1. Część teoretyczna

1.1. Ogólna charakterystyka maszyn elektrycznych

Maszyny elektryczne prądu zmiennego można ogólnie podzielić na jednofazowe i trójfazowe silniki, prądnice i transformatory. Silnik to maszyna przetwarzająca energię elektryczną w mechaniczną. Prądnica to maszyna przetwarzająca energię mechaniczną w elektryczną. Transformator to maszyna służąca do zmiany wartości napięcia elektrycznego za pośrednictwem zmiennego pola magnetycznego, wykorzystująca zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Działanie silnika oparte jest na zjawisku oddziaływania siły mechanicznej na przewodnik przewodzący prąd i umieszczony w polu magnetycznym. W silniku indukcyjnym siła mechaniczna działa na prąd indukowany w uzwojeniu twornika pod wpływem wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie wzbudzenia. Działanie prądnicy oparte jest na indukowaniu napięcia w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym lub w przewodniku nieruchomym, który jest obejmowany przez zmienne w czasie pole magnetyczne. Źródłem pola magnetycznego w maszynach są magnesy trwałe lub uzwojenia nawinięte na rdzeniach magnetycznych i przewodzące prąd. Rdzenie maszyn prądu zmiennego wykonywane są najczęściej w postaci pakietowanej (warstwy blachy przedzielone izolatorem) ponieważ zmienny strumień magnetyczny indukuje w rdzeniu tzw. prądy wirowe, zwiększając jego temperaturę. Podstawowe uzwojenia w maszynach wirujących prądu zmiennego nazywane są uzwojeniem wzbudzenia i uzwojeniem twornika. Pierwsze z nich jest źródłem pola magnetycznego, natomiast w drugim indukuje się (tworzy) napięcie oraz działa siła mechaniczna na płynący przez nie prąd. Uzwojenia transformatora określa się jako pierwotne i wtórne. Wśród maszyn wirujących prądu zmiennego wprowadza się podział na:

- silniki asynchroniczne (indukcyjne) (1-fazowe (klatkowe) i 3-fazowe (klatkowe i pierścieniowe))

- prądnice synchroniczne 3-fazowe

- silniki synchroniczne 1-fazowe i 3-fazowe

- silniki komutatorowe szeregowe 1-fazowe

Wirniki silników asynchronicznych obracają się z prędkością mniejszą od prędkości wirującego pola magnetycznego, a wirniki silników synchronicznych wirują z prędkością równą prędkości pola magnetycznego. Wirniki silników komutatorowych osiągają większe prędkości obrotowe od rotorów silników indukcyjnych i synchronicznych. Maszyny z komutatorem posiadają także większy moment rozruchowy.

1.2. Budowa i zasada działania silnika indukcyjnego

Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana silnika powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz, w wyniku czego wypadkowe pole maszyny jest wirujące. Pole takie powoduje indukcję napięcia w uzwojeniach wirnika i przepływ prądu.

Rys. 1.1. Przekrój silnika indukcyjnego klatkowego

Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego i ruch obrotowy wirnika. Inaczej interpretując to zjawisko można stwierdzić, że wirujące pole magnetyczne stojana działa siłą na prąd wirnika, który został wywołany (zaindukowany) przez to pole. Siła elektromotoryczna (napięcie) w uzwojeniach wirnika powstaje gdy wirnik obraca się z prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego (maszyna asynchroniczna). Gdyby prędkość wirnika osiągnęła prędkość pola, wówczas pole magnetyczne byłoby nieruchome względem uzwojeń wirnika i nie mogłoby zaindukować w nim napięcia elektrycznego. Prędkość wirującego pola magnetycznego jest nazywana prędkością synchroniczną:

[obr/min] (1.1)

gdzie:

f - częstotliwość prądu [Hz]

p - liczba par biegunów magnetycznych w maszynie

W typowych silnikach przy obciążeniu znamionowym prędkość wirnika jest około 2 - 4 % mniejsza niż prędkość wirowania pola magnetycznego. Występuje tak zwany poślizg. Silnik asynchroniczny bez obciążenia uzyskuje prędkość obrotową prawie równą prędkości synchronicznej (poślizg jest mniejszy niż 1 %). Poślizg w maszynie indukcyjnej wyraża się zależnością:

(1.2)

gdzie:

n - prędkość obrotowa wirnika maszyny

Efekt wirowania pola jest uzyskiwany naturalnie w uzwojeniach trójfazowych stojana natomiast w silnikach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których płyną prądy przesunięte względem siebie w fazie. Można to uzyskać przez wprowadzenie do jednej fazy uzwojenia kondensatora lub zastosowanie dodatkowego uzwojenia zwartego. Prędkość wirowania silnika zależy od prędkości wirowania pola stojana. Prędkość wirowania pola stojana zależy od częstotliwości napięcia zasilania oraz od konstrukcji uzwojeń (tzw. liczby par biegunów). Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (silnik zwarty) lub ich końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych, przewodzących prąd za pośrednictwem szczotek do zewnętrznych impedancji (silnik pierścieniowy). Szczególnym przypadkiem silnika zwartego (obecnie głównie takie są produkowane) jest silnik klatkowy. Rdzeń wirnika w takim silniku ma kształt klatki zbudowanej z aluminiowych lub mosiężnych pierścieni połączonych prętami (rys. 1.2). Silnik klatkowy posiada dużą trwałość i prostą budowę (małe koszty produkcji).

Elementami ulegającymi największemu zużyciu są łożyska. Jego wadą jest trudny rozruch (przy dużym obciążeniu silnik może nie uzyskać momentu rozruchowego, natomiast przy niewielkim lub braku obciążenia uruchamia się bardzo gwałtownie. W sieci energetycznej w Polsce prąd elektryczny ma częstotliwość 50 Hz, co odpowiada prędkości synchronicznej 3000 obr/min, a prędkość znamionowa silnika asynchronicznego wynosi 2800-2900 obr/min. Największymi wadami silnika indukcyjnego są brak bezpośredniej możliwości regulacji prędkości obrotowej oraz gwałtowny rozruch (silniki klatkowe). Wraz z rozwojem elektroniki, a w szczególności tranzystorów mocy, triaków i mikroprocesorów, zaczęto stosować układy łagodnego rozruchu (soft start) oraz regulować prędkość obrotową za pomocą przemienników częstotliwości (falowników). Rozwój technologiczny i spadek kosztów produkcji układów falownikowych są przyczyną coraz częstszego stosowania tego typu urządzeń do sterowania silnikami klatkowymi.

1.3. Budowa i zasada działania silnika komutatorowego

Silnik komutatorowy jednofazowy zbudowany jest podobnie i działa analogicznie jak komutatorowy silnik szeregowy prądu stałego Silnik szeregowy może być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany również prądem przemiennym. Silniki takie nazwane są też uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia. W przypadku gdy silnik ma być zasilany prądem stałym, stojan wykonywany jest z litego materiału, natomiast przy zasilaniu prądem przemiennym wykonuje się go z pakietu izolowanych blach, zmniejszając straty energii powstałe na skutek indukowania się prądów wirowych. Ze względu na stosunkowo małe wymiary i dużą moc oraz znaczne prędkości obrotowe, silniki te znalazły liczne zastosowania w urządzeniach gospodarstwa domowego (odkurzacze, elektronarzędzia, suszarki, sokowirówki, miksery itp.).

1.4. Zastosowanie maszyn wirujących prądu zmiennego

Silniki indukcyjne trójfazowe stosowane są powszechnie w przemyśle, rolnictwie i trakcji elektrycznej (pojazdy szynowe i trolejbusy). W tej grupie wyróżnia się silniki pierścieniowe i klatkowe. Te drugie są często i chętnie stosowane ze względu na prostotę konstrukcji i mniejszy koszt produkcji. Silniki indukcyjne jednofazowe klatkowe są stosowane najczęściej w przemyśle oraz w gospodarstwie domowym (pralki, lodówki). Silniki komutatorowe szeregowe jednofazowe są stosowane w urządzeniach powszechnie wykorzystywanych w gospodarstwie domowym (odkurzacze, roboty kuchenne, młynki, wiertarki, szlifierki). Silniki synchroniczne stosowane są tam, gdzie wymagana jest stabilna prędkość obrotowa, w praktyce wykorzystywane są rzadko ponieważ nie posiadają własnego momentu rozruchowego. Prądnice synchroniczne trójfazowe stosowane są jako generatory energii elektrycznej w elektrowniach oraz, w specjalnym wykonaniu, jako prądnice samochodowe (alternatory).

1.5. Budowa i zasada działania transformatora

Transformator jest to urządzenie elektromagnetyczne, nie zawierające części ruchomych, służące do zmiany wartości napięcia elektrycznego, a tym samym natężenia prądu, przy stałej częstotliwości. Zasadnicze elementy transformatora to rdzeń magnetyczny oraz umieszczone na jego kolumnie (kolumnach) uzwojenia pierwotne i wtórne. Rdzeń stanowi obwód magnetyczny, jego części łączące kolumny to jarzma, a przestrzeń zawarta między kolumną a jarzmem nazywa się oknem. Rdzeń jest wykonany w postaci pakietu blach odizolowanych od siebie, co zmniejsza straty mocy powstające w postaci ciepła w wyniku indukowania się w rdzeniu prądów wirowych. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego (np. papieru, lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety. Do stali, z której są wykonane blachy, dodaje się ok. 4 % krzemu w celu zmniejszenia strat mocy występujących z powodu przemagnesowywania rdzenia (straty histerezowe) i indukcji prądów wirowych.

Rys. 1.2. Budowa transformatora jednofazowego: a) rdzeniowego, b) płaszczowego

1- kolumny, 2- jarzma

Zasada działania transformatora jest oparta na zjawisku indukcji elektromagnetycznej wzajemnej. Pod wpływem przyłożonego napięcia przemiennego w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd, który wytwarza przemienny strumień magnetyczny, indukujący w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym siły elektromotoryczne (skuteczne) E₁ i E₂:

(1.1)

gdzie:

f - częstotliwość napięcia i prądu

z₁, z₂ - liczba zwojów uzwojeń pierwotnego i wtórnego

Φ_m - amplituda głównego strumienia magnetycznego (wartość maksymalna)

Z zależności 1.1 wynika, że stosunek sił elektromotorycznych indukowanych w uzwojeniach transformatora jest równy stosunkowi liczby ich zwojów i jest nazywany przekładnią napięciową lub zwojową transformatora:

(1.2)

Rys. 1.3. Zasada działania transformatora

Szczególnym przypadkiem transformatora jest autotransformator, służący do płynnej regulacji napięcia przemiennego w laboratoriach. Występuje w nim tylko jedno uzwojenie, przy czym część tego uzwojenia jest wspólna dla strony pierwotnej i wtórnej. Zasadę działania autotransformatora przedstawiono na rysunku 1.4. Uzwojenie jest nawinięte na stalowy rdzeń, najczęściej o kształcie toroidalnym. Po odizolowanej jego części ślizga się suwak, którego położenie nastawia się pokrętłem. Przy położeniu suwaka w pozycji 2A napięcie wyjściowe U2 wynosi zero.

Zmieniając liczbę zwojów zawartych między 2A i suwakiem, można zmieniać wartość nastawianego napięcia od zera do wartości napięcia zasilającego Uv lub większej, wtedy gdy napięcie zasilające jest przyłączone do mniejszej liczby zwojów od ich całkowitej ilości.

Rys. 1.4. Autotransformator jednofazowy regulacyjny a) szkic konstrukcyjny, b) schemat, c)symbol

1.6. Stany pracy transformatora

Transformator może pracować w stanach jałowym, zwarcia i obciążenia. Próbę stanu jałowego wykonuje się w ten sposób, że do jednego z uzwojeń (pierwotnego lub wtórnego) doprowadza się regulowane napięcie przemienne, natomiast drugie pozostaje rozwarte.

Rys. 1.5. Stan jałowy transformatora

Z próby stanu jałowego można wyznaczyć takie parametry transformatora jak straty w żelazie ∆P_Fe, prąd stanu jałowego I₀ oraz jego składowe czynną I_ocz i bierną I_µ, przekładnię υ, współczynnik mocy cosφ₀. Straty mocy czynnej w stanie pracy jałowej ∆P₀, które mierzy się watomierzem, są równe sumie strat w żelazie i strat w miedzi uzwojeń strony zasilanej.

Ze względu na małą, w porównaniu z prądem znamionowym, wartość prądu I_0, straty ∆P_Cuo są pomijalnie małe względem strat ∆P_Fe i dlatego przyjmuje się, że ∆P₀=∆P_Fe.

Straty te mierzone są przy znamionowym napięciu zasilającym. Straty mocy w żelazie wynikają z przemagnesowywania rdzenia przy zmianie zwrotu strumienia (grupa strat histerezowych ∆P_Feh) oraz indukowania prądów wirowych w blachach rdzenia (grupa strat na prądy wirowe ∆P_Feω;). Prąd stanu jałowego I₀, przy zmianach napięcia od zera do wartości znamionowej zmienia się w przybliżeniu liniowo. Przy napięciach wyższych od znamionowego następuje zakrzywienie charakterystyki prądu, ze względu na zjawisko nasycenia magnetycznego. W tym stanie niewielkim wzrostom napięcia odpowiadają stosunkowo duże przyrosty prądu magnesującego. Wzrost napięcia ponad wartość znamionową może spowodować, że prąd stanu jałowego przekroczy wartość prądu znamionowego i spowoduje uszkodzenie transformatora. Odnosi się to do wszystkich urządzeń elektrycznych, których konstrukcja zawiera rdzeń stalowy z uzwojeniami, a więc do silników elektrycznych i dławików. Producenci takich urządzeń i maszyn podają dopuszczalny wzrost napięcia, który z reguły nie może przekraczać 10% napięcia znamionowego. Składowa czynna prądu I_0cz jest proporcjonalna do napięcia. Wartość tej składowej jest niewielka w stosunku do składowej magnesującej i jest związana z występowaniem strat w żelazie. Można przyjąć, że prąd biegu jałowego jest prądem biernym, wywołującym straty mocy biernej.

Stanem zwarcia transformatora nazywa się taką jego pracę, w której jedno z uzwojeń jest zasilane ze źródła energii elektrycznej, a drugie (najczęściej wtórne) jest zwarte. Napięcie na zaciskach uzwojenia zwartego jest równe zeru. Prąd płynie przez obydwa uzwojenia.

Transformator pobiera energię, ale jej nie oddaje. Całkowita moc transformatora w tym stanie stanowi straty mocy w uzwojeniach (straty obciążeniowe w miedzi) i straty w żelazie. Na podstawie pomiarów przeprowadzanych w stanie zwarcia można wyznaczyć niektóre ważne wielkości, jak napięcie zwarcia i straty obciążeniowe.

Rys. 1.6. Stan zwarcia transformatora

Impedancja uzwojeń jest mała, dlatego próba zwarcia przy napięciu znamionowym jest niedopuszczalna. Przeprowadza się tzw. zwarcie pomiarowe przy obniżonym napięciu zasilania. Napięcie, przy którym nastąpi przepływ prądów znamionowych w uzwojeniach, nosi nazwę napięcia zwarcia. Napięcie to jest wyrażone w procentach napięcia znamionowego i wynosi od 3 % (dla małych transformatorów) do 15 % (dla jednostek najwyższych napięć i mocy).

Straty w żelazie zależą od kwadratu napięcia, a w stanie zwarcia napięcie to jest niewielkie, dlatego można przyjąć, że są one pomijalnie małe w stosunku do strat obciążeniowych, które zależą od kwadratu prądu i rezystancji uzwojeń. Prąd w stanie zwarcia jest, zgodnie z prawem Ohma, proporcjonalny do napięcia, dlatego straty mocy będą zależeć od kwadratu napięcia zwarcia.

W stanie obciążenia uzwojenie pierwotne jest zasilane napięciem znamionowym, a do uzwojenia strony wtórnej są dołączone odbiorniki. Moc doprowadzona do strony pierwotnej, pomniejszona o straty w żelazie i obciążeniowe, jest oddawana przy innym napięciu odbiorcom strony wtórnej. Przy stałym napięciu zasilającym straty w żelazie rdzenia są stałe i równe stratom określonym przy pracy jałowej. Straty obciążeniowe zależą od stopnia obciążenia i mogą być wyznaczone na podstawie charakterystyki zwarcia. Na tabliczce danych znamionowych na ogół są podawane straty w żelazie dla napięcia znamionowego i straty obciążeniowe przy obciążeniu prądem znamionowym. Te drugie są na ogół 3-5 razy większe. Sprawność transformatora jest określana stosunkiem mocy czynnej strony wtórnej do mocy czynnej strony pierwotnej i najczęściej wyrażana w procentach. Przy stałej wartości napięcia zasilającego sprawność zależy od stanu obciążenia transformatora, a więc od wartości prądu i współczynnika mocy. Przy pracy jałowej sprawność jest równa zeru. Ze wzrostem obciążenia mocą czynną sprawność rośnie i ma wartość najwyższą, gdy straty obciążeniowe osiągną wartość równą wartości strat w żelazie. Najczęściej jest osiągana przy ok. 75 % obciążeniu znamionowym.

Dalszy wzrost obciążenia powoduje nieproporcjonalnie większy wzrost strat obciążeniowych, dlatego sprawność maleje, ale w niewielkim stopniu. Na sprawność ma również wpływ współczynnik mocy obciążenia cosφ₂; im jest on mniejszy tym mniejsza sprawność. Sprawność znamionowa transformatorów jest wysoka i wynosi od 95 % dla małych jednostek do 99,7 % dla jednostek dużych.

Wzrost prądu obciążenia I₂ powoduje wzrost prądu strony pierwotnej. Przy pominięciu prądu biegu jałowego w transformatorze jest zachowana równość amperozwojów strony pierwotnej i wtórnej: I₁z₁ =I₂z₂. Stąd wynika proporcjonalna zależność prądu 1₁ od prądu I₂ oraz, przy stałej wartości cosφ₂ od P₂. Zwiększonemu przepływowi prądu towarzyszy wzrost spadków napięć na opornościach transformatora, dlatego napięcie na zaciskach wtórnych maleje. Zmiana napięcia jest liniowa. Spadek napięcia zależy od wartości i rodzaju obciążenia oraz od napięcia zwarcia. Wzrost obciążenia powoduje również wzrost współczynnika mocy od wartości cosφ ₀ (zwykle poniżej 0,1) do wartości cosφ ₂ przyłączonych odbiorników.

3. Zagadnienia obowiązujące studentów wykonujących ćwiczenie

1. Program ćwiczenia

2. Budowa i zasada działania jednofazowego indukcyjnego silnika klatkowego

3. Budowa i zasada działania jednofazowego silnika komutatorowego

4. Budowa i zasada działania transformatora i autotransformatora

5. Stany pracy transformatora (schematy)

8

---