Budowa maszyny synchronicznej.Obwód magnet.stojana tworzą pakiety blach o grubości=0,5mm osadzone w korpusie,wykonanym jako konstrukcja spawana lub odlew.W celu zwiększenia pow.chłodzącej i skierowania czynnika chłodzącego(powietrza,wodoru)do wnętrza rdzenia,obwód magn.większych maszyn składa się z pakietów o gr.5cm,przedzielonych kanałami wentylacyjnymi.W żłobkach stojana umieszczone jest uzw.twornika.Stojan maszyny synchr. nie różni w istocie od stojana maszyny asynchr.Wirnik wykonuje się w dwojaki sposób(cylindryczne i z biegunami jawnymi).Wykonywane są jako jednolite

odkuwki stalowe,rys.)Aby zapewnic możliwie najkorzystniejsze warunki oraz uzyskać rozkład indukcji w szczelinie jak najbardziej zbliżony do sinusoidalnego,uzw.wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w żłobkach,zajmujących 2/3obwodu wirnika. W ten sposób powstają zęby szerokie na obwodzie wirnika.Uzwojenie wzbudzenia zabezpiecza się przed wypadnięciem ze żłobków stalowymi klinami.Kliny mogą spełniać rolę prętów klatki tłumiącej.Zasada działania maszyny synchronicznej.rys2)Uzwojenie wzbudzenia zasilana jest prądem stałym.Napięcia indukowane w uzwojeniach 3-fazowych mają częstotliwość f=pn ;p-liczba par biegunów.Generatory-szybkobieżne p=1 lub p=2,wolnobieżne p>2;Jako silnik-zasilane uzwojenie 3-fazowym prądem to otrzymamy pole wirujące.Pole stojana łapie pole wirnika i wirują z prędk. Synchroniczną.rys3.)W miarę zwiększenia obciążenia wzrasta kąt mocy.Gdy kąt przekracza ၐ/2 -wypadanie z synchronizmu,rys4)Bieg jałowy prądnicy synchronicznej.W uzwojeniu twornika nie płynie prąd.Prąd płynie w uzwojeniu wzbudzenia zasilanego z wzbudnicy.Pole magn.wytworzone jest wyłącznie przez prąd wzbudzenia.Linie pola przechodzą z wirnika poprzez szczelinę do stojana i sprzęga się z uzw. stojana-strumień główny၆.Sprzęgają się one zarówno z uzw. wirnika jak i stojana.Strumień stojana i strumień wirnika są strumieniami o tej samej liczbie par biegunów.Tworzą one strumień wypadkowy wirujący z prędkością synchroniczną.rys5)Bieg jałowy prądnicy synch.Napięcie indukowane w uzwojeniach prądnicy synch.wyraża się taką samą zależnością jak w asynch.U_i=4,44Nf၆k_u Uzwojenia prądnic synch.wykonywane są najczęściej jako dwuwarstwowe skrócone cięciwowe o skrócie równym-0,8 rys6)Napięcie na zaciskach prądnicy biegnącej jałowo jest równe napięciu indukowanemu w uzw. twornika.Wartość jego zależy od wartości prądu wzbudzenia.Zależność tą przy n=const nazywamy char-tyką biegu jałowego prądnicy.Ponieważ indukowane napięcie jest proporcjonalne do wartości strumienia głównego,więc char-ka biegu jałowego ma taki sam przebieg jak ch-ka magnesowania maszyny.Ch-ki obciążenia:Jest to zależność nap. Na zaciskach prądnicy w funkcji prądu wzbudzenia najczęściej przy I=I N=const, u=const, cosၪ=const.rys7)Wzrostowi prądu obciążenia o char-rze indukcyjnym odpowiada znmiejszenie się napięcia na zaciskach prądnicy podczas,gdy wzrostowi prądu obciążenia o ch-rze pojemn.odpowiada w zakresie od biegu jałowego do obciążenia znamionowego na ogół wzrost tego napięcia.Wynika to z magnesującego działania przepływu twornika przy obciążeniach o ch-rze pojemn. Oraz rozmagnesowującego działania przepływu twornika przy obciążeniach o ch-rze ind.Krzywe V:Podają one zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia I=f(If) przy stałym napięciu U,stałej częst. F i stałej mocy czynnej P.rys.8)Maszyna synch.przewzbudzona niezaleznie od tego czy pracuje jako silnik czy prądnica zawsze wydaje moc bierną indukcyjną do sieci.Maszyna synch. Niewzbudzona niezaleznie od tego czy pracuje jako silnik czy prądnica zawsze pobiera moc bierną indukcyjną z sieci(tylko część mocy resztę sama sobie wytwarza).Linia łącząca minima krzywych V przechodząca przez punkty C1,3,C2,C4 dzieli cały obszar pracy na dwie części: praca przy obciążeniu o ch-rze indukc.odpowiada obszarowi na prawo przy pracy prądnicowej i na lewo przy pracy silnikowej,natomiast praca przy obciązeniu o ch-rze pojemn. Odpowiada obszarowi na prawo przy pracy silnikowej i lewo przy pracy prądnicowej.Synchronizacja: Brak udaru prądu przy przyłączaniu prądnicy do sieci będzie możliwy przy spełnieniu następujących warunków:1.Równość wartości skutecznych napięć generatora i sieci,2.Równość częst. napięć generatora i sieci,3.Brak przesunięcia fazowego pomiędzy odpowiednimi napięciami gen.i sieci,4.Zgodność kolejności faz napięcia sieci i gen.; Najważniejszym warunkiem z podanych jest zgodność kolejności faz gen. i sieci.Spełnienie tego warunku doprowadziłoby do zwarcia awaryjnego.Niespełnienie pozostałych warunków wywołałoby krótkotrwały przepływ prądów wyrównawczych,które praktycznie zanikają przy biegu synch. Maszyny,rys.9)Sposoby synch.,1) na ciemno: Jeżeli żarówki zapalają się i gasną równocześnie to świadczy to o zgodności faz.Wyłącznik zamykamy wtedy,gdy woltomierz wskaże 0.Gdy kolejność faz będzie różna wówczas żarówki będo kolejno zapalały się i gasły (światło wirujące).W tym przypadku należy zamienić duże dowolne fazy.Od strony generatora bądź sieci.Synchronizacja na światło wirujące:,rys.10)W przypadku zgodnej kolejności faz żarówki będą zapalały się i gasły kolejno tworząc układ wirujący.Prędkość wirowania światła będzie zalezała od różnicy częst. napięć gen. i sieci.Dla częst. wyższej od sieciowej światła wirują w jedną stronę natomiast dla częst. niższej od sieciowej światła będą wirowały w stronę przeciwną.Jeżeli kolejność faz jest różna to żarówki zapalają się i gasną równocześnie.W praktyce używa się tzw. synchroskopów-silników zasilanych dwustronnie,których częst. wirowania związana jest z różnicą częst. sieci i gen. Samosynchronizacja-polega na przyłączeniu do sieci prądnicy niewzbudzonej i doprowadzenie do prędkości bliskiej synchronicznej.Im mniejszy jest poślizg w chwili przyłącznia maszyny do sieci tym mniejszy udar prądu.Po przyłączeniu prądnica zasila się prądem obwodu wzbudzenia i maszyna wpada w synchr.Rozruch silnika synchronicznego:,rys.11)W przypadku silnika wzbudzonego dla n=0 moment wypadkowy będzie =0.,1)Rozruch za pomocą obcej maszyny.W przypadku takiego rozruchu konieczna jest maszyna dodatkowa najczęściej silnik ind. Wirnik silnika synchr. doprowadzony jest do prędkości podsynchronicznej poczym następuje załączenie się.Stosunkowo rzadko stosowany.,2)Rozruch częstotliwościowy: W układach tradycyjnych rozruch ten można było poprowadzić zasilając silnik ze źródła o regulowanej częst. jakim była prądnica synch. Maszyna synch. Połączona na stałe z przemiennikiem f nosi nazwę maszyny przekształtnikowej.,3)Rozruch asynch. Ten sposób rozruchu jest możliwy do przeprowadzenia w silnikach wyposażonych w klatkę rozruchową,bądź tez jeżeli maszyna posiada lite nabiegunniki.Pręty klatki rozruchowej umieszczone są w nabiegunnikach a ich końce zwarte sa przez pierścienie tworząc uzw. klatkowe.Po osiągnięciu prędkości synch.zasila się obwod wzbudzenia i silnik wpada w synchronizm.Jeżeli silnik pracuje już z prędkością synch. W klatce rozruchowej nieruchomej w stosunku do pola wirującego nie indukuje się już żadne napięcia.Kompensator synchroniczny:rys.12)Icz - składowa czynna wynikająca ze strat w przebiegu jałowym, Ibier -składowa bierna odpowiedzialna za wytworzenie mocy biernej.; Kompensator synchroniczny- maszyna synch. Biegnąca jałowo pracująca przy przedwzbudzeniem.Budowane sa jako maszyny wydatnobiegunowe gdyz w maszynach tych prąd wzbudzeniowy noze zmieniac się w szerokich granicach i mimo tego maszyna nie wypadnie z synchronizmu wskutek istnienia momentu reluktancyjnego.Kompensatory te wyposarza się w automatyczne regulatory wzbudzenia uzależnione od napięcia sieci.Zadania kompensatorów:1)Regulacja rozpływu mocy w sieci,2)zmniejszenie wahań napięcia w sieci,3)Zwiększenie mozliwości wykorzystania generatorów sieci i transformatorów przez zmniejszenie ich obciązenia mocą bierną,rys.13)Moment elektromagnetyczny maszyny cylindrycznej:Do rozważań posłużymy się schematem zastępczym i odpowiadającemu mu wykresowi fazowemu, rys15) W przypadku pracy prądnicowej napiecie indukowane wyprzedza napiecie sieci.W przypadku pracy silnikowej napiecie indukowane jest opóźnione w stosunku do napiecia sieci. Moc pobierana z sieci:______________________ Moment elektromagnetyczny: __________________ Przy pominieciu strat moc wydawana będzie równa mocy pobieranej. __________ Moment elektromagnetyczny maszyny o biegunach wyd. Dla maszyny z biegunami wydatnymi moment elektromagnetyczny wyrazi się zależnością: T_e=
[ (U_pnU_i/X_d )sin၊+U²_pn/2(1/X_q-1/X_d)sin2၊; T_e=T_c+T_r; W przypadku maszyny synchronicznej z biegunami wydatnymi moment elektromagnetyczny T_e ma duze składowe:Tc-moment synch. jak w maszynie cylindryzcnej, Tr-moment reaktancyjny związany z niesymetią magnetyczną wirnika,zależy od kwadratu napiecia zasilania i od różnicy przewodności magnetycznych osi poprzcznej i podłużnej,udział tego momentu w typowych maszynach wynosi 15-25%, rys16) W przypadku kiedy nie jest zasilane uzwojenie wzbudzenia maszyna jest w stanie wydać pewien moment na wale (praca silnikowa) bądź wydać pewną moc do sieci.Maszyny o biegunach wydatnych lepiej się utrzymują w synchronizacji niż maszyny cylindryczne.Ch-ki zewnętrzne i regulacyjne prądnicy:Zewnętrzne:Jest to zależność U na zasilaniu prądnicy w funkcji prądu twornika dla n=const. (f=const.),cosၪ=const.,rys17) U₀(I_fn) -jest to wartość napiecia przybiegu jałowym prądnicy otrzymane przy zasilaniu uzwojenia wzbudzenia prądem I_fn, takim ze dla duzego obciążenia przy prądzie I_N wystąpi na zaciskach prądnicy napięcie Un.;Char-ki regulacyjne: Jest to zależnosc prądu wzbudzenia maszyny w funkcji prądu twornika przy U=Un=const.,n=const.,f=const,cosၪ=const. Rys17) I_f0- wartosc prądu wzbudzenia przy,którym napiecie na zaciskach prądnicy jest równe napieciu znamionowemu. Dla obciazenia znamionowego i dla znamionowego współczynnika mocy prąd wzbudzenia dla utrzymania napiecia znamionowego na zaciskach może być nawet 2-krotnie wiekszy niż przy biegu jałowym.Regulacja mocy czynnej i biernej w prądnicy: Regulacja mocy biernej:Moc bierną regulujemy poprzez zmiane prądu wzbudzenia,1) Maszyna przewzbudzona-wydaje moc bierną indukcyjną do sieci(zachowuje się jak kondensator).Przewzbudna maszyna jest kompensatorem synch-nym,2)Maszyna niedowzbudna-pobiera moc bierną indukcyjna z sieci.Jest to przypadek niekorzystny.Generator synch. pracujący w układzie elektromagnetycznym oprócz mocy czynnej wytwarza pewną ilość mocy biernej indukcyjnej.; Regulacja mocy czynnej:Moc czynna generatora regulujemy poprzez zwiekszenie momentu napędowego na wale generatora.Następuje wtedy przesuniecie wirnika do pola stojana,tj.napiecia indukowanego w stosunku do napiecia sieci o odpowiedni kąt pracy,rys18) linie przerywane-dodajemy gazu __________________________ Wzrost kąta mocy spowoduje wzrost prądu prądnicy i wzrost jego składowej czynnej.Moc czynna wydawana do sieci ulega zwiekszeniu.

Transformatory.

1.Budowa i zasada działania. Transformator jest to urządzenie działające na zasadzie indukcji elektromagnetycznej przeznaczone do zamiany danej energii elektrycznej w elektryczną o innych parametrach tj. innym napięciu i prądzie.; W transformatorze możemy wydzielić dwa obwody: 1.magnetyczny-związany z rdzeniem, 2.elektryczny-związany z uzwojeniami.; Napięcia indukowane w uzwojeniach, przekładnie. (rys) Ψ₁=N₁∙Φ; Ψ₂=N₂∙Φ; u_i1=dΨ₁/dt=N₁∙dΦ/dt; u_i2=dΨ₂/dt= N₂∙dΦ/dt; Φ=Φ_m∙sinωt czyli napięcia indukowane w uzwojeniach:; u_i1=N₁∙ω∙Φ_m∙cosωt; u_i2=N₂∙ω∙Φ_m∙cosωt; Napięcia indukowane w jednym i drugim uzwojeniu będą ze sobą w fazie natomiast ich przesunięcie względem strumienia będzie wynosiło π/2. Amplitudy napięć indukowanych: u_i1m=N₁∙ω∙ Φ_m; u_i2m=N₂∙ω∙ Φ_m; u_i1=2πf/√2׀∙N₁∙ Φ_m; u_i2=2πf/√2׀∙N₂∙ Φ_m; u_i1=4,44∙N₁∙f∙Φ_m; u_i2=4,44∙N₂∙f∙Φ_m; Przekładnia napięciowa: Ku=u_i1/u_i2; Przekładnia zwojowa: n=N₁/N₂;.

2.Stan jałowy tr. (rys.) Strumień główny- jest to strumień który sprzęga oba uzwojenia transformatora.; Strumień sprzężony rozproszony Ψ_б1=N₁∙Φ_б1; Strumienie rozproszone cechuje to, że sprzęgają się tylko z tym uzwojeniem które je wytwarza. u_iб1=4,44∙N₁∙f∙Φ_mб1- napięcie indukowane.; Wartość strumienia rozproszenia jest proporcjonalna do prądu płynącego w uzwojeniu.; Skuteczną wartość napięcia indukowanego przez strumień rozproszenia Φ_б1 można zapisać: Ux₁=jx₁I₀; U_iб1=Ux₁; Strata napięcia na rezystancji uzwojenia pierwotnego: U_R1=R₁∙I₀.

Schemat i wykres fazorowy dla stanu jałowego. (2rys.) W stanie jałowym możemy pomierzyć moc pobieraną przez transformator, prąd pobierany z sieci oraz wartość napięcia zasilającego. Z tego można określić parametry gałęzi poprzecznej transf. R_Fe i x_μ. Pomijamy straty w uzwojeniu i straty napięć U_R1 i U_x1; Moc stanu jałowego P₀=P_Fe=I_Fe²∙R_Fe; P₀=U_i∙I_Fe stąd I_Fe=P₀/U_i=P₀/U₁; R_Fe=P₀/I_Fe²=U₁²/P₀; I_μ=√I₀²-I_Fe²׀; reaktancja magnesująca: x_μ=U₁/I_μ=U₁/√I₀²-I_Fe²׀.

3.Straty stanu jałowego. Straty w żelazie: 1.Straty histerezowe- są to straty proporcjonalne do częstotliwości przemagnesowywania P_Hy=k_Hy∙f∙ B_m^x∙m, dla zastosowań technicznych przyjmuje się, że x=2. (rys. histereza). Przy magnesowaniu stali energia pola magnetycznego wzrasta, przy rozmagnesowaniu część energii wraca do źródła a reszta zamienia się na ciepło wskutek tarcia cząstek przy przemagnesowywaniu. Energia tracona jest proporcjonalna do powierzchni zakreślanej przez pętlę histerezy. 2.Straty wiroprądowe- są to straty proporcjonalne do kwadratu częstotliwości przemagnesowywania P_Ft=k_Ft∙f ²∙B_m²∙m, wywołują je prądy wirowe w wyniku których indukuje się SEM w uzwojeniach i rdzeniach powodujące straty mocy.; Straty całkowite: P_Fe=P_Hy+P_Ft=B_m²(k_Hy∙f+k_Ft∙f ²)∙m; Wzór Vidmara do obliczania strat całkowitych: P_Fe=Δp_Bm,f ∙(f_x/f)^4/3∙(B_mx/B_m)²∙m.

4.Kształt prądu jałowego. Zakłada się, że napięcie zasilające U₁ i napięcie indukowane U_i zmieniają się sinusoidalnie a tym samym strumień Φ i indukcja B też są sinusoidalne. (rys.) Prąd I_Fe jest w przybliżeniu prądem sinusoidalnym o częstotliwości podstawowej i jest w fazie z napięciem indukowanym.; Prąd I_μ jest prądem magnesującym zawierającym szereg harmonicznych nieparzystych.

5.Stan obciążenia transformatora. (rys.) Napięcie indukowane przez strumień rozproszony strony wtórnej: U_iб2=4,44∙N₂∙f₁∙Φ_mб2; Napięcie to zastępujemy stratą napięcia na reaktancji rozproszenia uzwojenia wtórnego, Ux₂=jx₂∙I₂; U_iб2=Ux₂; Przepływ wypadkowy w transformatorze: Θ=Θ₁-Θ₂; Θ=N₁∙I₁-N₂∙I₂; W transformatorze przepływ jest niezależny od stanu obciążenia i pozostaje stały.; Θ=Θ₀=N₁∙I₀; N₁∙I₀=N₁∙I₁-N₂∙I₂.

6.Schemat zastępczy transformatora. Aby sporządzić schemat zastępczy transformatora należy sprowadzić transformator rzeczywisty do transformatora o przekładni równej 1.; Wychodzimy z równania przepływu dla tr, obciążonego: N₁∙I₀= N₁∙I₁- N₂∙I₂; I₀=I₁-I₂∙N₂/N₁; I₂∙N₂/N₁=I₂' - prąd strony wtórnej sprowadzony, odniesiony do obwodu pierwotnego. Jest to prąd jaki płynąłby w tr, o N₁=N₂; I₂'=I₂∙1/n; I₀=I₁-I₂'; I₁=I₀+ I₂'; Sprowadzenie napięć strony wtórnej na stronę pierwotną; N₂'=N₁; N₁/N₂=n stąd N₁=N₂∙n; N₂'=N₂∙n; Napięcie zwojowe U_izw=U_i/N; U_izw=4,44∙f∙Φ_m; U_i2'=U_izw∙N₂∙n; U_i2'=U_i2∙n; U₂'=U₂∙n; W transformatorze zastępczym straty mocy czynnej i biernej muszą być takie same.; I₂²∙R₂=I₂'²∙R₂'; R₂'=R₂∙I₂²/I₂'²=R₂∙I₂²/(I₂/n)²; R₂'=R₂∙n²; x₂'=x₂∙n²; Straty napięć przeliczone: U_R2'=I₂'∙R₂'=I₂/n∙R₂∙n²; U_R2'=U_R2∙n; U_X2'=U_X2∙n.; Transformator o przekładni 1/1 musi mieć tę samą moc, tę samą wartość strumienia głównego rozproszonego oraz te same straty mocy w uzwojeniach. (rys.).

7.Stan zwarcia pomiarowego transformatora. Jest to taki stan w którym przy zwartych uzwojeniach wtórnych, transformator zasilany jest napięciem obniżonym o tak dobranej wartości, że w uzwojeniach płyną prądy znamionowe.; Rezystancja zwarcia: R_K=R₁+R₂'; Reaktancja zwarcia: X_K=X₁+X₂'; Impedancja zwarcia: Z_K=√R_K²+X_K²׀; Do obliczeń przybliżonych przyjmuje się: R₁=R₂'=R_K/2; X₁=X₂'=X_K/2; Napięciem zwarcia nazywa się taką wartość napięcia przyłożoną do pierwotnych zacisków transformatora przy której w uzwojeniach popłyną prądy znamionowe przy zwartej stronie wtórnej.; Napięcie zwarcia: U_K=Z_K∙I_N; Czynne napięcie zwarcia: U_KR=R_K∙I_N; Bierne napięcie zwarcia: U_KX= X_K∙ I_N; Funkcja kąta zwarcia: tgφ_K=U_KX/U_KR=X_K/R_K; Prąd zwarcia awaryjnego: {U_N=Z_K∙I_Ka; U_K=Z_K∙I_N}; I_Ka=I_N∙U_N/U_K; W trakcie próby zwarcia w transformatorze można pomierzyć prąd zwarcia I_K, napięcie zwarcia U_K i straty zwarcia P_K. Na podstawie tych pomiarów można określić parametry transformatora w gałęzi podłużnej.; Impedancja zwarcia Z_K=U_K/I_K; Rezystancja zwarcia R_K=P_K/I_K²; Reaktancja zwarcia X_K=√Z_K²- R_K²׀.

8.Straty w stanie zwarcia. Straty w stanie zwarcia są praktycznie równe stratom w uzwojeniach (straty obciążeniowe). Ogólnie straty w uzwojeniach można podzielić na straty podstawowe i straty dodatkowe.; Straty w uzwojeniach P_W: P_W=P_WP+ P_Wa; Straty podstawowe: P_WP=m∙R₁^-∙I₁²+m∙R₂^-∙I₂²; R₁^-,R₂^-- rezystancje pomierzone prądem stałym; Straty w uzwojeniach P_W=k_a∙P_WP, k_a- współczynnik zwiększenia strat na skutek nierównomiernego rozkładu prądu w uzwojeniach.; Wynika z tego, że straty dodatkowe związane są z tym, że gęstość prądu jest w ogólnym przypadku różna w przekroju przewodu. Aby zmniejszyć te straty dzieli się przewody na cieńsze i przeplata tak aby każdy elementarny przewód znajdował się pod wpływem jednakowych strumieni rozproszenia.; Straty temperaturowe podstawowe: P_WPT=P_WPTo∙(235+T)/(235+To); straty temperaturowe dodatkowe: P_WaT=P_WaTo∙(235+To)/(235+T);.

9.Siły działające na uzwojenia transformatora. Gdy przez uzwojenie transformatora płynie prąd to na jego uzwojenie działają siły mechaniczne. W transformatorach z uzwojeniem krążkowym cewki wyższego i niższego napięcia odpychają się w kierunku osi kolumn, cewki brzegowe są przyciągane w kierunku jarzma. W uzwojeniu cylindrycznym uzwojenia strony wtórnej i pierwotnej odpychają się podobnie jak 2 przewody przez które płyną prądy o kierunkach przeciwnych. Występują również siły działające w kierunku osi kolumn. Siły osiowe występują na skutek zakrzywienia linii indukcji magnetycznej na krańcach uzwojenia (rys.).

10.Zmienność napięcia w transformatorze. Zmienność napięcia tr jest to odniesiony do obwodu pierwotnego spadek napięcia wtórnego przy przejściu od stanu jałowego do stanu znamionowego obciążenia przy danym cosφ, przy znamionowym napięciu pierwotnym i znamionowej częstotliwości.(rys. wykres st, zw.); ΔU=U_KR∙cosφ₂+U_KX∙sinφ₂; ΔU/U₁=U_KR/U₁∙cosφ₂+U_KX/U₁∙sinφ₂; ΔU_%=U_KR%∙cosφ₂+U_KX%∙sinφ₂; Wzór dokładny dla I=I_N: ΔU_%=U_KR%∙cosφ₂+U_KX%∙sinφ₂+0,005(U_KX∙cosφ₂-U_KR∙sinφ₂)²; W stanie dowolnego obciążenia transformatora względne obciążenie będzie wynosiło k=I/I_N; ΔU_%=k[U_KR%∙cosφ₂+U_KX%∙sinφ₂]+0,005∙k²∙(U_KX∙cosφ₂-U_KR∙sinφ₂)²; ΔU=(U₁-U₂')/U₁- z definicji; ΔU=(U₂₀-U₂)/U₂₀ - z pomiaru.

11.Straty w transformatorze sprawność. Sprawność w transformatorze wyraża się stosunkiem mocy czynnej wydawanej przez uzwojenie wtórne do obwodu zewnętrznego do mocy czynnej pobieranej z sieci przez uzwojenie pierwotne. η=P/Pin=P/(P+P_t); η=P/(P+P_W+P_Fe)= m∙U₂∙I₂∙cosφ₂/ (m∙U₂∙I₂∙cosφ+P_W+P_Fe); Straty w uzwojeniach: P_W=m∙R₁∙I₂'²+m∙R₂'∙I₂'²; licząc pochodną dη/dI₂' przy cosφ₂=const otrzymuje się warunek na maksimum sprawności: m∙R₁∙I₂'²+m∙R₂'∙I₂'²=P_Fe; Obciążenie względne przy którym wystąpi η_max będzie równe: k=I/I_N=√P_FeN/P_WN׀ (rys. cha-ka).

12.Grupy połączeń transformatorów. W różny sposób można wykonywać połączenia uzwojeń strony pierwotnej i wtórnej. Dla uniknięcia dowolności połączenia te zostały znormalizowane. Do oznaczeń wprowadzono symbole: trójkąt - D, d, gwiazda- Y, y, zygzak- Z, z przy czym małe litery dotyczą strony dolnego napięcia. Przy różnych połączeniach kierunki wektorów napięć strony wtórnej i pierwotnej nie zawsze są zgodne, dlatego wprowadzono grupy połączeń. Połączenia w zakresie jednej grupy są tak dobrane, że przesunięcia fazowe napięć pierwotnych i wtórnych względem siebie są jednakowe. Przesunięcia te liczone są w godzinach, 1h=30 stopni.; Grupy połączeń: Dd0, Dd6, Dd5, Dy11; Dz0,Dz6, Yd5, Yd11; Yy0, Yy6, Yz5, Yz11.

13.Praca równoległa transformatorów. Praca równoległa polega na zasileniu uzwojeń pierwotnych transformatora ze wspólnych szyn oraz połączeniu uzwojeń wtórnych również do wspólnych szyn do których przyłączono odbiory. (rys.); Warunki jakie powinny być spełnione przy pracy równoległej: 1.W stanie jałowym w uzwojeniach wtórnych transformatora nie powinny płynąć prądy wyrównawcze. Będzie to spełnione jeżeli napięcia znamionowe pierwotne i wtórne są jednakowe, grupy połączeń tr są takie same, oraz jednoimienne zaciski tr są przyłączone do tych samych szyn. 2.Pracujące tr powinny obciążać się proporcjonalnie do ich mocy znamionowej. Uzyskuje się to przez zastosowanie transformatorów o jednakowych napięciach zwarcia; Z_KI∙I_I=Z_KII∙I_II; 3.Prądy obciążenia transformatorów muszą być ze sobą w fazie, czyli prąd odbiorników będzie sumą arytmetyczną prądów poszczególnych tr. Aby to spełnić należy dobrać tr o jednakowych kątach zwarcia; cosφ_KI=R_KI/Z_KI; cosφ_KII=R_KII/Z_KII; φ_KI=φ_KII; Ostateczne warunki pracy równoległej: 1.Jednakowe grupy połączeń, 2.Równość przekładni z tolerancją +-0,5%, 3.Równość napięć zwarcia, 4.Stosunek mocy znamionowej nie większy niż 3:1.

14.Regulacja napięcia w transformatorach. Najprostszym sposobem regulacji napięcia jest zmiana przekładni przez zmianę liczby zwojów.; 1.Regulacja przez przełączanie zaczepu po stronie pierwotnej- wysokiego napięcia; U=U_i=4,44∙N_G∙f∙Φ_m.; ten sposób regulacji jest regulacją przy zmieniającym się strumieniu.; 2.Regulacja po stronie napięcia dolnego Φ_m=const, U₂=k∙N_D; (rys.); Zmiana przekładni może odbywać się pod napięciem lub w stanie bez napięcia. (rys.).

15.Układy połączeń- 3 harmoniczne prądów, napięć i strumieni w tr trójfazowych. Dal układu 3-fazowego: i_μ3A=I_μ3m∙sin3ωt; i_μ3B=I_μ3m∙sin3ωt; i_μ3C=I_μ3m∙sin3ωt; Układ Y₀y (z przewodem zerowym). (rys.), strumień sinusoidalny, napięcie indukowane sinusoidalne; Układ Yy (bez przewodu zerowego), (rys.) nie popłyną prądy trzeciej harmonicznej, strumień będzie zawierał trzecią harmoniczną i będzie odkształcony. Strumienie 3harm, są ze sobą w fazie i wywołują dodatkowe straty.; Układ Dy (rys.) Transformator pobiera z sieci tylko 1 harmoniczną prądu, strumień jest odkształcony. Strumień trzeciej harm, jest tłumiony. W tym układzie strumienie pozostają sinusoidalne tak jak i napięcia indukowane.; Układ Yd (rys.) Tr, pobiera prądy pierwszej harmonicznej, strumień jest odkształcany, w uzwojeniu trójkątnym popłyną prądy trzeciej harmonicznej, strumień w tr, jest sinusoidalny tak jak i napięcia indukowane.; Zastosowanie układów Yd lub Dy pozwala na uzyskanie sinusoidalnego strumienia i napięć indukowanych w transformatorze.; Układ Yz (rys.) transformator pobiera z sieci prądy harm, podstawowej, strumień jest odkształcony, 3 harm, indukuje napięcie w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, w uzwojeniu połączonym w zygzak brak napięć 3 harmoniznej. Układ Yy (rys.).

16.Prawo modelu. Zakłada się że w uzwojeniach tr, istnieje stała gęstość prądu oraz stała wartość indukcji w rdzeniu. Zakłada się n-krotne zwiększenie wymiarów liniowych transformatora.; l*/l=n; Moc transformatora pozorna: S=U_i∙I=4,44∙f∙N∙Φ_m∙Ap∙J; I=Ap∙J; Ap- przekrój przewodnika; Ap*/Ap= A_Fe*/A_Fe= A_Chł*/A_Chł; Φ_m=A_Fe∙Bm; A_Fe- przekrój rdzenia; l*/l=n∙V*/V= m_Fe*/m_Fe= m_Cu*/m_Cu= P_t*/P_t=n³.; Moc transformatora: S=k∙A_Fe∙Ap; k=4,44∙N∙f∙Bm∙J; S*/S=(A_Fe*∙Ap*)/(A_Fe∙Ap)=n⁴.; W przypadku zmiany wymiarów liniowych moc pozorna transformatora rośnie proporcjonalnie do potęgi n⁴, straty całkowite do n³, natomiast powierzchnia chłodzenia do n².; (P_t*/S*)/(P_t/S)=P_t*/S*∙S/P_t=P_t*/P∙S/S*=n³∙1/n⁴=1/n.; W przypadku zmiany wymiarów liniowych transformatora stosunek strat całkowitych do mocy pozornej tr, będzie się zmieniał jak 1/n.

17.Prąd załączenia transformatora. W transformatorze przy jego załączaniu może wystąpić pobór bardzo dużego prądu. Można przedstawić trzy charakterystyczne przypadki: 1.Transformator załączany jest w chwili kiedy napięcie osiąga wartość max. (rys.) W tym przypadku strumień w tr, osiąga wartość od razu ustaloną. 2.Transformator załączany jest w chwili gdy napięcie przechodzi przez zero (rys.); Po załączeniu tr, strumień może osiągnąć podwójną wartość strumienia ustalonego.; 3.Transformator załączany jest w chwili kiedy napięcie przechodzi przez 0 oraz występuje strumień remamentu (rys.) Po załączeniu transformatora wartość strumienia w tr, może być wyższa niż dwukrotna wartość strumienia znamionowego.; Sposoby zmniejszania prądu włączenia: 1.Rownoległe włączenie baterii kondensatorów; 2.Właczenie tr, przez rezystancję szeregową która po upływie krótkiego czasu jest zwierana.

Maszyny prądu stałego.

1.Budowa. Maszyny prądu stałego składają się z twornika z uzwojeniami umieszczonymi w żłobkach i komutatora oraz stojana. Do stojana przytwierdzone są od strony wewnętrznej bieguny i jest on oddzielony od twornika szczeliną powietrzną. Między biegunami głównymi są zwykle umieszczone bieguny pomocnicze. Na komutatorze umieszczone są szczotki których jest tyle rzędów ile jest biegunów głównych.(rys.)

2.Zasada działania silnik, prądnica. Prądnica: Twornik wraz z pierścieniami ślizgowymi wiruje z prędkością obrotową n w strumieniu magnetycznym głównym Φ. Od szczotek włączony jest odbiornik stanowiący obwód zewnętrzny źródła. Przy stałym wzbudzeniu i stałej prędkości obrotowej wytarza się w zezwoju SEM która powoduje przepływ prądu i. W ten sposób otrzymujemy w obwodzie twornika prąd przemienny. Jeśli chcemy mieć prąd stały wówczas pierścienie ślizgowe zastępujemy dwoma półpierścieniami. Stanowią one komutator który służy do zmiany kierunku prądu. (rys.)

3.Rodzaje uzwojeń.; pętlicowe, faliste, pętlicowo - faliste.; Oznaczenia stosowane przy uzwojeniach prądu stałego.; K- liczba działek komutatora, p- liczba par biegunów, a- liczba par gałęzi równoległych, Q- liczba żłobków, u- liczba boków jednej warstwy; Y1- poskok częściowy, wyraża odległość miedzy bokami tego samego zezwoju; Y2- poskok częściowy drugi, wyraża odległość między prawym bokiem jednego zezwoju a lewym bokiem kolejnego zezwoju; Y- poskok całkowity wyraża odległość między lewymi lub prawymi bokami kolejno ze sobą połączonych zezwojów; Y_Q- poskok żłobkowy wyraża rozpiętość zezwoju w żłobkach; Y_C- poskok kontrolowany wyraża odległość między lewymi bokami sąsiednich zezwojów.

4. Uzwojenie pętlicowe proste i wielokrotne. Pętlicowe proste: (rys.); Y=Y₁-Y₂; Y_C=±1. Każdy z poskoków musi być liczbą całkowitą. Natomiast poskok Y_Q może być w niektórych przypadkach wyrażony liczbą ułamkową. W uzwojeniu pętlicowym prostym a=p oraz liczba szczotek musi być równa liczbie biegunów.; Pętlicowe wielokrotne: (rys.) Y_C=m, m=1 uzwojenie pętlicowe proste, m=2 dwukrotne, m=3 trzykrotne.; Przez zastosowanie uzwojenia wielokrotnego zwiększa się ilość gałęzi równoległych. Dla pętlicoweo wielokrotnego a=m∙p.; Uzwojenia te rozpadają się na m niezależnych uzwojeń. Łączenie tych uzwojeń odbywa się poprzez szczotki.

5.Uzwojenia falisto proste i wielokrotne. Faliste proste (rys.) Y=Y₁+Y₂; Y_C=(k±1)/p; Dla uzwojenia falistego prostego mamy zawsze jedną parę gałęzi równoległych a=1; W uzwojeniu tym można zostawić tylko jedną parę szczotek różnoimiennych.; Faliste wielokrotne: (rys.) Y_C=(k-m)/p; liczba par gałęzi równoległych a=m.; Uzwojenie to składa się z uzwojenia pętlicowego i falistego. Jedno uzwojenie stanowi dla drugiego uzwojenie wyrównawcze, czyli pełni rolę połączeń wyrównawczych.

6.Gwiazda i wielobok napięć. Rozkład pola magnetycznego szczeliny (rys.); τ_p=πD/2p; B₁(x)=B_m1∙sin(πx/τ_p); Napięcie indukowane w jednym pręcie: u_i=B₁(x)∙l∙v=B_m1∙sinπ∙x/τ_p∙l∙u; Kąt elektryczny zawarty pomiędzy dwoma sąsiednimi napięciami żłobkowymi α_Q=2πp/Q=α_g∙p. Narysować gwiazdę i wielobok napięć dla uzwojenia pętlicowego prostego. Dane:Q=10 żłobków, 2p=4 bieguny, U=1bok; liczba wycinków komutatora K=Q∙U=10∙1=10 odcinków; α_p=2πp/10=72˚; Wykreślamy gwiazdę napięć żłobkowych (rys.); Rozpiętość zezwoju Y_Q≤Q/2p, Y_Q≤10/4, Y_Q=2 żłobki; Wykreślamy gwiazdę napięć zezwojowych (rys.); Budujemy wielobok napięć (rys.).

7.Warunki symetrii uzwojeń, połączenia wyrównawcze. Aby spełnić warunek równości napięć powinny być zachowane warunki symetrii magnetycznej i elektrycznej.; Symetria elektryczna może być sprowadzona do trzech warunków: 1.Warunki symetrii zwykłej Q/a= liczba całkowita; k/a=l.c; p/a=l.c; 2.Warunki symetrii bezwzględnej. Q/2a=l.c; k/2a=l.c; 2p/a=l.c; 3.Warunki symetrii mechanicznej: żłobki i wycinki komutatora muszą być rozmieszczone równomiernie na obwodzie wirnika.; Połączenia wyrównawcze. W gałęziach uzwojenia twornika pod parami biegunów leżących naprzeciw siebie mogą powstać różne SEM. Przyczyną tego mogą być nierównomierne strumienie wskutek wad konstrukcyjnych co powoduje że szczeliny powietrzne pod odpowiednimi parami biegunów ją niejednakowe. W wyniku tego w poszczególnych gałęziach występuje napięcie miedzy równoimiennymi szczotkami między którymi napięcie normalnie jest równe zeru. Ponieważ szczotki te są połączone przewodami to płynie przez nie prąd wyrównawczy co może powodować iskrzenie. Dlatego stosuje się połączenie wyrównawcze łącząc punkty uzwojenia pomiędzy którymi napięcie powinno być równe zero. (rys.).

8.Napięcie indukowane w uzwojeniu twornika. (rys.) b_pe=∫B(x)dx/B_m.; prędkość liniowa boku: v=πDn; Napięcie indukowane w pojedynczym pręcie: u_i=B(x)∙l_i∙v; Wprowadzamy oznaczenia: N- liczba wszystkich boków; N/2a- liczba boków w jednej gałęzi równoległej; N/2a∙b_pe/τ_p- liczba boków znajdujących się w polu o indukcji B_m; Napięcie indukowane w uzwojeniu: Ui=N/2a∙b_pe/τ_p∙l_i∙Bm∙π∙Dn; πD=2p∙τ_p; Ui=N/2a∙b_pe/τ_p∙li∙Bm∙2p∙τ_p∙n; Ui=pN/a∙b_pe∙li∙Bm∙n; b_pe∙li∙Bm=A∙Bm; A∙Bm=Φ; Ui=pN/a∙Φ∙n; Ui=ku∙Φ∙n; prędkość kątowa: Ω_m=2πn stąd n=.... czyli Ui=pN/2πa∙Φ∙Ω_m; Napięcie indukowane w uzwojeniu twornika MPS zależy od wartości strumienia maszyny i od prędkości obrotowej.

9.Moment elektromagnetyczny maszyny. (rys.) Prąd płynący w jednym precie jest prądem gałęzi Ig=Ia/2a; Siła działająca na jeden pręt: F=B(x)∙Ig∙li; Moment elektromagnetyczny działający na jeden pręt: te=D/2∙F=D/2∙Ia/2a∙li∙Bm; moment całkowity: Te=Σte; Te=D/2∙Ia/2a∙li∙Bm∙N∙b_pe/τ_P; πD=2p∙τ_P; stąd D=....; Te=2p∙τ_P/2π∙Ia/2a∙li∙Bm∙N∙b_pe/τ_P; Te=pN/2πa∙b_pe∙li∙Bm∙Ia; Te=pN/2πa∙Φ∙Ia; Te=k_T∙Φ∙Ia; Moment elektromagnetyczny nie zależy od prędkości obrotowej, jest jedynie funkcją strumienia w maszynie i prądu płynącego przez uzwojenie twornika; Te=const to Φ∙Ia=const.; Moc wydawana P=Ω_m∙Ts.

10.Oddziaływanie reakcja tworników. Rozpatrzmy trzy przypadki: 1.Zasilanie uzwojenia wzbudzenia, Ia=0 (rys.); 2.If=0, Ia- prąd w uzwojeniu twornika (rys.); 3.Zasilanie uzwojenia wzbudzenia i twornika (rys.); Oddziaływanie twornika w MPS wywołuje następujące skutki: zmienia rozkład indukcji pod biegunami, powoduje przesunięcie osi neutralnej, może prowadzić do zmniejszenia strumienia w maszynie nasyconej. Zniekształcenie przebiegu indukcji może doprowadzić do indukowania w pewnych zezwojach napięć większych niż w stanie jałowym co spowoduje iskrzenie na komutatorze. Przesunięcie osi neutralnej spowoduje iskrzenie szczotek ponieważ w zezwoju zwartym popłynie prąd o dużej wartości. Zmniejszenie strumienia spowoduje zmniejszenie napięcia indukowanego.

11.Komutacja w maszynach prądu stałego. Komutacją nazywamy proces zmiany kierunku prądu w zezwoju podczas przechodzenia tego zezwoju z jednej gałęzi do drugiej (rysunki).; Napięcie samoindukcji w zezwoju komutowanym Us=Lz∙di/dt; napięcie rotacji w zezwoju komutatora: Ur=B∙l∙V; 1.Komutacja prostoliniowa: Us=Ur; Is=I_N; Us-Ur=0; 2.Komutacja przyspieszona Ur>Us; I_N>Is; 3.Komutacja opóźniona Us>Ur; Is>I_N; (rys.); Dla poprawienia warunków komutacji w MPS stosuje się zazwyczaj szczotki o dużej rezystancji przejścia.

12.Bieguny komutacyjne i uzwojenia kompensacyjne. Zadaniem biegunów komutacyjnych jest skompensowanie oddziaływania poprzecznego twornika w ich strefie działania. Ze strony biegunów komutacyjnych występuje nadwyżka pola której obecność zapewnia odpowiedni proces komutacji.; Aby zapewnić trapezoidalny rozkład pola pod biegunami głównymi i w ich otoczeniu stosuje się uzwojenie kompensacyjne. Aby zapewnić efekt kompensacji przy zmianach obciążenia łączy się szeregowo uzwojenia twornika z uzwojeniem komutacyjnym i uzwojeniem kompensacyjnym.

13.Samowzbudzenie prądnicy bocznikowej. (rys.) Jeżeli prądnicy nadamy znamionową prędkość obrotową, to w przypadku istnienia magnetyzmu szczątkowego powstanie nieznaczna SEM. Jeżeli obwód wzbudzenia zamkniemy regulatorem napięcia to SEM spowoduje w obwodzie nieznaczny prąd magnesujący Im, który wzmocni pole magnetyczne szczątkowe i w ten sposób zwiększy E, co znowu z kolei zwiększy Im. W ten sposób maszyna zostanie wzbudzona.; Warunki samowzbudzenia: 1.Istnienie magnetyzmu szczątkowego; 2.Prawidłowość połączeń obwodu wzbudzenia z zaciskami uzwojenia twornika. (cha-ka); Rezystancja obwodu wzbudzenia: Rf=R_E1,E2+Rd; Napięcie do jakiego wzbudza się prądnica jest uzależnione od wartości rezystancji w obwodzie wzbudzenia. Prędkość krytyczna jest prędkością dla danej rezystancji obwodu wzbudzenia przy której maszyna zaczyna się wzbudzać.

14.Rozruch silników prądu stałego. Jest to stan przejściowy w którym wirnik ze stanu zatrzymania przechodzi do prędkości określonej warunkami regulacji i momentem oporowym.; Ts-Tm=Td; Ts-Tm=J∙dΩ_m/dt; Czas rozruchu będzie tym krótszy im większy będzie moment dynamiczny tzn. większa różnica pomiędzy momentem silnika i momentem oporowym.; Prąd rozruchu; równanie napięciowe: U=Ui+I∙Rat+2ΔU_b stąd I=(U-Ui-2ΔU_b)/R_at; I_t=0=(U-2ΔU_b)/R_at; W przypadku rozruchu bezpośredniego mogłyby wystąpić niekorzystne zjawiska takie jak: obniżenie napięcia w sieci, silne iskrzenie szczotek na komutatorze, uderzenie mechaniczne, zakłócenia w aparaturze pomiarowej.; Sposoby zmniejszenia prądu rozruchu: 1.zasilenie uzwojenia twornika napięciem regulowanym w trakcie rozruchu, 2.zastosowanie rozruszników. (rys.)

15.Regulacja prędkości obrotowej silników prądu stałego. n=(U-I∙R_at-2ΔU_b)/(ku∙Φ); Z zależności tej wynikają 3 sposoby regulacji prędkości obrotowej: 1.Zmiana zapięcia zasilającego uzwojenie twornika. Zmiany napięcia mogą być dokonane przez zastosowanie prostowników sterowanych. 2.wtrącenie rezystancji dodatkowej w obwód twornika, może być stosowane jedynie w przypadku silników niewielkiej mocy 3.Zmiana strumienia magnetycznego maszyny, polega na zmianach prądu wzbudzenia najczęściej za pomocą rezystancji dodatkowej w obwodzie wzbudzenia.; Zmiana kierunku prędkości obrotowej może być wywołana przez: zmianę przepływu prądu w uzwojeniu wzbudzenia, zmianę kierunku przepływu prądu przez uzwojenie twornika, zmianę biegunowości napięcia zasilającego obwód wzbudzenia lub twornika.

16.Straty mocy sprawność. 1.Straty mechaniczne Pm (tarcie w łożyskach, tarcie wentylatora o powietrze, tarcie szczotek o komutator), 2.Straty w rdzeniu podstawowe P_FeN- należą do nich straty z histerezy i prądów wirowych, 3.Straty podstawowe w uzwojeniach w obwodzie wirnika Pw=(Ra+R_B1-B2+R_C1-C2+R_D1-D2)Ia², 4.Straty przejścia pomiędzy szczotkami a komutatorem Pps=2ΔU_b∙Ia, 5.Straty dodatkowe w żelazie P_Fea wywołane są zniekształceniem rozkładu indukcji po biegunami wskutek reakcji twornika,6.Straty dodatkowe w uzwojeniach Pwa które powstają w zezwojach komutowanych oraz przy wchodzeniu w obszar bieguna, 7.Straty w uzwojeniu wzbudzenia Pf=Uf∙If=Rf∙If².; Straty jałowe P₀=Pm+P_FeN; Straty obciążeniowe P_L=Pw+Pwa+Pps+P_Fea; Suma strat w maszynie Pt=Po+P_L+P_f; Sprawność: dla silnika η=P/Pin=(Pin-Pt)/Pin=1-Pt/Pin; η=1-Pt/U∙I; dla prądnicy η=P/(P+Pt)=U∙I/(U∙I+Pt).

17.Charakterystyka obciążenia i regulacyjna prądnicy obcowzbudnej. (cha-ki).

18.Charakterystyki zewnętrzne prądnic. (cha-ki).

19.Charakterystyki mechaniczne silników. Silnik bocznikowy:1,2- cha-ki momentów, 3-prędkości obrotowej; Silnik szeregowy: 1- cha-ka momentów i prędkości obrotowej; silnik szeregowo bocznikowy: 1- cha-ka prędkości obrotowej.

---