Kolokwium K1-1
1. Wymienić i opisać rodzaje sterowania silnika dwufazowego Jakie warunki musza być spełnione aby wirnik tego silnika wykonywał ruch obrotowy.
W silniku dwufazowym można wykorzystać sterowanie:
· amplitudowe
· fazowe
· amplitudowo-fazowe
Przy sterowaniu amplitudowym silnik jest zasilany napięciem dwufazowym.
Dwufazowy układ napięć można łatwo otrzymać, np.: z sieci trójfazowej czteroprzewodowej,
jeśli jedno z uzwojeń zasila się napięciem fazowym L1-N, natomiast drugie uzwojenie
napięciem międzyprzewodowym L2-L3. Sterowanie amplitudowe polega na regulacji
amplitudy napięcia zasilającego jedno z uzwojeń silnika. Przesuniecie fazowe względem napięcia wzbudzenia jest stałe (90st). Regulacja amplitudy może odbywać się np. autotransformatorem.
Aby zrealizować sterowanie fazowe, do obwodu dwufazowego zasilającego silnik
należy włączyć przesuwnik fazowy. Przy sterowaniu fazowym należy zmieniać fazę napięcia
zasilającego jedno z uzwojeń silnika przy stałej amplitudzie napięć. Regulacja fazowa może odbywać się np. przesuwnikiem fazowym.
Najprostszym przypadkiem sterowania jest sterowanie amplitudowo-fazowe. Przy tym
sposobie sterowania silnik jest zasilany napięciem jednofazowym. Dla uzyskania niezbędnego przesunięcia fazowego prądów, do obwodu uzwojenia wzbudzenia załącza się kondensator. Silnikiem steruje się przez zmianę amplitudy napięcia zasilającego uzwojenie sterujące
Wirnik silnika będzie wprawiony w ruch obrotowy jeśli:
- istnieje pole wirujące stojana,
- uzwojenia wirnika są zwarte,
- moment elektromagnetyczny silnika jest większy od momentu mechanicznego i momentu bezwładności.
W żłobkach stojana silnika dwufazowego umieszczone są dwa uzwojenia o osiach
przesuniętych o 90°.Jedno z uzwojeń nazywa się wzbudzającym, drugie sterującym.
Jeśli uzwojenia te są zasilane napięciami o tej samej częstotliwości i amplitudzie, lecz przesuniętymi w fazie to w przestrzeni wirnika tworzy się pole wirujące o częstotliwości napięcia zasilania. Pole wirujące indukuje w wirniku siłę elektromotoryczną i prąd, który wytwarza własny strumień magnetyczny. Wzajemne oddziaływanie strumieni daje moment obracający wirnik zgodnie z kierunkiem wirowania pola.
2. Budowa silnika uniwersalnego
Różnica konstrukcyjna między zwykłym silnikiem szeregowym prądu stałego a silnikiem uniwersalnym polega na tym, że zarówno wirnik, jak i obwód magnetyczny stojana są wykonane w całości z blach magnetycznych, aby straty w żelazie pod wpływem zmiennego strumienia magnetycznego były jak najmniejsze.
STOJAN - wykonany jest z jarzma, biegunów głównych i komutacyjnych, na które nawinięte są uzwojenia biegunów głównych i komutacyjnych.
Jarzmo - wykonane jest jako odlew staliwny lub żeliwny. Jest częścią obwodu magnetycznego, a także pełni rolę konstrukcyjną jako kadłub. Do niego przymocowane są wszystkie stałe elementy stojana.
Bieguny główne - wykonane są z pakietu blach. Zwiększają główny strumień magnetyczny. Są przymocowane są do kadłuba.
Uzwojenie biegunów głównych - wykonane jest z taśmy miedzianej i pokryte izolacją. Uzwojenie te obok uzwojenia wirnika jest głównym uzwojeniem w maszynie elektrycznej. Służy ono do wytwarzania głównego strumienia magnetycznego i nawinięte jest na bieguny główne.
Bieguny komutacyjne - wykonane są jako kawałki stali i umocowane w jarzmie stojana za pomocą śrub. Liczba biegunów komutacyjnych jest równa liczbie biegunów głównych.
Uzwojenie komutacyjne - wykonane jest tak jak uzwojenie biegunów głównych. Jego zadaniem jest wytwarzanie strumienia magnetycznego poprawiającego warunki komutacji. Nawinięte jest na bieguny komutacyjne.
Nabiegunnik - umieszczony jest na podziałce biegunowej biegunów głównych, wyznacza kształt szczeliny powietrznej między biegunami a wirnikiem.
Uzwojenie kompensacyjne - umieszczone jest w postaci prętów izolowanych w żłobkach nabiegunników. Zadaniem tego uzwojenia jest kompensowanie szkodliwego oddziaływania pola magnetycznego wirnika na pole biegunów głównych
Oprócz podstawowych wyżej wymienionych części w stojanie znajdują się także łożyska wału.
WIRNIK - jest częścią ruchomą zamocowaną we wnętrzu stojana za pomocą łożysk. Wirnik zbudowany jest z wału, na który naprasowana jest tulejka, a na niej znajduje się pakiet blach ściśnięty z obu stron tarczami. Blachy te są złożone w taki sposób że tworzą żłobki w których ułożone jest uzwojenie wirnika. Uzwojenie te składa się z zezwojów, których końcówki zamocowane są galwanicznie do komutatora.
Wał - wykonany jest jako stalowy odlew stanowiący rdzeń wirnika. Wał silnika wychodzi z jednej strony poza stojan i napędza inne urządzenie lub mechanizm.
Uzwojenie wirnika - wykonane jest z prętów miedzianych izolowanych lakierem lub innym taśmą izolacyjną. Ułożone jest w żłobkach, które tworzą blachy wirnika. Uzwojenie te jest podzielone na kilkanaście zezwojów, które są przyłączone do poszczególnych wycinków komutatora
Komutator - wykonany jest w postaci kilkunastu lub kilkuset wycinków (działek) miedzianych, brązowych lub z mosiądzu izolowanych względem siebie. Komutator umieszczony jest na wale wirnika. Zadaniem komutatora jest odwracanie kierunku prądu doprowadzanego ze szczotek do poszczególnych gałęzi wirnika
Szczotki - wykonane są z węgla elektrografitowego, osadzone w izolowanych trzymadłach (szczotkotrzymaczach). W silniku jest tyle szczotkotrzymaczy ile jest biegunów głównych, a liczba gałęzi równoległych zależy od rodzaju uzwojenia. W każdym z szczotkotrzymaczy są 2 lub 4 szczotki pracujące równolegle.
3. Wymienić cechy charakterystyczne silników wykonawczyvh prądu stałego
Silniki wykonawcze pradu stałego – są to zwykłe silniki sterowane napięciem wirnika przy stałym wzbudzeniu. Z reguły te silniki mają wzbudzenie w postaci magnesu trwałego. Silniki wykonawcze prądu stałego nie posiadają własności samohamowności przy przerwie obwodu sterowania. Dlatego wyposaża się je dodatkowo w hamulec zwalniany z chwilą pojawienia się sygnału sterującego.
Cechy silnika wykonawczego:
1. Liniowość charakterystyki mechanicznej n=f(M),
2. Liniowość charakterystyki regulacyjnej n=f(Us),
3. Samohamowność
4. Duża szybkość działania,
5. Duży moment rozruchowy,
6. Mała moc sterująca przy dużej mocy na wale,
7. Małe wymiary i masa.
4. Zastosowanie zwoju zwartego w silnikach indukcyjnych jednofazowych małej mocy
Jednofazowy silnik klatkowy zbudowany jest podobnie jak silnik trójfazowy, tzn.
składa się ze stojana i wirnika klatkowego.
Pulsujący strumień można rozłożyć na dwa przepływy wypadkowe wirujące w przeciwnych kierunkach z prędkością synchroniczną dla danej liczby par biegunów.
Dla n = 0 momenty rozruchowe pochodzące od obu pól wirujących są sobie równe i przeciwnie skierowane, wskutek czego wypadkowy moment rozruchowy równa się zeru i
silnik nie może sam ruszyć z miejsca. Jeżeli jednak wirnikowi nadamy początkową prędkość
np. przez pokręcenie ręką wirnika, wówczas występuje przewaga momentu napędowego nad hamującym i silnik zaczyna się obracać.
Brak momentu rozruchowego jest poważna wada tych silników. Aby ja usunąć stosuje
się w stojanie drugie uzwojenie, zwane faza rozruchowa. Obydwa uzwojenia są przesunięte
względem siebie w maszynie dwubiegunowej o kat 90°. Prądy płynące w tych uzwojeniach
powinny być względem siebie przesunięte w fazie o 1/4 okresu. Dla osiągniecia tego stosuje się rozwiązania silników jednofazowych klatkowych:
1. Silniki z faza rozruchowa kondensatorowa,
2. Silniki z faza rozruchowa oporowa
3. Silniki ze zwartym zezwojem
Silniki ze zwartym zwojem posiadają w stojanie dwa bieguny częściowo rozcięte, na których znajdują się uzwojenia jednofazowe zasilane z sieci, obejmujące cały biegun i zwoje zwarte, obejmujące cześć bieguna. Bieguny te wytwarzają dwa strumienie magnetyczne, przecinające wirnik. Prądy płynące w zwojach zwartych powodują, że strumień pierwszy jest przesunięty w fazie w stosunku do strumienia drugiego. Obydwa strumienie przesunięte względem siebie wytwarzają wspólnie wypadkowy strumień magnetyczny wirujący. Dzięki temu wirnik może sam ruszyć, gdyż istnieje moment rozruchowy podobnie jak w silniku klatkowym trójfazowym.
Kolokwium K1-2
1. Wymienić główne cechy charakterystyczne silnika wykonawczego prądu stałego
Patrz K1-1 ptk. 3
2. Sinik uniwersalny – wyjaśnić uniwersalność
Silnik uniwersalny to komutatorowy silnik szeregowy. Uniwersalność polega na tym że może być zasilany zarówno napięciem stałym, jak i przemiennym.
Dzięki temu mogę być zasilane wprost z sieci zasilającej.Mają duży moment rozruchowy i nie potrzebują kondensatora jak jednofazowe silniki indukcyjne , są od nich lżejsze i osiągają wyższe obroty. Silniki komutatorowe prądu zmiennego o mocy od kilkudziesięciu W do 2 kW stosowane są w do napędu wielu urządzeń domowych .
3. Wymienić rodzaje silników indukcyjnych jednofazowych małej mocy
- Silniki z faza rozruchowa kondensatorowa maja fazę rozruchowa przyłączoną do
sieci szeregowo z kondensatorem C. Silnik z faza rozruchowa kondensatorowa jest w istocie silnikiem dwufazowym, zasilanym jednofazowo.
- Silniki z faza rozruchowa oporowa maja fazę rozruchowa nawiniętą drutem
oporowym izolowanym. Fazę te włącza się tylko na czas rozruchu, po czym powinna ona być
wyłączona, gdyż duża ilość wydzielonego w drucie oporowym ciepła może po dłuższym
czasie spowodować nadmierny wzrost temperatury, grożący spaleniem izolacji uzwojenia. Do
odłączenia fazy rozruchowej po zakończonym rozruchu służy wyłącznik odśrodkowy
- silnik z kondensatorem pracy ( praca przy obciążeniu znamionowym)
- z uzwojeniem pomocniczym zwartym (patrz K1-1 ptk 4)
4. Wymienić i opisać rodzaje sterowania silnika dwufazowego
Patrz K1-1 ptk. 1
Z poprzednich lat
1. Wymienić znane silniki wykonawcze prądu stałego. Jak rozumiesz słowo "wykonawcze" ?
Silniki wykonawcze - elektromechaniczne przetworniki energii pracujące w
układach automatyki, przekształcające energię elektryczną w przemieszczenie kątowe wału, prędkość oraz moment obrotowy sposób jednoznaczny, najlepiej proporcjonalny.
Rodzaje silników wykonawczych prądu stałego:
1. Rozwiązania konwencjonalne silnika prądu stałego
2. Silniki o odmiennych specyficznych konstrukcjach:
- Silnik wykonawczy elektromagnetyczny obcowzbudny
- Silnik wykonawczy magnetoelektryczny tarczowy
- silnik o wirniku bezrdzeniowym
- silnik o komutacji bezzestykowej (elektronicznej)
2. Jaka jest różnica w budowie silnika komutatorowego uniwersalnego a silnika szeregowego i z czego ta różnica wynika.
Różnica konstrukcyjna między zwykłym silnikiem szeregowym prądu stałego a silnikiem uniwersalnym polega na tym, że zarówno wirnik, jak i obwód magnetyczny stojana są wykonane w całości z blach magnetycznych, aby straty w żelazie pod wpływem zmiennego strumienia magnetycznego były jak najmniejsze.
Twornik silnika ma najczęściej uzwojenie pętlicowe proste. W żłobkach nabiegunników maszyn o większych mocach umieszczone jest uzwojenie kompensacyjne, a między biegunami głównymi – bieguny komutacyjne. Ponieważ strumień oddziaływania twornika jest strumieniem przemiennym, uzwojenie kompensacyjne nie musi być galwanicznie połączone z uzwojeniem twornika. Może ono być zamknięte i działać jak uzwojenie wtórne transformatora w stanie zwarcia. Jednak, ze względu na istnienie strumieni rozproszenia, strumień oddziaływania twornika nie może być tą metodą skompensowany w całości.
Silnik uniwersalny działa identycznie jak silnik szeregowy prądu stałego.
Jeżeli w silniku szeregowym prądu stałego zmienić biegunowość napięcia zasilającego, to jednocześnie zmieni się kierunek prądu twornika i kierunek strumienia głównego, zatem kierunek momentu obrotowego nie ulegnie zmianie. W silniku takim, zasilanym napięciem przemiennym, prąd zmienia się periodycznie, równocześnie w uzwojeniu twornika i uzwojeniu wzbudzenia, zatem kierunek działania momentu pozostaje nie zmieniony. Kierunek ten zależy jedynie od wzajemnego połączenia początków i końców obydwu uzwojeń silnika.
3. Gdzie stosowane są silniki uniwersalne
Silniki uniwersalne zasilane prądem stałym, stosowane są w modelarstwie, zabawkach mechanicznych, w samochodach (napęd wycieraczek, podnoszenia szyb, rozrusznik), urządzeniach domowych zasilanych z baterii lub z sieci. Silniki dużej mocy, nawet do kilkuset kW, są wykorzystywane w przemyśle i transporcie do napędu urządzeń, które wymagają rozruchu pod obciążeniem i regulacji prędkości obrotowej jako silniki trakcyjne (tramwaje, lokomotywy), napędu walcarek czy kopalnianych maszyn wyciągowych.
4. Narysować charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego 1-fazowego. Co należy zrobić, aby uruchomiać taki silnik