Silnik prądu stałego

Charakterystyka: silnik prądu stałego, zasilany napięciem U pobiera z sieci prąd I, rozgałęziający się na prąd twornika I_a oraz prąd wzbudzenia I_f. Prąd wzbudzenia wytwarza pole magnetyczne o strumieniu φ. Pod jego wpływem w wirniku silnika powstaje moment elektromagnetyczny M powodujący obracanie się silnika. Pod wpływem pola wzbudzenia oraz prędkości obrotowej n w tworniku silnika indukuje się siła elektromotoryczna rotacji E

E=c_e*n*φ, M=c_m*φ*I_a c_e, c_m - stałe zależne od budowy uzwojeń silnika

Charakterystyka mechaniczna naturalna to charakterystyka silnika pracującego przy parametrach znamionowych (U=U_n, φ=φ_n, R_da=0)

Regulację prędkości silnika realizuje się przez:

1. zmianę napięcia zasilającego U

U<U_n

2. zmianę rezystancji dodatkowej w obwodzie twornika R_da

Opornik dodatkowy właczamy aby zmniejszyć prąd przy rozruszaniu. Jest nieekonomiczna. Momenty rozruchowe maleją

3. zmianę strumienia wzbudzenia φ przez regulację prądu wzbudzenia I_f zmianami rezystancji w obwodzie wzbudzenia.

Charakterystyki uzyskane w ten sposób są to charakt. Sztuczne.

Silnik prądu stałego, którego uzwojenie wzbudzenia zasilane jest z innego źródła napięcia, niż obwód twornika , nosi nazwę silnika obcowzbudnego.

TRANSFORMATOR

Przekładnia napięciowa transformatora

Jeżeli uzwojenie pierwotne transformatora jest zasilane napięciem przemiennym U₁ to w uzwojeniu tym popłynie prąd I₁ powodujący powstanie strumienia magnetycznego. Większa część strumienia tzw. strumień główny φ będzie zamykała się przez rdzeń transformatora, natomiast reszta tzw strumienie rozproszenia φ_r1 i φ_r2 zamykająsię przez powietrze.

Strumień główny powoduje indukowanie się w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym sił elektromotorycznych E₁ i E₂. Jeżeli napięcie U₁ ma przebieg sinusoidalny to strumień φ ma również przebieg sinusoidalny φ=φ_maxsinωt, a siły elektromotoryczne wynoszą odpowiednio e₁=z₁*2π*φ_maxcosωt, e₂=z₂*2π*φ_maxcosωt, gdzie z₁,z₂ - ilości zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego. ϖ=2πf, f - częstotliwość napięcia zasilającego. Wartości skuteczne tych sił wynoszą:

Stosunek tych sił nazywamy przekładnią transformatora v.

Ponieważ w przybliżeniu E₁=U₁ i E₂=U₂ można przyjąć:

Przybliżenie jest tym dokładniejsze im mniejsze jest obciążenie (prąd I₂ ) transformatora.

Stany pracy transformatora

Stan jałowy: Transformator nieobciążony (prąd I₂=0, U₂=E₂). Prąd w uzwojeniu pierwotnym I₁ wynosi zwykle 5-10% prądu znamionowego I_1N (przy pełnym obciążeniu). Próby stanu jałowego pozwalają określić przekładnię napięciową oraz straty w rdzeniu transformatora (straty w żelazie) - P_Fe.

Stan obciążenia: Transformator obciążony impedancją Z₂, w uzwojeniu wtórnym płynie prąd I₂, a napięcie na jego zaciskach wynosi U₂<E₂. Ponieważ można przyjąć że straty mocy pozornej w transformatorze są znikome

wówczas I₁*U₁=I₂*U₂

W próbach stanu obciążenia określa się mi. spadek napięcia δ i sprawność transformatora η.

Stan zwarcia awaryjnego: Transformator jest zasilany napięciem znamionowym U_1N, uzwojenie wtórne jest

zwarte (Z₂=0, U₂=0), a w uzwojeniach płyną prądy około 20 krotnie większe od znamionowych powodujące w krótkim czasie zniszczenie transformatora. W próbach stosuje się stan zwarcia pomiarowego (przy zasilaniu zwartego transformatora bardzo niskim napięciem Uz przy którym I_1z=I_1N) służące do określenia procentowego napięcia zwarcia u_z% oraz strat w uzwojeniach (straty w miedzi) - P_Cu.

Od napięcia tego zależy wartość prądu zwarcia awaryjnego

SILNIKI ASYNCHRONICZNE

Pojęcia podstawowe

Ze wzg. Na budowę wirnika silniki asynchroniczne są budowane w 2 podst. Odmianach - silniki pierścieniowe (z wyprowadzonymi na zewn. Silnika końcówkami uzwojenia wirnika) i silniki klatkowe (ze zwartym uzwojeniem wirnika). Charakterystykę mech. Trójfazowego silnika asynchronicznego przedst. rys.

Prędkość synchroniczna n_s (prędkość pola wytworzonego przez stojan)

Gdzie f- częstotliwość napięcia zasilającego, p - ilość par biegunów uzwojenia stojana. Prędkość silnika n może być wyrażana przez poślizg s

stąd n=(1-s)n_s

Rozruch silników asynchronicznych

Sil. asynch. Włączane bezp. do sieci pobierają znaczne prądy rozruchowe stąd można włączać bezpośrednio do sieci zasilającej silniki o niewielkiej mocy

• w instalacjach lądowych rzędu 3 - 5 kW

• w instalacjach okrętowych - (w przypadku prądnic o mocy 600 kVA i więcej oraz przewodów zasilających o dużym przekroju) - 50 - 70 kW

Dla ograniczenia prądów rozruchowych można:

1.w silnikach pierścieniowych - włączyć opory rozruchowe w obwód wirnika

2.w silnikach klatkowych

• obniżyć napięcie zasilające autotransformatorem lub dławikiem rozruchowym albo przełączać uzwojenia silnika z połączenia w gwiazdę w czasie rozruchu na połączenie w trójkąt po jego zakończeniu

• 
  obniżać jednocześnie napięcie U i częstotliwość f (z zachowaniem U/f=const. Po to, by utrzymać w przybliżeniu stałą wartość prądu wirnika). Zmniejszenie częstotliwości powoduje obniżenie prędkości obrotowej i zmniejszenie momentu oporowego napędu co pociąga za sobą zmniejszenie prądu pobieranego przez silnik.

Sposoby rozruchów silników asynchronicznych:

1. przez włączenie rezystancji w obwód wirnika

2. zmniejszenie napięcia zasilającego

3. jednoczesne zmniejszenie napięcia i częstotliwości

Regulacja przez obniżenie napięcia autotransformatorami jest stosowana rzadko ze wzg. Na ogr. Zakres regulacji. Zastosowanie tyrystorowych regulatorów napięcia z zamkniętym układem regulacji (zazwyczaj ze sprzężeniami pierścieniowymi) umożliwia szerszy zakres regulacji prędkości, ale są to urządzenia kłopotliwe w użyciu. Najlepsze rezultaty osiąga przy jednoczesnych zmianach napięcia i częstotliwości

Prędkość synchroniczna - prędkość przy momencie rozruchowy

Prędkość krytyczna - prędkość przy momencie krytycznym.

STYCZNIKI I PRZEKAŹNIKI

Pojęcia podstawowe

• napięcie znamionowe (izolacji łącznika) - wartość skuteczna napięcia, na które izolacja aparatu została zbudowana

• prąd znamionowy ciągły - najwyższa wartość prądu, który może płynąć przez łącznik w dowolnie długim czasie

• zdolność łączeniowa - graniczna wartość prądu łączona przez aparat bez wywołania uszkodzeń ograniczających dalszą jego pracę (zdolność załączeniowa i wyłączeniowa)

Prądy płynące w obwodach można podzielić na prądy robocze (prądy znamionowe i prądy przeciążeniowe) i prądy zwarciowa o wartościach pow. 7 I_n (jest to umowna granica oparta na prądzie rozruchowym silnika asynchronicznego).

Do elementów składowych łącznika mogą należeć umieszczone w korpusie aparatu:

• napęd - ręczny lub samoczynny (elektromagnetyczny, silnikowy, pneumatyczny), napęd może być wyposażony w zamek utrzymujący styki w stanie zamkniętym.

• Styki ruchome i nieruchome w tym styki główne pracujące w obwodzie głównym i styki pomocnicze (poruszające się wraz z stykami głównymi) - pracujące w obwodach pomocniczych - sterowania i sygnalizacji (o prądach znamionowych do 5 A); styki główne zazwyczaj wyposażone są w elementy układu gaszącego łuk elektryczny.

• Wyposażenie dodatkowe - np. wyzwalacze (urządzenia zwalniające zamek), przekaźniki(przerywające obwód eletromagnesu napędowego lub uruchamiające wyzwalacze) itp.

Wyjątek stanowią bezpieczniki topikowe - bezstykowe łączniki zwarciowe jednorazowego użytku.

Klasyfikacja łączników elektr.

1. łączniki zwarciowe (wyłączniki) - przeznaczone do załączania i wyłączania obwodów obciążonych prądami roboczymi oraz zwarciowymi w tym:

• mechanizmowe (posiadające napęd z zamkiem i zestyki ruchome)

• bezstykowe (bezpieczniki topikowe)

2. łączniki robocze (rozłączniki) - przeznaczone do załączania obwodów obciążonych prądami roboczymi w zwykłych warunkach roboczych

3. łączniki manewrowe - przeznaczone do załączania obwodów obciążonych prądami roboczymi charakteryzujące się dużą trwałością mechaniczną oraz znamionową częstością łączeń

4. łączniki izolacyjne (odłączniki) - pracujące sporadycznie w stanie bezprądowym lub przy prądach o niewielkiej wartości.

Łączniki izolacyjne i rozłączniki mają napęd ręczny. Łączniki zwarciowe mogą być załączane i wyłączane ręcznie lub samoczynnie, są zawsze jednak przystosowane do wyłączania samoczynnego przez wyzwalacze. Łączniki manewrowe maja napęd ręczny lub samoczynny, zazwyczaj są przystosowane do zdalnego sterowania (styczniki) i mogą być wyposażone w zabezpieczenia przeciążeniowe.

Można wyróżnić:

• łączniki wtykowe - gniazda wtykowe i wtyczki

• łączniki ręczne - warstwowe, krzywkowe, drążkowe - wykonywane jako łączniki robocze i manewrowe

• łączniki sterownicze - przyciskowe, dźwigienkowe - stosowane w obwodach pomocniczych - sterowania i sygnalizacji

• łączniki krańcowe (reagujące na zmianę parametru nieelektrycznego) - termostaty, pressostaty, łączniki drogowe, łączniki pływakowe

• wyłączniki zwarciowe - samoczynne łączniki rozdzielcze z mechanizmem zamkowym stosowane jako zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe w instalacjach elektrycznych o prądach znamionowych do 100A

• bezpieczniki - bezstykowe łączniki topikowe stosowane jako zabezpieczenia przeciążeniowo - zwarciowe w instalacjach elektrycznych

• wyłączniki ochronne - różnicowoprądowe i napięciowe stosowane jako zabezpieczenia przeciwporażeniowe

• styczniki - łączniki manewrowe z napędem elektromagnetycznym; styczniki wyposażone w przekaźniki nadmiarowo - prądowe zabezpieczające przed przeciążeniem noszą nazwę wyłączników stycznikowych

• 
  przekaźniki - łączniki pracujące w obwodach pomocniczych - przełączające, zabezpieczające (reagujące na zmianę parametru elektrycznego - nadmiarowo - prądowe, nadnapięciowe, podnapięciowe, różnicowe, zwrotnomocowe), zwłoczne (załączające lub wyłączające z opóźnieniem czasowym), programowe (wykonujące w zadonaym czasie określony program łączeń).

Zabezpieczenia nadmiarowo-prądowe.

Zabezpieczenia nadprądowe

Zabezpieczenia nadmiarowo-prądowe (nadprądowe) są podstawowym zabezpieczeniem urz. elektr. przed skutkami przepływu prądów większych od znamionowych. Zabezp. nadprądowe działające przy prądach o wielkości od I_n - 7I_n stosowane są jako zabezp. przeciążeniowe, zaś działające przy prądach większych stosuje się jako zabezpiecz. zwarciowe. Sposób działania zabezpieczenia nadprądowego określa przedstawiona niżej charakterystyka czasowo-prądowa t = f(I) (oznaczona również jako t-I). Czas zadziałania zabezpieczenia nadpr. może być niezależny od prądu (charakterystyki a, b, c na poniższym rysunku) lub uzależniony (charakt. d).

Rodzaj zabezp. nadprąd:

1.Zabezpieczenia niezależne bezwłoczne (elektromagnetyczne, elektroniczne) (a) 0,01 - 0,04s. Zabezpieczenia zwarciowe (wyzwalacze zwarciowe wyłączników samoczynnych).

2. Zabezp. niezależne krótkozwłoczne (elektromagnetyczne z opóźniaczem zegarowym, elektroniczne) (b) 0,2 - 0,5s. Zabezpieczenia zwarciowe (wyzwalacze zwarciowe II stopnia w wyłącznikach selektywnych).

3. Zabezp. niezależne, zwłoczne (połączenie przekaźnika nadprądowego bezwłocznego z przekaźnikiem czasowym) ( c ) > 0,5s. Zabezpieczenia silników oraz prądnic synchronicznych od krótkotrwałych przeciążeń.

4. 
   Zabezp. zwłoczne, zależne (przekaźniki oraz wyzwalacze termobimetalowe i elektroniczne) (d) zależne od wielkości prądu. Zabezpieczenia przeciążeniowe silników.

Charakterystykę t - I zależną od prądu (d) mają również bezpieczniki topikowe, które stosuje się jako zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe w obwodach o niewielkich prądach zwarciowych. Badanie przekaźnika termo bimetalowego przekaźnik termo bimetalowy jest przykładem rozwiązania zabezp. nadprądowego, zależnego. Stosowany jest przede wszystkim jako zabezp. silników elektrycznych przed przeciążeniem (styk przekaźnika włączany jest w obwód elektromagnesu stycznika załączającego silnik). Na tej samej zasadzie działają wyzwalacze termo bimetalowe wyłączn. samoczynnych (dźwignia wyzwalacza jest wówczas przełożona z zapadką napędu wyłącznika).

Badanie wyłącznika instalacyjnego.

Wył. inst. jest przykładem połączenia zabezpieczeń nadprądowych zależnego i niezależnego. Stosowany jest jako zabezpieczenie urządzeń elektr. przed przeciążeniami (strefa działania wyzwalacza termo bimetalowego) i zwarciami (strefa działania wyzwalacza elektromagnetycznego, bezzwłocznego). Wyłączniki instalacyjne produkowane są na prądy znamionowe do 63 A. Mogą być wyposażone dodatkowo w wyzwalacze podnapięciowe, wyłączające łącznika w przypadku zaniku napięcia zasilania. Podobny kształt charakterystyki t - I mają łączniki zwarciowe klasyczne.

Badanie przekaźnika zabezpieczenia prądnicy.

Przykładem rozwiązania zabezpieczenia nadprądowego niezależnego jest część przekaźnika zabezpieczenia prądnicy. Przekaźnik zabezp. prądnicy współpracując z wył. głównym prądnicy (który zabezpiecza prądnicę przed zwarciami oraz obniżeniem napięcia) zabezpiecza prądnicę przed przeciążeniem oraz przejściem w stan pracy silnikowej (zabezpieczenie zwrotno mocowe).

W zautomatyzowanych siłowniach bezwachtowych sygnał „przeciążenia prądnicy” jest stosowany jako sygnał uruchomienia następnej prądnicy.

Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach z uziemionym punktem zerowym(TS).

W sieciach z uziem. p. zer. (4-przewodowym typu TN-C lub 5-przewodowym typu TN-S oraz TN-C-S) ochrona przeciwporażeniowa jest najczęściej realizowana przez stosowanie jednego z poniższych środków:

1. obniżenie napięcia roboczego poniżej poziomu napięcia bezpiecznego (np.: 12-24V) przez zastosowanie transformatorów bezpieczeństwa (tzw. obwody bardzo niskich napięć SELV i PELV)

2. Samoczynne szybkie wyłączanie zasilania przez wyłączniki instalacyjne lub bezpieczniki (potoczne określanie- zerowanie) oraz wyłączniki różnicowo-prądowe.

3. separację odbiorników przez zasilanie przez transformatory separacyjne.

4. stosowanie sprzętu wykonanego w II klasie ochronności (z podwójną lub wzmocnioną izolacją) oznakowanego na tabliczkach znamionowych symbolem:

Zerowanie stosuje się w celu zabezpieczeniu człowieka przed możliwością pojawienia się napięcia na obudowie (przewodzącej) urządzenia lub maszyny. Polega na połączeniu obudowy z przewodem ochronnym PE i wykorzystaniu do celów ochrony przeciwporażeniowej zabezpieczeń zwarciowych urządzenia. Prąd zwarcia (gdy nastąpi uszkodzenie izolacji jednej z faz do obudowy) ma spowodować szybkie (dla sieci o napięciu roboczym 380/220 V w czasie krótszym od 0,4s) zadziałanie zabezp. zwarciowych tj. przepalenie bezpiecznika B lub wyłączenie wyłącznika W.

Zerowanie jest skuteczne, gdy prąd zwarcia I_Z jest co najmniej równy prądowi szybkiego wyłączenia I_SW zapewniającego czas zadziałania zabezpieczenia nie większe od 0,4s). I_Z >= I_SW Wartość prądu I_SW określa się na podstawie charakterystyk czasowo-prądowych zastosowanego w badanym obwodzie zabezpieczenia.

Wyłączniki ochronne różnicowo-prądowe.

W r-p przerywa obwód zasilania, gdy za wyłącznikiem prąd upływu I_r osiągnie wartość I_Δn określoną przez producenta (10, 30, 300 lub 500 mA). Dla ochrony przeciwporażeniowej ludzi stosuje się wartości I_Δn = 10 lub 30 mA przy czasie zadziałania t=0,01s. Tak krótki czas zadziałania ogranicza skutki działania prądu na organizm człowieka. Wyłączniki r-p jedno- i trójfazowe działają na tej samej zasadzie analizy sumarycznej wartości prądu zasilania odbiornika. Przy uszkodzeniu izolacji za wyłącznikiem (rys. a) prąd upływu I_r indukuje sygnał k*I_r na zaciskach uzwojenia wtórnego transformatora toroidalnego T. Sygnał ten, po wzmocnieniu, wyzwala wyłącznik odłączając zasilanie uszkodzonego obwodu. Sposób działania wyłącznika zapewnia ochronę nawet przy przerwaniu przewodu ochronnego i przepływie prądu rażenia I_r przez człowieka i ziemię (rys. b). Ochrona jest skuteczna, gdy prąd rażenia I_r osiągnie wartość co najmniej I_Δn. Producent wyłączników powinien zapewnić zadziałanie wył. różnicowo-prądowego już przy wartościach I_Δ = (50 - 100%) I_Δn.

Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach z izolowanym punktem zarowym(TS).

Sieci okrętowe, zarówno 3*380V jak i 3*220V są sieciami izolowanymi od masy (kadłuba) przez izolowanie punktu zerowego. Sieci te mają fazowe oporności izolacji R_f oraz pojemności faz C_f względem kadłuba. W sieciach z izolowanym punktem zerowym typu IT) ochrona przeciwporażeniowa może być realizowana przez stosowanie poniższych środków:

1. kontrola stanu izolacji

2. kompensacja pojemnościowych prądów rażenia

3. szybkie, samoczynne wyłączanie zasilania przez wyłączniki ochronne różnicowo-prądowe

4. separacja elektryczna (obwody o nap. roboczym 220 i 380V) przez zastosowanie transformatorów separacyjnych.

5. obniżenie nap. roboczego poniżej nap. bezpiecznego np.: do 12 lub 24V przez zastosowanie transformatorów bezpieczeństwa (tzw. obwody bardzo niskich napięć SELV i PELV.

6. stosowanie urządzeń wykonanych w II klasie ochronności (z podwójną izolacją) oznakowanego na tabliczkach symbolem:

Kontrola stanu izolacji.

W sieciach okrętowych, zgodnie z przepisami PRS, kontroli podlega rezystancja izolacji faz względem kadłuba. Oporność izolacji R_f >= 1000KΩ zapewnia bezpieczne wartości prądu rażenia człowieka I_cz przy dotknięciu jednej z faz i masy kadłuba statku (I_cz < 10A). Przekaźniki upływnościowe typu PU1 realizują kontrolę ciągłą stanu izolacji przez włączenie pomiędzy sieć prądu przemiennego, a kadłub napięcia stałego i pomiar prądu upływnościowego z sieci przez rezystancję izolacji do kadłuba. Miliamperomierz współpracujący z przekaźnikiem (wyskalowany w kΩ) wskazuje stan izolacji R_iż (wartość wypadkowej rezystancji wszystkich 3 faz względem kadłuba) R_iż = (R_f1 * R_f2 + R_f2 * R_f3 + R_f3 * R_f1) / (R_f1*R_f2*R_f3)

Przekaźniki upływnościowe wyposażone są w układ alarmowy, który przy spadku wartości R_iż poniżej wartości krytycznej (zazwyczaj 30 kΩ) inicjuje alarm akustyczny i optyczny w siłowni.

Kompensacja prądów pojemnościowych. Sieć okrętowa posiada również pojemności faz względem kadłuba (C_f) powodujące wzrost prądu rażenia I_cz powyżej wartości 10 mA przy pojemności C_f > 0,1 μF (pojemność C_f sieci elektrycznej współczesnych statków morskich jest na ogół większa od 2 μF )

Ograniczenie wartości prądu rażenia do bezpiecznej wartości (tj. poniżej 10 mA) można osiągnąć przez kompensację prądu I_cz o charakterze pojemnościowym za pomocą indukcyjności rezonansowej (dla warunku rezonansu równoległego X_L=X_C). Podczas rezonansu (kompensacji pojemności C_f sieci przez indukcyjność L dławika) prąd rażenia I_cz < 10 mA.

Wyłączniki ochronne różnicowo-prądowe. Wył. r.-p. przerywa obw. zasilania, gdy za wyłącznikiem prąd upływu I_r osiągnie wartość I_Δn określoną przez producenta (10,30,300 lub 500 mA). Dla ochrony przeciwporażeniowej ludzi stosuje się wartości I_Δn 10 lub 30 mA przy czasie zadziałania t=0,01 s. Tak krótki czas zadziałania ogranicza skutki działania prądu na organizm człowieka. Wyłączniki różnicowo prądowe jedno i trój fazowy działają na tej samej zasadzie analizy sumarycznej wartości prądu zasilania odbiornika. Przy dotknięciu do przewodu fazowego (lub obudowy urządzenia o złym stanie izolacji) za wyłącznikem prądu rażenia I_r indukuje sygnał k*I_r na zaciskach uzwojenia wtórnego transformatora toroidalnego T. Sygnał ten, po wzmocnieniu, wyzwala wyłącznik odłączając zasilanie uszkodzonego obwodu. Ochrona jest skuteczna, gdy prąd rażenia I_r osiągnie wartość co najmniej I_Δn . Producent wyłączników powinien zapewnić zadziałanie wyłącznika różnicowo- prądowego już przy wartościach I_Δ=(50-100) I_Δn.

---