Transformator (z łac. transformare - przekształcać) - maszyna elektryczna służąca do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).

Transformator umożliwia w ten sposób na przykład zmianę napięcia panującego w sieci wysokiego napięcia, które jest odpowiednie do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, na niskie napięcie, do którego dostosowane są poszczególne odbiorniki. W sieci elektroenergetycznej zmiana napięcia zachodzi kilkustopniowo w stacjach transformatorowych.

Z kolei w elektrowniach, gdzie napięcie generatora zawiera się w granicach od 6 kV do dwudziestu kliku kV, stosuje się transformatory blokowe. Podwyższają one napięcia z poziomu napięcia generatora, na poziom sieci przesyłowej (z reguły 220 lub 400 kV).

Budowa: Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami), nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego.

Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie - co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.

Zasada działania: Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego, powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora, przepływa przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi). Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej - powstaje w nich zmienna siły elektromotoryczna (napięcie). Jeżeli pominie się opór uzwojeń oraz pojemności między zwojami uzwojeń i przyjmie się, że cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika przez rdzeń do uzwojenia wtórnego (nie ma strat pola magnetycznego na promieniowanie), to taki transformator nazywamy idealnym. Dla transformatora idealnego obowiązuje wzór:

Uwej/Uwyj = Iwyj/Iwej = nwej/nwyj

gdzie:

 U - napięcie elektryczne

 I - prąd elektryczny (natężenie)

 n - liczba zwojów

 wej - strona pierwotna (stosuje się również oznaczenie 1)

 wyj - strona wtórna (stosuje się również oznaczenie 2)

Zależność pomiędzy natężeniami i napięciami wynika z wyżej opisanych zależności i z zasady zachowania energii. W tym przypadku sprowadza się to do równości mocy wejściowej i wyjściowej:

Poniższy stosunek: z = nwyj/nwej ← nazywamy przekładnią transformatora.

Jeżeli liczba zwojów (cewki) uzwojenia wtórnego jest mniejsza od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, to indukowane napięcie jest niższe od napięcia pierwotnego, taki transformator nazywa się obniżającym. Jeżeli liczba zwojów po stronie uzwojenia wtórnego jest większa od liczby zwojów po stronie uzwojenia pierwotnego, to napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, a taki transformator nazywa się transformatorem podwyższającym.

TRANSFORMATOR POMIAROWY - transformator o ściśle określonych cechach metrologicznych, dotyczących wartości błędów przekładni i błędów fazowych w funkcji przetwarzanego napięcia i obciążenia; stosowane są w układach i przyrządach pomiarowych.

PRZEKŁADNIK NAPIĘCIOWY - transformator pomiarowy o unormowanych właściwościach. Przekładniki stosowane są w sieciach elektroenergetycznych do zasilania przyrządów pomiarowych, układów sterowania i zabezpieczeń. Normy określają m.in.: napięcia i moce znamionowe, przekładnie znamionowe, klasy dokładności.

PRZEKŁADNIA TRANSFORMATORA:

• ZWOJOWA - stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego do wtórnego,

• NAPIĘCIOWA (rzeczywista) - stosunek napięcia pierwotnego do napięcia wtórnego,

• ZNAMIONOWA - stosunek napięcia znamionowego pierwotnego do napięcia znamionowego wtórnego.

UWAGA! W energetyce przyjęto definiować przekładnie znamionowe transformatorów stosunkiem napięcia wyższego do napięcia niższego - niezależnie od sposobu włączenia transformator do sieci. Stąd ich przekładnia przyjmuje zawsze wartości większe od 1.

INDUKCYJNY DZIELNIK NAPIĘCIA - element układów pomiarowych, służący do dokładnego podziału napięcia przemiennego. Zasada działania IDN jest podobna do autotransformatora. Dzięki zastosowaniu specjalnego nawoju uzwojenia oraz wyjątkowych materiałów na rdzeń magnetyczny dzielniki te charakteryzują się bardzo małymi błędami podziału. Stosowane są do podziału napięć o wartościach do kilkuset woltów i częstotliwościach w zakresie 20Hz ... 2kHz.

METODA POMIAROWA - sposób realizacji porównania mierzonej wielkości z jednostką miary tej wielkości. Z opisu metody wynikają czynności i narzędzia pomiarowe, potrzebne do wykonania pomiaru. Zwykle też wybór metody określa możliwą do osiągnięcia dokładności pomiarów.

METODA RÓŻNICOWA (rys. 1) - polega na pomiarze różnicy α, powstającej w wyniku porównania dwóch niewiele różniących się wartości - nieznanej X, ze znaną W. Do jej realizacji układowej jest wymagany wzorzec wielkości mierzonej oraz przyrząd pomiarowy. Należy do metod dokładnych, gdyż pozwala mierzyć z dokładnościami niewiele gorszymi od dokładności wzorca.

STANY PRACY Po włączeniu transformatora do sieci zasilającej wyróżnia się trzy charakterystyczne stany jego pracy, to jest stan jałowy, obciążenia oraz zwarcia. Transformator pracuje w stanie jałowym, jeśli obwód strony wtórnej jest otwarty, czyli gdy prąd wtórny jest równy zeru. Po włączeniu odbiornika transformator znajduje się w stanie obciążenia, przy czym zmniejszeniu impedancji odbiornika odpowiada zwiększenie prądu wtórnego. Transformator jest obciążony znamionowo, jeśli prąd wtórny jest równy prądowi znamionowemu. Jeśli prąd wtórny jest większy od prądu znamionowego, transformator jest przeciążony. Po zmniejszeniu impedancji obciążenia do zera, czyli po zwarciu uzwojenia wtórnego, następuje stan zwarcia transformatora.

Prąd pierwotny, nazywany prądem stanu jałowego Io1, rozkłada się na składową czynną IFe1 oraz składową bierną Iμ1. Pod wpływem strumienia Φ w uzwojeniu pierwotnym transformatora indukuje się siła elektromotoryczna E1 równa przeliczonej na stronę uzwojenia pierwotnego sile elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu wtórnym. Składową bierną prądu stanu jałowego, nazywa się prądem magnesującym, składową czynną prądu stanu jałowego reprezentują straty mocy w rdzeniu transformatora. Wstanie jałowym transformatora napięcie wtórne U20 jest równe sile elektromotorycznej E2 indukowanej w uzwojeniu wtórnym. W stanie jałowym transformatora wykonuje się pomiary przekładni napięciowej ϑu oraz strat w rdzeniu ΔPFe. Po zamknięciu obwodu wtórnego, przez zmianę impedancji obciążenia nastawia się wartość prądu obciążenia. Ponieważ przepływ wypadkowy jest sumą wektorową przepływu uzwojenia pierwotnego i wtórnego, o wartości prądu pierwotnego i napięcia wtórnego, przy stałej wartości napięcia pierwotnego, decyduje nie tylko wartość prądu wtórnego, ale również jego faza. Faza prądu wtórnego zależy wyłącznie od charakteru impedancji odbiornika. Dla utrzymania stałego poziomu napięcia, zapewniającego prawidłową pracę zasilanych odbiorników, niezbędne jest ciągłe nastawianie (regulacja) napięcia. Zwarciem transformatora nazywa się przypadek, w którym obwód wtórny transformatora jest zwarty. Rozróżnia się zwarcie ruchowe transformatora oraz zwarcie pomiarowe (próbę stanu zwarcia). Zwarcie ruchowe powstaje wówczas, gdy w transformatorze zasilanym napięciem znamionowym impedancja odbiornika w sposób nagły zmaleje do zera. Po zwarciu obwodu wtórnego, przez kilka lub kilkanaście okresów, trwa w transformatorze stan nieustalony (przejściowy), który przechodzi następnie w stan ustalony charakteryzujący się ustalonym prądem zwarcia.

Prąd stanu jałowego jest bardzo mały. Impedancję zwarcia transformatora wyznacza się na podstawie próby stanu zwarcia. Próba stanu zwarcia(zwarcie pomiarowe) przeprowadza się w taki sposób, że po zwarciu zacisków uzwojenia wtórnego uzwojenie pierwotne zasila się napięciem nastawnym od zera do takiej wartości, przy której przez uzwojenia transformatora przepływać będą prądy znamionowe. Napięcie pierwotne, przy którym przez uzwojenia zwartego transformatora przepływają prądy znamionowe In, nazywa się napięciem zwarcia transformatora Uz

Impedancja zwarcia transformatora zależy od rezystancji uzwojeń oraz reaktancji rozproszenia. Przy próbie zwarcia, przy pominięciu prądu stanu jałowego, przez uzwojenia przepływają prądy znamionowe, występują więc znamionowe straty mocy w uzwojeniach ΔPCun, które są równe znamionowym stratom mocy w stanie zwarcia. Znamionowe straty mocy w stanie zwarcia należą do charakterystycznych parametrów transformatora i są podawane jako wartości procentowe odniesione do mocy znamionowej transformatora. Po załączeniu transformatora do sieci zasilającej powstaje w transformatorze stan nieustalony, w czasie którego przez uzwojenie pierwotne płynie prąd załączania transformatora. Stan nieustalony powstaje również po zwarciu obwodu wtórnego transformatora pracującego przy znamionowym napięciu pierwotnym.

Układy połączeń transformatorów Układy połączeń uzwojeń w transformatorach trójfazowych są oznaczane symbolem połączeń tego układu. Symbol składa się z liter i cyfr. Symbol literowy określa sposób połączeń uzwojeń:

• duże litery Y - gwiazda ; D - trójkąt - dla napięć pierwotnych

• małe litery y - gwiazda ; d - trójkąt ; z - zygzak - dla napięć wtórnych

• litera N - oznacza wyprowadzenie zacisku neutralnego uzwojenia pierwotnego na listwę zaciskową

• litera n - oznacza wyprowadzenie zacisku neutralnego uzwojenia wtórnego na listwę zaciskową

Symbol cyfrowy określa wzajemne przesunięcie wskazu napięcia wyjściowego (np. 2U) w stosunku do wskazu napięcia wejściowego (1U). Przesunięcie fazowe wyrażone jest w godzinach od 0 do 11, zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Np.; układ połączeń Dy5 oznacza przesunięcie fazowe napięcia 2U w stosunku do napięcia 1U o 5 godzin. Jedna godzina jest równa przesunięciu o 30 stopni elektrycznych.

W praktyce najczęściej spotykamy się z następującymi układami połączeń: Yy, Dy, Yd, Yz oraz Dz. Dodatkowo uzwojenia połączone w gwiazdę i zygzak posiadają punkt zerowy, który może być wyprowadzony bądź utajniony. Prawidłowy wybór układu połączeń transformatorów trójfazowych uzależniony jest od kilku czynników:

• układu zasilającego transformator:

• transformator zasilany z sieci (trójprzewodowej, czteroprzewodowej)

• transformator zasilany z przekształtnika

• mocy transformatora

• poziomu napięć

• niesymetrii obciążenia

• niesymetria obciążenia przy zasilaniu symetrycznym układem napięć

• niesymetria obciążenia wynikająca z niesymetrycznego układu napięć zasilających

• względów ekonomicznych (koszt budowy transformatora o różnych układach połączeń)

1. Układ Yy połączeń uzwojeń stosuje się głównie w transformatorach o małych mocach znamionowych zasilających symetryczne odbiory trójfazowe. Czasami połączenie to stosuje się do układów o dużych mocach znamionowych, w których zachodzi potrzeba uziemienia punktów zerowych połączeń gwiazdowych.
Układ ten jest niekorzystny ze względu na konieczność ograniczania szkodliwego wpływu braku harmonicznych rzędu v=3n (n=1,3,7…) w prądzie jałowym przy zasilaniu z sieci trójprzewodowej. Układ ten jest niekorzystny również przy obciążeniu niesymetrycznym (prądy składowej zerowej), gdy wyprowadzony jest punkt zerowy połączenia w gwiazdę uzwojeń wtórnych. Stwarza to konieczność wprowadzenia dodatkowego uzwojenia, tzw. kompensacyjnego, połączonego w trójkąt.

2. Układ Dy połączeń uzwojeń stosuje się głównie w transformatorach obniżających napięcie, z reguły o większych mocach znamionowych. Transformatory z takimi układami połączeń uzwojeń pracują w układach zasilania sieci rozdzielczych niskiego napięcia i mają zwykle wyprowadzony punkt zerowy połączenia gwiazdowego, by można było korzystać z napięć międzyprzewodowych i fazowych. Połączenie to jest bardzo korzystne ze względu na zmniejszenie strumieni trzecich harmonicznych oraz prądów składowej zerowej przy obciążeniu niesymetrycznym.

3. Układ Yd połączeń uzwojeń stosuje się głównie w transformatorach podwyższających napięcie. Transformator z takim układem połączeń jest korzystny, gdy punkt zerowy połączenia w gwiazdę strony pierwotnej ma być uziemiony bezpośrednio lub przez dławik. Połączenie uzwojeń w trójkąt po stronie pierwotnej lub wtórnej jest ze względu na prąd magnesujący bardzo korzystne, gdyż prąd trzeciej harmonicznej płynie w zwartym obwodzie trójkąta i strumień trzeciej harmonicznej praktycznie nie pojawia się.

4. Układ Yz oraz Dz połączeń uzwojeń stosuje się w transformatorach obniżających napięcie o małych mocach znamionowych. W układach tych punkt zerowy połączenia uzwojeń w zygzak jest wyprowadzony, aby można było korzystać z napięć fazowych. Rozwiązanie takie stosowane jest rzadko, głównie ze względów ekonomicznych. Porównując np. gwiazdę z zygzakiem, przy tych samych prądach znamionowych oraz takich samych przekrojach przewodów, dochodzimy do wniosku, że liczba zwojów zygzaka przy tym samym napięciu międzyprzewodowym jest 2/√3 razy większa od liczby zwojów gwiazdy, a zatem koszt miedzi w zygzaku jest o ponad 15% większy niż przy gwieździe. Dlatego zastosowanie tych układów połączeń ogranicza się przede wszystkim do zasilania odbiorów niesymetrycznych (np. przy znaczącym udziale odbiorów jednofazowych), a zależy nam na symetrycznym rozkładzie napięć fazowych po stronie wtórnej transformatora.

Prawidłowy wybór grupy połączeń ma bardzo duży wpływ na prawidłową pracę transformatora.

Najczęściej stosowane układy połączeń transformatorów 3-fazowych, dwuuzwojeniowych

Maszyny Indukcyjne

- maszyny prądu przemiennego, w których następuje przetwarzanie energii elektrycznej w energię mechaniczną (praca silnikowa maszyny) lub energii mechanicznej w elektryczną (praca generatorowa maszyny).

Budowa silnika indukcyjnego:

Kadłub; Stojan; Tarcza łożyskowa; Wirnik; Wał; Wpust; Łożysko; Podkładka falista; Przewietrznik; Osłona przewietrznika; Uszczelka skrzynki zaciskowej; Skrzynka zaciskowa; Uszczelka pokrywki skrzynki zaciskowej; Pokrywka skrzynki zaciskowej; Tabliczka zaciskowa; Złączka zacisków; Dławik

Konstrukcja silników indukcyjnych Silniki te charakteryzują się bardzo prostą budową w związku z tym są mało zawodne i proste w obsłudze. Z tych powodów są one szeroko stosowane w różnych dziedzinach techniki, najczęściej jako silniki, rzadziej jako prądnice.

Rdzeń ferromagnetyczny maszyny wirującej składa się z dwóch części: rdzenia stojana i rdzenia wirnika, oddzielonych od siebie szczeliną powietrzną. Rdzenie stojana i wirnika wykonuje się jako pakiety blach magnetycznych wzajemnie odizolowanych od siebie. Uzwojenia stojana i wirnika umieszcza się w żłobkach odpowiednich rdzeni. Uzwojenia stojanów maszyn klatkowych wykonuje się z przewodów nazwojowych, natomiast uzwojenie wirnika tworzą pręty (miedziane, aluminiowe, mosiężne lub brązowe) nie izolowane, o dużym przekroju, całkowicie wypełniające żłobek (na ogół półzamknięty lub zamknięty), przy czym wystające poza rdzeń części poszczególnych prętów są ze sobą połączone po obu stronach pierścieniami zwierającymi czołowymi. Tego typu uzwojenie wirnika nazywa się klatką wirnika.

Elementy konstrukcyjne - kadłub maszyny wykonuje się jako odlew (żeliwny lub ze stopu aluminiowego) albo w większych maszynach jako konstrukcję spawaną. Rdzeń stojana umieszcza się w kadłubie maszyny, natomiast rdzeń wirnika - w maszynach małych bezpośrednio na wale, zaś w większych maszynach - na piaście. Właściwe położenie wirnika w stojanie maszyny zapewniają dwie tarcze łożyskowe- w których osadzone są łożyska. Cylindryczny rdzeń wirnika umieszczony jest wewnątrz rdzenia stojana. Między nimi oczywiście występuje szczelina powietrzna. Wirnik silnika indukcyjnego jest umieszczony na ułożyskowanym wale, razem z wentylatorem chłodzącym. W przypadku silników klatkowych mniejszych mocy często wykonywany jest jako jeden odlew razem z klatką wirnika.

Silnik klatkowy Wirnik klatkowy składa się z nie izolowanych prętów, najczęściej aluminiowych, połączonych na końcach metalowymi przewodzącymi pierścieniami (najczęściej z aluminium, miedzi, mosiądzu). Dla silników małej mocy często cały wirnik wykonywany jest w postaci jednolitego odlewu. Wykonana w ten sposób klatka stanowi wielofazowe uzwojenie zwarte. Indukowane w takiej klatce napięcia (pod wpływem pola stojana) są małe, prądy natomiast stosunkowo duże ze względu na mały opór elektryczny takiej klatki.

Na duże moce (rzędu setek kW i pojedynczych MW) wykonywane są silniki klatkowe.

Głęboko żłobkowe i dwuklatkowe. Posiadają one korzystne charakterystyki rozruchowe.

Silnik pierścieniowy Wirnik w silniku pierścieniowym posiada uzwojenia nawinięte, podobnie jak stojan, przewodami izolowanymi. Prowadzone są one w żłobkach blach wirnika.

Wszystkie fazy tego uzwojenia najczęściej zwarte są początkami (tworząc połączenie w gwiazdę), i z wyprowadzonymi końcami. Każdy z końców (w przypadku silnika trójfazowego jest ich oczywiście trzy) przyłączony jest do jednego pierścienia (najczęściej miedzianego) osadzonego na wale wirnika i od niego odizolowanego.

Na każdym z tych pierścieni ślizga się szczotka węglowa, przyłączona do tabliczki zaciskowej silnika. Dzięki temu do uzwojenia wirnika silnika pierścieniowego można przyłączyć rezystory zewnętrzne, służące np. do rozruchu lub regulacji prędkości obrotowej silnika.

Rozruch silników indukcyjnych Rozruch bezpośredni - polega na załączeniu silnika ze zwartym uzwojeniem wirnika bezpośrednio do sieci na napięcie znamionowe przy częstotliwości znamionowej. W początkowej fazie rozruchu wirnik jest nieruchomy (poślizg silnika s=1). Pobierany jest wówczas duży prąd rozruchowy, kilkukrotnie (4 - 10) większy od prądu znamionowego silnika, zaś początkowy moment rozruchowy może być mniejszy od momentu znamionowego.

Rozruch z zastosowaniem przełącznika gwiazda - trójkąt - stosowany jest w celu zmniejszenia prądu pobieranego z sieci w chwili rozruchu, przez zmniejszenie napięcia na zaciskach uzwojenia stojana. W pierwszej fazie rozruchu uzwojenie stojana połączone jest w gwiazdę, a następnie, po osiągnięciu przez silnik prędkości obrotowej (z reguły min. 50% prędkości znamionowej) uzwojenia stojana przełączane są w trójkąt.

Rozruch za pomocą autotransformatora - ten sposób rozruchu stosuje się do silników o dużej mocy. Zadaniem autotransformatora jest zmniejszanie napięcia doprowadzanego do silnika do wartości 50 - 75% napięcia znamionowego (0,5...0,75)Un.

Bieg jałowy silnika indukcyjnego jest to stan, w którym obwód wirnika jest zamknięty. Do uzwojeń stojana jest doprowadzone napięcie, a wał silnika nie jest obciążony żadnym momentem. Występuje wtedy niewielki poślizg s=0,001.

Praca silników indukcyjnych pod obciążeniem Stan taki występuje wtedy, gdy silnik jest sprzężony z maszyną napędzaną przy jednoczesnym zasilaniu uzwojenia stojana napięciem z sieci. Charakterystyka przedstawia maszynę pracującą przy U =const. f =const.

Hamowanie silników indukcyjnych Elektryczne hamowanie silnikiem występuje wówczas, gdy moment elektromagnetyczny silnika działa w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obrotowej. Przy trójfazowym zasilaniu silnika indukcyjnego możemy zastosować jeden z trzech rodzajów hamowania. Są to:

- hamowanie naturalne (praca hamulcowa), zwane także hamowaniem przeciw prądem lub hamowaniem prądem sieci, występujące przy prędkości wirowania przeciwnej do kierunku wirowania pola magnetycznego,

-

hamowanie prądnicowe (ze zwrotem energii do sieci), zwane nad synchronicznym, które występuje przy prędkości wirnika większej od prędkości wirowania pola magnetycznego,

- hamowanie dynamiczne, czyli hamowanie prądem stałym,

Stosuje się następujące metody regulacji prędkości obrotowej silników indukcyjnych:

Przez zmianę częstotliwości f napięcia U zasilającego stojan możliwe jest nastawianie (ciągłe lub skokowe) prędkości w zakresie od postoju (w=0) do prędkości znamionowej (wn). Aby strumień w maszynie był niezmienny, zmianom częstotliwości f powinny odpowiadać proporcjonalne zmiany napięcia zasilającego (w przybliżeniu stosunek U/const Możliwa jest zatem także regulacja ponad prędkość znamionową, jednak stosowana z uwagi na wytrzymałość mechaniczną silnika i wytrzymałość izolacji.

Przez zmianę liczby par biegunów magnetycznych w stojanie jest skokowa regulacja prędkości obrotowej silnika. Wtedy na stojanie jest jedno uzwojenie o przełączalnej liczbie par biegunów, albo kilka uzwojeń każde o innej liczbie par biegunów. Silniki takie nazywane są silnikami wielobiegowymi.

Przez zmianę napięcia U zasilającego uzwojenia stojana przy stałej częstotliwości, możliwa jest zmiana prędkości kątowej silnika w zakresie od warunków dl zasilania znamionowego do poślizgu krytycznego.

Przez włączenie impedancji dodatkowej w obwód stojana. Możliwa jest wtedy regulacja prędkości kątowej silnika w wąskim zakresie. Wadą tej metody są straty w maszynie rosnące w miarę zmniejszania prędkości kątowej. W silnikach pierścieniowych możliwa jest regulacja prędkości przez dołączenie dodatkowych rezystancji szeregowo w obwód wirnika.

Budowa maszyn synchronicznych Maszyna synchroniczna składa się z nieru­chomego stojana i ruchomego wirnika. Pole magnetyczne w maszynie synchronicznej, tak jak w maszynie prądu stałego, jest wy­twarzane przez magnesy trwałe (maszyny małej mocy) lub elektromagnesy. Na ogół uzwojenie twornika znajduje się w stojanie, a uzwojenie wzbudzenia w wirniku, zasilane prądem stałym przez dwa pierścienie ślizgo­we. Maszyny synchroniczne mogą być również budowane z uzwojeniem wzbudzenia w stojanie, a uzwojeniem twornika w wirniku. Jednak trudności związane z przenoszeniem dużych mocy przez styki ślizgowe spowodowały, że uzwojenie twornika umieszcza się w stojanie. Moc obwodu wzbudzenia stanowi tylko kilka procent mo­cy wzbudzenia twornika. Jeżeli maszyna ma trójfazowe uzwojenie twornika umieszczone w stojanie, to jest ono identyczne z uzwoje­niem stojana maszyny indukcyjnej trójfazowej. Maszyny synchroniczne podczas pracy po­bierają lub oddają moc czynną (silnik, prąd­nica) i jednocześnie (zależnie od potrzeb), mogą pobierać lub oddawać moc bierną dla poprawy współczynnika mocy.

Prądnice synchroniczne Wirujące bieguny prądnicy synchronicznej, których uzwojenie jest zasilane prądem sta­łym, wytwarzają wirujące kołowe pole mag­netyczne. Pole to przecina boki uzwojenia twornika (stojana), indukując w nim siłę ele­ktromotoryczną o częstotliwości wprost proporcjonalnej do iloczynu liczby par bie­gunów i prędkości kątowej wirnika. Ze względu na konieczność zachowania stałej częstotliwości (najczęściej 50 Hz) napięcia wyjściowego, prądnice te pracują przy stałej prędkości wirowania.

Własności prądnicy synchronicznej określa się za pomocą charakterystyk:

1. biegu jałowego, tj. zależno­ści napięcia twornika od prądu wzbudze­nia, przy prądzie obciążenia równym zeru,

2. obciążenia, tj. zależności napięcia na za­ciskach twornika od prądu wzbudzenia, przy stałym prądzie obciążenia i stałym współczynniku mocy;

3. zewnętrznej, tj. zależności napięcia na zaciskach twornika od prądu obciążenia twornika, przy stałym prądzie wzbudze­nia i stałym współczynniku mocy;

4. regulacji, określających w jaki sposób należy zmieniać prąd wzbudzenia, aby przy wzroście obciążenia prądnicy utrzy­mać stałą wartość napięcia, przy stałym współczynniku mocy;

5. zwarcia, tj. zależności ustalonego, syme­trycznego prądu twornika, od prądu wzbudzenia, przy zwartych uzwojeniach twornika (rys. 17.22);

6. krzywe V (Mordeya - rys. 17.23), tj. zależności prądu obciążenia twornika, od prądu wzbudzenia, przy stałym napięciu twornika i stałej mocy czynnej.

Stosunek zwarcia jest stosunkiem prądu zwarcia ustalonego trójfazowego, symetrycz­nego do prądu znamionowego, przy prądzie wzbudzenia, który przy biegu jałowym wzbudza napięcie znamionowe.

Dla róż­nych prądnic wynosi 0,4...1.4

Silnik synchroniczny wymaga zasilania uz­wojenia wzbudzenia prądem stałym i uzwo­jenia twornika prądem przemiennym. Cechą charakterystyczną (wadą) tego silnika jest brak momentu rozruchowego.

Po włączeniu do sieci, wirujące pole kołowe trójfazowego silnika, mające prędkość synchroniczną nie może gwałtownie „pociągnąć" za sobą bez­władnego wirnika, wytwarzającego stałe po­le magnetyczne.

Dopiero po osiągnięciu przez wirnik prędkości pola stojana (synchro­nicznej) lub bliskiej synchronicznej, pole wir­nika, a tym samym wirnik jest wciągnięty w synchronizm z wirującym polem stojana, na­dając mu prędkość synchroniczną. Silnik ten w całym zakresie obciążeń, utrzy­muje stałą synchroniczną prędkość kątową, aż do wypadnięcia z synchronizmu (rys. 17.24). Jest stosowany tam, gdzie jest wy­magana stała prędkość kątowa i gdzie jest pożądana regulacja (kompensacja) mocy biernej (rys. 17.25). W celu dokonania roz­ruchu silniki synchroniczne wyposaża się w klatkę rozruchową - uzwojenie, umiesz­czone w nabiegunnikach wirnika. Klatka ta - tak, jak klatka w wirniku silnika klatko­wego - umożliwia rozruch silnika synchro­nicznego przez bezpośrednie włączenie do sieci. Podczas takiego rozruchu, do uzwoje­nia wzbudzenia należy przyłączyć rezystan­cję ok. 10-krotnie większą od rezystancji uzwojenia wzbudzenia w celu ograniczenia przepięć w tym uzwojeniu.

Rys.17.25. KrzyweV. Zależności I = f(I_w) przyU= const i różnych obciążeniach na wale

Oprócz bezpośredniego włączenia, rozruchu silników synchronicznych dokonuje się przez:

• obniżenie napięcia zasilającego, np.: za pomocą autotransformatora;

• włączenie do sieci za pośrednictwem dła­wika;

• regulację częstotliwości źródła napięcia, nastawianej od zera do częstotliwości sieci, z której silnik ma być zasilony (tzw. rozruch częstotliwościowy);

• rozruch za pomocą innej maszyny.

Silniki synchroniczne małej mocy

Silniki reluktancyjne są to silniki z bieguna­mi wydatnymi, w których moment napędowy (reluktancyjny) powstaje w wyniku asymetrii magnetycznej wirnika. Moment silnika jest tym większy, im większa jest różnica między reluktancją (oporem magnetycznym) w osi d i q (rys. 17.26).

Silnik z uzwojeniem trójfazo­wym lub dwufazowym, umieszczonym w stojanie, ma wirnik z klatką rozruchową, co umożliwia rozruch bezpośredni.

Silniki jed­nofazowe wymagają podczas rozruchu na­pędzania z zewnątrz lub stosowania dodat­kowych zwojów zwartych, obejmujących część nabiegunnika.

Silniki histerezowe (rys. 17.27) są to silniki synchroniczne, wykorzystujące moment na­pędowy, wywołany przez histerezę magne­tyczną.

Wirnik silnika jest wykonany z blach o szerokiej pętli histerezy. Uzwojenie stojana jest jedno-, dwu- lub trójfazowe. Rozruchu dokonuje się tak, jak w silnikach indukcyjnych

Rys. 17.26. Silnik reluktancyjny dwubiegowy o prędkości podsynchronicznej

Silniki z magnesami stałymi są to silniki, w których wirniki wbudowane mają magne­sy stałe, zamiast elektromagnesów, jak w silnikach dużej mocy.

Silniki wykonawcze przetwarzają impulsy elektryczne na przesunięcia kątowe lub li­niowe. Do silników wykonawczych dopro­wadza się dwa napięcia. Napięcie wzbudze­nia, przyłączone na stałe, utrzymuje silnik w gotowości do przetworzenia sygnału. Na­pięcie sterujące jest doprowadzane (do in­nego uzwojenia) tylko na czas przetworze­nia sygnału. Jako silniki wykonawcze stosuje się:

• silniki prądu stałego — obcowzbudne i skokowe (krokowe);

• silniki prądu przemiennego — indukcyj­ne dwufazowe.

Silnik wykonawczy prądu stałego może mieć magnesy stałe, może więc być stero­wany napięciem twornika. Silnik obcowzbudny może być sterowany napięciem wzbudzenia lub napięciem twornika.

Silnik skokowy wykorzystuje zmianę poło­żenia rdzenia ferromagnetycznego wirnika w polu magnetycznym w celu osiągnięcia optymalnej przewodności obwodu magnetycz­nego.

Kolejne pary biegunów stojana są zasilane impulsowo, natomiast wirnik skokowo wykonuje obrót o pewien kąt (rys. 17.28).

Rys. 17.28. Zasada działania silnika skokowego

Charakterystyka regulacyjna Zależność I
= f(I) przy U = const, n = const, cos
= const nazywa się charak­terystyką regulacyjną. Charakterystyka ta pokazuje, jak należy regulować prąd wzbudzenia, aby przy zmianie obciążenia i stałych parametrach n, cos
utrzymać stałe napięcie na zaciskach prądnicy.

Z charakterystyki regulacyjnej można korzystać również przy pracy silniko­wej. Wskazuje ona wówczas, jak należy regulować prąd wzbudzenia silnika syn­chronicznego, aby przy zmianach prądu obciążenia, zasilaniu stałym napięciem (U = const) o stałej częstotliwości (f= const, n = const) utrzymać stały współ­czynnik mocy.

Charakterystykę regulacyjną można wyznaczyć pomiarowo lub konstrukcyjnie.

Z analizy charakterystyk regulacyjnych można wyciągnąć wnioski praktyczne dla pracy prądnicowej:

• Przy wzrastającym prądzie obciążenia o charakterze indukcyjnym należy po­większać prąd wzbudzenia.

• Przy takiej samej wartości prądu obciążenia, lecz przy malejącej wartości cos
inukcyjnego potrzebny jest coraz większy prąd wzbudzenia, natomiast przy malejącej wartości cos
pojemnościowego prąd wzbudzenia należy zmniej­szać.

Charakterystyką zewnętrzną prądnicy nazywa się zależność U = f(I) dla I
, = const i cos
= const oraz n = const. Charakterystyka ta określa więc zmiany napięcia na zaciskach uzwojenia twornika w zależności od zmian wartości prądu obciążenia. Warunki takie występują tylko przy zmianach obciążenia prądnicy pra­cującej indywidualnie, wyposażonej w regulator prędkości, bez regulatora napięcia. Charakterystyki zewnętrzne można ustalić teoretycznie (na podstawie wykresu we­ktorowego maszyny) lub pomiarowo. Na rysunku 7.24 przedstawiono charakterystyki zewnętrzne:

Styki zewnętrzne prądnicy nienasyconej dla różnych współczynników mocy (linią kreskową narysowano niestabilne części charakterystyk dla obciążenia pojemno­ściowego i czynno-pojemnościowego).

Z analizy charakterystyk zewnętrznych wynikają następujące wnioski prak­tyczne:

• Wzrostowi prądu obciążenia o charakterze indukcyjnym odpowiada zmniej­szenie się napięcia na zaciskach prądnicy (wynika to z rozmagnesowującego oddziaływania twornika).

• Wzrostowi prądu obciążenia o charakterze pojemnościowym odpowiada w za­kresie od biegu jałowego do obciążenia znamionowego wzrost napięcia na zaci­skach prądnicy (wynika to z domagnesowującego oddziaływania twornika).

• Przy obciążeniach pojemnościowych wartości prądów mogą być większe niż

wartość ustalonego prądu zwarciowego 1
. Na rysunku 7.25 przedstawiono dwie charakterystyki zewnętrzne tej samej ma­szyny przy takiej samej prędkości obrotowej i takim samym współczynniku mocy, ale przy różnych wartościach prądu wzbudzenia. Z ich porównania wynika, że zarówno napięcie biegu jałowego U
i wartości prądu zwarciowego zależą od wartości prądu wzbudzenia, przy czym zwarcie jest tym bardziej niebezpieczne,

Im większa jest wartość prądu wzbudzenia. Często przedstawia się charakterysty­ki zewnętrzne dla różnych rodzajów obciążenia przy takich prądach wzbudzenia, że prądowi znamionowemu twornika odpowiada znamionowe napięcie (rys. 7.26).

Prądnice synchroniczne najczęściej są tak budowane, aby znamionowa zmien­ność napięcia nie przekraczała 40+50%. Ponieważ tak znaczne wahania napięcia są niedopuszczalne, prądnice synchroniczne powinny być wyposażone w samo­czynne regulatory napięcia. Zadaniem takiego regulatora jest zmiana wartości prądu wzbudzenia odpowiednio do zmian obciążenia.

Komutator - element przełączający umieszczany na wirniku komutatorowych maszyn elektrycznych (silników prądu stałego i generatorów prądu stałego zwanych także prądnicami). Komutator umożliwia przepływ prądu elektrycznego do wirnika z synchronicznym z obrotem wirnika przełączaniem kierunku prądu w uzwojeniach wirnika. Komutator zbudowany jest z dielektrycznego walca o wysokiej odporności temperaturowej, nałożonego na oś wirnika. Na powierzchni walca umieszczone są wzdłużnie sekcje, najczęściej miedziane. Do nich podłączone są kolejne uzwojenia wirnika. Sekcje izolowane są między sobą przy pomocy polimerowych przekładek. Po powierzchni walca ślizgają się grafitowe szczotki dociśnięte przy pomocy sprężyn.

W przypadku prądnicy stałe pole magnetyczne wytworzone w uzwojeniu wzbudzenia - magneśnicy indukują w obracającym się uzwojeniu wirnika przemienną siłę elektromotoryczną indukcji. Na każdy pełny obrót wirnika w uzwojeniu kierunek siły elektromotorycznej zmienia się dwukrotnie. Komutator, jak widać na ilustracji, przełącza uzwojenie tak, że na zaciskach jest napięcie pulsujące o stałym kierunku. Dla uproszczenia pokazano jedno uzwojenie. W rzeczywistych maszynach takich uzwojeń jest większa liczba.

W przypadku silnika prądu stałego komutator pozwala na takie przełączanie uzwojeń wirnika, by kierunek siły elektrodynamicznej powstającej w wirniku był stały.

13

Rys. 17.22. Charakterystyka biegu jałowego i charakterystyka zwarcia prądnicy synchronicznej

Rys.17.23. Krzywe V dla prądnicy synchronicznej

Rys.7.27 Charakterystyki regulacyjne prądnicy cylindrycznej nienasyconej

Rys. 7.24. Charakterystyki zewnętrzne prądnicy cylindrycznej nienasyconej

Rys.7.25 Charakterystyki zewnętrzne prądnicy cylindrycznej nienasyconej

---