana była regulowana rezystancja, natomiast obwód wzbudzenia włączany był bezpośrednio do sieci.

Schemat rozrusznika

Wpływ rezystancji rozrusznika na charakterystykę zewnętrzną silnika i przebieg rozruchu:

Regulacja prędkości obrotowej silnika bocznikowego jest możliwa przez:

1. zmianę strumienia magnetycznego,

Zmianę wartości strumienia magnetycznego można uzyskać włączając rezystancję dodatkową do obwodu wzbudzenia. Tym sposobem możemy regulować prędkość w górę.

Charakterystyki zewnętrzne silnika bocznikowego przy różnych wartościach strumienia magnesującego

1. zmianę rezystancji w obwodzie twornika,

Włączenie rezystancji dodatkowej w obwód twornika pozwala uzyskać regulację prędkości w dół. Ze wzoru

wynika, że im większy opór dodatkowy R_d, tym charakterystyka zewnętrzna jest silniej opadająca. A zatem ten sposób regulacji powoduje zmniejszenie sztywności charakterystyki zewnętrznej i wówczas prędkość w znacznym stopniu zależy od obciążenia silnika.

Charakterystyki zewnętrzne silnika bocznikowego przy włączonej szeregowo rezystancji dodatkowej R_d w obwodzie twornika

Dodatkową wadą tego sposobu regulacji prędkości obrotowej są znaczne straty energii wydzielanej w postaci ciepła w oporniku dodatkowym.

1. zmianę napięcia zasilającego

Strat energii można uniknąć poprzez zmianę wartości napięcia zasilającego silnik za pomocą specjalnych układów, np. układu Leonarda lub obecnie najczęściej stosowanego układu tyrystorowego.

Silnik szeregowy

Silniki szeregowe ze względu na swoje właściwości (duży moment rozruchowy i dużą rozpiętość osiąganych prędkości obrotowych) stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (koleje, tramwaje, trolejbusy, kolejki, wózki akumulatorowe), gdzie pracują sprzęgnięte na stałe z osią pojazdu w sposób nierozłączny.

Charakterystyka zewnętrzna n=f(I)

W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzające i uzwojenie twornika połączone są szeregowo, tak więc strumień zmienia się proporcjonalnie do zmian obciążenia. Dla silnika szeregowego

(7.11)

gdzie:

E - indukowana siła elektromotoryczna;

- suma rezystancji obwodu twornika;

R_m - rezystancja uzwojenia wzbudzenia;

DU_p - spadek napięcia na rezystancji przejścia między szczotką a komutatorem ( - pomijalnie mały).

Prędkość obrotowa silnika szeregowego po uwzględnieniu zależności strumienia od prądu twornika przyjmie postać:

(7.12)

gdzie:

Rys.7.10. Charakterystyka zewnętrzna i charakterystyka momentu silnika szeregowego

Ze wzoru (7.12) wynika, że charakterystyka zewnętrzna silnika n=f(I) zdejmowana przy stałym napięciu zasilającym będzie miała kształt hiperboliczny. Przy zmniejszeniu obciążenia poniżej 0,5 I_n następuje znaczny wzrost prędkości obrotowej, co stwarza niebezpieczeństwo rozbiegania się silnika. Rozbieganie się silnika polega na wzroście prędkości obrotowej ponad wartości dopuszczalne, czego konsekwencją jest uszkodzenie części mechanicznych i zniszczenie silnika. Ponadto stanowi niebezpieczeństwo dla obsługi. Całkowite odciążenie silnika szeregowego jest niedopuszczalne. Dlatego silniki szeregowe należy łączyć trwale z napędzanymi przez nie maszynami za pomocą sprzęgieł nierozłączalnych lub przekładni zębatych, a nie przekładni pasowych. Na tabliczce znamionowej silnika szeregowego powinna być podana dopuszczalna obrotowa prędkość maksymalna.

Charakterystyka momentu M=f(I)

Charakterystyka momentu, podobnie jak charakterystyka zewnętrzna wyznaczana jest przy stałym napięciu zasilającym. Kształt tej charakterystyki po uwzględnieniu proporcjonalności strumienia od prądu twornika przyjmie postać:

Wykresem tej charakterystyki jest więc parabola. Cenną właściwością silnika szeregowego jest szybki wzrost momentu przy wzroście prądu, co pozwala na zastosowanie go do pracy w warunkach dużych przeciążeń i ciężkich rozruchów. Na rysunku 7.10 zostały pokazane charakterystyki zewnętrzna i momentu dla silnika szeregowego. W rzeczywistości obydwie charakterystyki dla dużych prądów twornika, w wyniku oddziaływania twornika oraz nasycenia obwodu magnetycznego, nieznacznie odbiegają w stosunku do krzywych wynikających ze wzorów (7.12) i (7.13) (tzn. hiperboli i paraboli).

Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego

Regulację prędkości obrotowej w silniku szeregowym można przeprowadzać przez:

1. zmianę strumienia magnetycznego,

2. zmianę rezystancji w obwodzie twornika,

3. zmianę napięcia zasilającego.

Rys.7.12. Regulacja prędkości obrotowej silnika szeregowego przez bocznikowanie uzwojenia wzbudzającego

Ad.1. Zmianę wartości strumienia magnetycznego osiąga się przez bocznikowanie uzwojenia wzbudzenia lub uzwojenia twornika silnika szeregowego. W pierwszym sposobie, po zbocznikowaniu, przez uzwojenie magnesujące płynie mniejszy prąd i w konsekwencji wzrasta prędkość obrotowa (rys.7.12).

Sposób ten zapewnia regulację prędkości obrotowej w górę. Regulacja prędkości obrotowej przez bocznikowanie uzwojenia twornika jest regulacją w dół. Jest to jednak sposób nieekonomiczny (małe efekty, duże straty energii w boczniku) i rzadko stosowany.

Ad.2. Ten sposób regulacji polega na włączeniu dodatkowej rezystancji szeregowo z twornikiem i umożliwia regulację prędkości obrotowej w dół. Jest to również sposób nieekonomiczny.

Ad.3. Regulację prędkości przez zmianę napięcia zasilającego uzyskuje się przez zmianę napięcia w sieci zasilającej lub przez łączenie szeregowe bądź szeregowo-równoległe dwóch lub więcej mechanicznie ze sobą, sprzęgniętych silników. Najbardziej rozpowszechnionym układem jest układ trakcyjny jako zespół dwóch, czterech lub sześciu silników szeregowych, które początkowo łączy się szeregowo, a następnie równolegle. Na rysunku 7.13 pokazano przykładowo sposób łączenia zespołu dwóch silników. Przy połączeniu szeregowym na każdy silnik przypada połowa napięcia i prędkość obrotowa wynosi według wzoru (7.12):

(7.14)

natomiast przy połączeniu równoległym:

(7.15)

czyli prędkość obrotowa n_r jest prawie dwa razy większa niż n_sz. Układ trakcyjny składający się z czterech silników daje znacznie większe możliwości w zakresie płynności regulacji, gdyż napięcie na silnikach może się zmieniać od 1/4 U (połączenie szeregowe) poprzez 1/2 U (połączenie szeregowo-równoległe) do U (połączenie równoległe). W polskich kolejach stosowane jest napięcie sieci 3kV a napięcie znamionowe silników wynosi 1,5kV, z tego względu silniki pracują zawsze co najmniej po dwa szeregowo, co pozwala na dwa stopnie regulacji dla zespołu czterech silników i trzy stopnie regulacji dla zespołu sześciu silników. Złagodzenie gwałtownej zmiany prądu można osiągać używając rozrusznika podobnie jak przy rozruchu. Odpowiednio zaprojektowany rozrusznik na pracę długotrwałą może pełnić rolę regulatora prędkości. W ten sposób łączy się dwie metody regulacji prędkości, a regulacja staje się bardziej płynna.

Rys.7.13. Układ trakcyjny dwóch silników szeregowych: a) połączenie szeregowe silników;

b) połączenie równoległe silników

1.3. Prądnica bocznikowa i obcowzbudna

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu twornika prądnicy zależy, zgodnie ze wzorem (7.1), od prędkości maszyny napędzającej i strumienia magnesującego. Zgodnie z II prawem Kirchhoffa napięcie na zaciskach prądnicy będzie różnicą pomiędzy indukowaną siłą elektromotoryczną a spadkami napięć na rezystancji obwodu twornika i rezystancji przejścia pomiędzy szczotkami a komutatorem

(7.16)

Warunki wzbudzenia prądnicy samowzbudnej

Uzwojenie wzbudzające prądnicy obcowzbudnej (rys.7.3a) jest zasilane z sieci prądu stałego, natomiast uzwojenie wzbudzające prądnicy bocznikowej samowzbudnej jest równolegle załączone do zacisków twornika. Sposób połączenia zacisków jest zależny od kierunku wirowania maszyny napędzającej; przy wirowaniu w lewo należy połączyć zaciski B2 i E1 oraz A1 i E2, a przy wirowaniu w prawo A1 i E1 oraz B2 i E2. Nieprawidłowe połączenie zacisków spowoduje zlikwidowanie strumienia magnetyzmu szczątkowego maszyny przez prąd płynący w uzwojeniu wzbudzenia, co uniemożliwi wzbudzenie prądnicy. Warunkiem wzbudzenia prądnicy bocznikowej samowzbudnej obok istnienia magnetyzmu szczątkowego jest to, aby rezystancja obwodu wzbudzającego była mniejsza od rezystancji maksymalnej, tzw. krytycznej R_mkr, a prędkość obrotowa większa od prędkości obrotowej minimalnej n_kr przy zachowaniu kierunku zapewniającego wzrost strumienia.

Przebieg charakterystyki biegu jałowego prądnicy E₀=f(I_m) zależy od prędkości maszyny napędzającej. Im wyższa prędkość tym prądnica osiąga wyższe wartości indukowanej siły elektromotorycznej przy tym samym prądzie wzbudzenia I_m. Rezystancja krytyczna R_mkr jest to taka rezystancja uzwojenia wzbudzającego, przy której prosta jest styczna do charakterystyki biegu jałowego prądnicy E₀=f(I_m). Jeżeli R_m<R_mkr, charakterystyki E₀=f(I_m) i przecinają się określając napięcie wzbudzenia prądnicy przy biegu jałowym. Natomiast jeżeli charakterystyki te nie mają punktu wspólnego maszyna nie może pracować jako prądnica samowzbudna. Spełnienie warunków n>n_kr i R_m<R_mkr jak pokazuje rys.7.14 zapewnia przecięcie charakterystyki biegu jałowego prądnicy E₀=f(I_m) z prostą I_mR_m=f(I_m) i ustalenie punktu pracy, to jest napięcia, do którego prądnica może się wzbudzić przy biegu jałowym.

Uruchomienie prądnicy przeprowadzamy przy maksymalnej rezystancji włączonej do obwodu wzbudzenia, którą następnie stopniowo zmniejszamy. Ma to zapobiec pojawieniu się nagle zbyt dużego napięcia na zaciskach prądnicy.

Silniki asynchroniczne są najbardziej rozpowszechnionymi maszynami elektrycznymi, zarówno z uwagi na ich taniość, jak i prostotę budowy i obsługi oraz łatwość konserwacji.

Silnik asynchroniczny składa się z dwóch podstawowych części: nieruchomego stojana i obracającego się wirnika. Zarówno stojan jak i wirnik mają obwody magnetyczne stalowe wykonane z cienkich odizolowanych blach elektrotechnicznych; ma to na celu zmniejszenie strat od prądów wirowych. Na wewnętrznej powierzchni stojana wycięte są żłobki, w których umieszczone jest uzwojenie trójfazowe. Uzwojenie stojana w zależności od napięcia sieci zasilającej oraz znamionowego napięcia silnika może być łączone w gwiazdę lub trójkąt.

Sposoby łączenia uzwojenia stojana: a) w gwiazdę; b) w trójkąt U1, V1, W1 - początki uzwojeń; U2, V2, W2 - końce uzwojeń

W przypadku, gdy napięcie fazowe stojana jest równe napięciu międzyprzewodowemu sieci zasilającej, wówczas silnik powinien być połączony w , natomiast silnik łączymy w gdy napięcie międzyprzewodowe sieci jest razy większe niż napięcie fazowe silnika.

W zależności od rodzaju uzwojenia wirnika rozróżnia się silniki asynchroniczne zwarte (klatkowe) i pierścieniowe.

W silniku asynchronicznym zwartym w żłobkach wirnika znajdują się nieizolowane pręty wykonane z miedzi lub aluminium, zwarte na obydwu czołach wirnika. Na duże moce (nawet rzędu MW) wykonywane są silniki o wirniku klatkowym, tzw. głębokożłobkowe i dwuklatkowe. Silniki te posiadają korzystne charakterystyki rozruchowe.

W silniku asynchronicznym pierścieniowym uzwojenie wirnika wykonane jest przewodami izolowanymi podobnie jak uzwojenie stojana. Uzwojenie to jest najczęściej uzwojeniem trójfazowym skojarzonym trwale w gwiazdę bądź w trójkąt. Łączenie w trójkąt stosuje się dla silników dużych (o mocach >10 kW). Końce uzwojenia doprowadzone są do trzech odizolowanych pierścieni ślizgowych, do których przylegają szczotki węglowe. Do uzwojenia wirnika silnika pierścieniowego można przyłączyć rezystory zewnętrzne, które w zależności od tego, czy przewidziane są do pracy krótkotrwałej lub ciągłej (czyli od przekroju drutu) mogą służyć jako rozruszniki lub regulatory prędkości obrotowej. Silniki asynchroniczne pierścieniowe, jako kosztowniejsze i trudniejsze w obsłudze, nie są tak rozpowszechnione jak silniki zwarte i mają od tych ostatnich mniejszą sprawność i współczynnik mocy. Silniki asynchroniczne pierścieniowe mają za to lepsze właściwości rozruchowe.

Silniki asynchroniczne do sieci mają przyłączone uzwojenie stojana. Uzwojenie wirnika nie ma połączenia elektrycznego z siecią; energia przenoszona jest do tego uzwojenia na drodze indukcji elektromagnetycznej.

Po włączeniu uzwojenia stojana do sieci trójfazowej popłynie w nim prąd, który wytworzy w szczelinie maszyny wirujące pole magnetyczne. Pole to przecinając pręty uzwojenia wirnika indukuje w nich siłę elektromotoryczną. Jeżeli obwód uzwojenia wirnika jest zamknięty, to popłynie w nim prąd, który współdziałając z polem magnetycznym stojana wytworzy siłę działającą na wirnik w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu pola wirującego. Aby więc powstał moment napędowy musi zachodzić przecinanie prętów uzwojenia wirnika przez linie sił pola magnetycznego wirującego, czyli prędkość wirowania wirnika (n) musi być mniejsza od prędkości pola wirującego (prędkości synchronicznej n₁). Względną różnicę tych prędkości nazywamy poślizgiem (s).

(9.1)

Poślizg silnika przy obciążeniu znamionowym wynosi kilka procentów (1,0%...10%) i jest tym mniejszy, im większa jest moc znamionowa. Przy przeciążeniu poślizg wynosi kilkanaście procentów, a podczas biegu jałowego silnika, ułamek procenta. W pierwszej chwili rozruchu, gdy wirnik jest jeszcze nieruchomy, poślizg jest równy 100% (s=1). Gdy wirnik wiruje z pewną prędkością n, wówczas pole wirujące wiruje względem niego z prędkością n₀=n₁-n; częstotliwość prądu w wirniku jest zatem równa:

(9.2)

gdzie: p - liczba par biegunów uzwojenia stojana, f₁ - częstotliwość prądu w stojanie.

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu stojana określona jest następującą zależnością:

(9.3)

gdzie: k₁ - współczynnik uzwojenia stojana, z₁ - liczba zwojów jednej fazy uzwojenia stojana połączonych szeregowo, F_m - strumień magnetyczny.

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu nieruchomego wirnika wyraża się następująco:

(9.4)

gdzie: k₂ - współczynnik uzwojenia wirnika, z₂ - liczba zwojów uzwojenia wirnika.

Siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wirnika pracującego z poślizgiem s określona jest następująco:

(9.5)

Prąd płynący w uzwojeniu wirnika pracującego z poślizgiem s określa zależność:

(9.6)

gdzie: R₂ - rezystancja uzwojenia wirnika, X₂ - reaktancja uzwojenia wirnika.

Moc, jaką otrzymuje wirnik silnika asynchronicznego, przekazywana jest ze stojana za pośrednictwem pola wirującego. Moc pola wirującego P_w jest mniejsza od mocy pobieranej przez silnik z sieci P₁ o straty w uzwojeniu stojana DP_u1 oraz o straty w rdzeniu stojana DP_r1:

(9.7)

Moc pola wirującego zamienia się głównie na moc mechaniczną P_m, jednak część tej mocy tracona jest w uzwojeniach wirnika DP_u2 oraz w rdzeniu wirnika DP_r2. Możemy więc napisać:

(9.8)

W czasie normalnej pracy silnika straty w rdzeniu wirnika są bardzo małe ze względu na małą częstotliwość prądu w wirniku. Można przyjąć:

(9.9)

Moc mechaniczna oddawana na wale silnika P₂ jest mniejsza od mocy mechanicznej P_m rozwijanej przez wirnik o straty mechaniczne DP_m, na które składają się straty tarcia w łożyskach oraz straty wentylacyjne:

(9.10)

Sprawność silnika asynchronicznego określa wyrażenie:

(9.11)

Sprawność silników asynchronicznych przy obciążeniu znamionowym najczęściej wynosi (80...95)%. Zarówno sprawność jak i współczynnik mocy silników obciążonych znamionowo są tym większe, im większa jest ich moc.

Moment elektromagnetyczny silnika asynchronicznego powstaje - jak wiemy - w wyniku dynamicznego oddziaływania wytwarzanego przez stojan pola wirującego na prądy indukowane w uzwojeniach wirnika. Moment ten wyraża się następującą zależnością:

(9.12)

gdzie: c - współczynnik zależny od konstrukcji silnika, Y₂ - kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem wirnika I₂ a siłą elektromotoryczną E₂.

Moment obrotowy M na wale silnika jest mniejszy od momentu elektromagnetycznego o moment strat DM:

(9.13)

Zależność momentu od poślizgu przedstawiono na rys.9.2.

Rys.9.2. Wykres zależności M=f(s)

Moment maksymalny, zwany także momentem utyku wyraża się wzorem

(9.18)

i występuje przy poślizgu utyku

(9.19)

Poślizg utyku wynosi (10...25)%, a niekiedy nawet do 30%. Jeżeli moment oporowy na wale silnika przekroczy wartość momentu maksymalnego, to silnik przechodzi do obszaru pracy niestatecznej i zatrzymuje się (utyka).

Momentem rozruchowym M_R nazywamy moment jaki działa na wirnik w chwili gdy n=0 (s=1).

Na podstawie wzoru (9.14) otrzymuje się więc

(9.20)

Jak wynika ze wzorów (9.18) i (9.19) moment maksymalny nie zależy od rezystancji wirnika R₂, natomiast od tej rezystancji zależy poślizg s_u, przy którym moment ten występuje. Jeżeli zatem w obwód wirnika włączyć dodatkową regulowaną rezystancję R_r (rozrusznik), to zmienia się wartość poślizgu utyku, powodując jednoczesną zmianę wartości momentu rozruchowego M_R (rys.9.3). Rezystancja dodatkowa może być tak dobrana, że moment rozruchowy może być równy momentowi maksymalnemu. Przy dalszym wzroście rezystancji R_r (np. R_r2 na rys.9.3) moment rozruchu będzie malał.

Rys.9.3. Zmiana momentu rozruchowego M_R za pomocą rezystancji dodatkowej

Rozruch silników asynchronicznych zwartych

Rozruch silnika obejmuje okres przejściowy od postoju do stanu pracy ustalonej. Rozruch jest możliwy tylko wtedy, gdy moment elektromagnetyczny silnika przewyższa moment hamujący na wale czyli występuje tzw. moment dynamiczny. Przy określonym momencie bezwładności układu silnik-maszyna robocza, wartość momentu dynamicznego decyduje o czasie trwania rozruchu.

Praca silnika asynchronicznego przy nieruchomym wirniku ze zwartym jego uzwojeniem odpowiada stanowi zwarcia silnika. Pobierany jest wówczas duży prąd rozruchowy, który jest szkodliwy, zarówno ze względu na sam silnik (grzanie uzwojeń) jak i na sieć zasilającą (duże spadki napięć). Dąży się do zmniejszenia prądu rozruchowego, przy czym pożądane jest równocześnie powiększenie momentu rozruchowego silnika.

Zgodnie z wymaganiami normy PN-89E-05012 urządzenia rozruchowe powinny być tak dobrane, aby prąd rozruchu silników o mocy do 5kW nie przekraczał wartości 2,5 I_zn, a dla silników o mocy (5...100)kW - wartości 2,2I_zn lub prąd rozruchu nie przekraczał wartości 60A przy napięciu 380V.

Rozruch bezpośredni

Bezpośrednie przyłączenie do sieci silnika asynchronicznego zwartego związane jest z przepływem znacznego prądu rozruchowego o wartości I_R=(4...8)I_zn. Z tego względu stosowanie rozruchu bezpośredniego w sieci miejskiej niskiego napięcia, przepisy ograniczają do silników o mocy do kilku kilowatów (najczęściej 5kW).

Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt

Przełącznik gwiazda-trójkąt stosowany jest w celu zmniejszenia prądu pobieranego z sieci w chwili rozruchu, przez zmniejszenie napięcia na zaciskach uzwojenia stojana. W pierwszej chwili uruchamiania, uzwojenie stojana połączone jest w gwiazdę, następnie przełączamy je w trójkąt. Jeżeli silnik zasilany jest napięciem, międzyprzewodowym U, to przy połączeniu w gwiazdę, napięcie fazowe wynosi , a przy połączeniu w trójkąt , zatem . Prąd rozruchu przy połączeniu w gwiazdę wynosi

(9.21)

gdzie: Z_fR - impedancja jednej fazy stojana w chwili rozruchu.

Przyjmując, że wartość impedancji Z_fR jest stała, prąd rozruchu przy połączeniu w trójkąt wyniesie:

(9.22)

Dzieląc (9.21) i (9.22) stronami otrzymujemy:

(9.23)

Z powyższego wynika, że zastosowanie przełącznika / powoduje 3-krotne zmniejszenie prądu rozruchu. Zależność nie jest zupełnie ścisła, gdyż impedancja Z_fR nie zachowuje stałej wartości i przy połączeniu w jest ona nieco większa. Tak więc stosunek prądów wypada na ogół mniejszy od .

Ponieważ moment rozruchowy jest proporcjonalny do kwadratu napięcia (patrz wzór (9.20)), stosunek momentu rozruchowego przy połączeniu w do momentu rozruchowego przy połączeniu w wynosi

czyli moment rozruchowy również maleje 3-krotnie, co nie jest korzystne.

Ten sposób rozruchu stosowany jest wówczas, gdy rozruch odbywa się bez obciążenia lub przy niewielkim obciążeniu. Przełączników gwiazda-trójkąt używa się przy uruchamianiu silników średniej mocy (najczęściej do 15kW) i tylko do silników, których uzwojenie stojana w czasie normalnej pracy powinno być połączone w (np. silnik 380/660V w sieci 3x380/220V).

Rozruch za pomocą autotransformatora

Ten sposób rozruchu stosuje się do silników o dużej mocy. Zadaniem autotransformatora jest zmniejszanie napięcia doprowadzanego do silnika do wartości (0,5...0,7)U_zn. Obniżone napięcie U₂ przyłożone do silnika będzie wynosiło

(9.25)

gdzie: U₁ - napięcie sieci, J - przekładnia autotransformatora.

Prąd dopływający do silnika będzie równy

(9.26)

zaś prąd w uzwojeniu pierwotnym autotransformatora

(9.27)

Przy bezpośrednim włączeniu silnika do sieci prąd pobierany z sieci wynosiłby

(9.28)

Dzieląc stronami (9.27) i (9.28) otrzymujemy:

(9.29)

Jak wynika z powyższego wzoru, przez zastosowanie autotransformatora, prąd rozruchu pobierany z sieci zmniejsza się 2-krotnie. W tym samym stosunku maleje jednak moment rozruchowy

(9.30)

gdzie: M_R - moment rozruchowy przy zastosowaniu autotransformatora,

M_Rb - moment rozruchowy przy włączeniu bezpośrednim silnika.

Przykładowo, gdy obniżymy napięcie do 50% wartości znamionowej, to prąd rozruchu i moment rozruchowy stanowią 25% wartości odpowiadających rozruchowi bezpośredniemu.

Rozruch silników asynchronicznych pierścieniowych

Jak wynika ze wzoru (9.6) prąd płynący w uzwojeniu wirnika silnika w chwili rozruchu (s=1) określa zależność

(9.31)

Na podstawie tego wzoru można zauważyć, że zwiększenie rezystancji w obwodzie wirnika spowoduje zmniejszenie prądu w uzwojeniu wirnika w chwili rozruchu, a tym samym i zmniejszenie prądu pobieranego z sieci, przy równoczesnym wzroście wartości momentu rozruchowego (patrz rys.9.3). Włączenie reaktancji wpłynęłoby również na zmniejszenie prądu rozruchowego, jednak wówczas, zgodnie z wzorem (9.12) uległby zmniejszeniu moment rozruchowy ze względu na zmniejszenie cosY₂.

Rezystory włączone w obwód wirnika tworzą trójfazowy rozrusznik. Na rys.9.8 pokazany jest schemat włączenia rozrusznika. Wiele silników wyposażonych jest w urządzenie, które po dokonanym rozruchu zwiera bezpośrednio uzwojenie wirnika i podnosi szczotki. Powoduje to zmniejszenie zużycia pierścieni i szczotek oraz pozwala na zastosowanie mniejszych przekrojów przewodów łączących wirnik silnika z rozrusznikiem.

Przebieg rozruchu silnika asynchronicznego pierścieniowego

Całkowitą rezystancję rozrusznika dobieramy tak, aby moment rozruchowy był mniejszy od momentu maksymalnego. Wartości momentów M’ i M” wynikają z narzuconych warunków rozruchu. Obliczając rozrusznik do silników pierścieniowych najczęściej stosuje się kryterium, aby prąd podczas rozruchu zmieniał się od wartości I_{R max} do I_Rmin.

Silnik po włączeniu do sieci pracuje według charakterystyki 1 przedstawionej na rys.9.4 (odpowiada to położeniu rozrusznika w pozycji 1 - rys.9.8). Gdy silnik osiągnie taką prędkość obrotową, przy której moment obrotowy zmaleje do wartości M” zmniejszamy rezystancję rozrusznika (z pozycji 1 na pozycję 2). Silnik pracuje wówczas według charakterystyki 2, co związane jest ze skokową zmianą momentu do wartości M’. Następnego zmniejszenia rezystancji rozrusznika dokonujemy przy takiej prędkości obrotowej, przy której moment ponownie będzie równy M”. Praca silnika odbywa się wówczas według charakterystyki 3. Wreszcie zwarcie rozrusznika (położenie 4 - rys.9.8) oznacza przejście na charakterystykę 4, wzdłuż której odbywa się normalna praca silnika w punkcie, dla którego moment obrotowy równy jest momentowi hamującemu M_h.

Hamowanie silników asynchronicznych zwartych

Najczęściej stosowanymi sposobami hamowania silników asynchronicznych zwartych są: hamowanie przeciwprądowe i hamowanie prądem stałym. Niekiedy jest stosowane również hamowanie prądnicowe (nadsynchroniczne).

Hamowanie przeciwprądowe

Hamowanie to polega na zmianie kierunku obrotów pola wirującego silnika. Zmianę tę dokonujemy przez przełączenie dwóch dowolnych faz uzwojenia stojana. Po zmianie kierunku pola wirującego poślizg będzie wynosił:

(9.32)

Ponieważ prędkość obrotowa wirnika n jest w przybliżeniu równa n₁, a przy hamowaniu maleje, więc w czasie hamowania poślizg będzie zawarty w granicach: 2 > s > 1.

Z wyrażenia (9.6) wynika, że prąd płynący w okresie hamowania przeciwprądem osiągnie znaczne wartości, większe nawet od prądu rozruchu bezpośredniego. Związane to jest z tym, że w okresie hamowania do silnika posiadającego energię kinetyczną nagromadzoną w wirniku i innych połączonych z nim masach wirujących dostarczona jest również energia pola wirującego. Cała ta energia zamienia się w wirniku na energię cieplną. Czas hamowania silnika jest bardzo krótki i silnik po zatrzymaniu się, może zmienić kierunek wirowania. W praktyce, wykorzystując tego rodzaju hamowanie stosuje się wyłączniki automatyczne (np. odśrodkowe), odłączające silnik od sieci po jego zatrzymaniu. Hamowanie to jest najbardziej skuteczne ze znanych metod hamowania silnika asynchronicznego i bywa stosowane szczególnie tam, gdzie zachodzi niebezpieczeństwo utraty życia lub zdrowia obsługi.

Hamowanie prądem stałym

Hamowanie prądem stałym polega na tym, że po odłączeniu uzwojenia stojana od sieci trójfazowej zostaje ono podłączone do źródła prądu stałego, przy czym fazy stojana mogą być podłączone według jednego z podanych na rys.9.5 układów.

Rys.9.5. Sposoby łączenia faz stojana przy hamowaniu prądem stałym

Prąd stały dołączony jest do zacisków A i B w stojanie. Powstaje wówczas nieruchome pole magnetyczne, które w obracającym się wirniku indukuje siłę elektromotoryczną proporcjonalną do prędkości obrotowej silnika. W zamkniętym obwodzie wirnika (zwartym lub z rezystancją dodatkową) popłynie prąd, który wytwarza moment hamujący zmniejszający prędkość obrotową do zera.

Hamowanie prądem stałym jest mniej skuteczne w porównaniu z hamowaniem przeciwprądem, ale jest ono łagodne i po osiągnięciu prędkości obrotowej równej zeru nie zachodzi zmiana kierunku wirowania. W czasie hamowania, z sieci pobierana jest tylko energia potrzebna do wzbudzenia, zatem znacznie mniejsza jest ilość ciepła wydzielanego w uzwojeniach silnika.