ELEKTRA II EGZAMIN.doc

1. Budowa silników asynchronicznych (pierścieniowych, klatkowych, jednofazowych).

Wytworzone przez uzwojenia stojana wirujące pole magnetyczne obraca się wokół nieruchomego wirnika. W wyniku przecinania przez to pole prętów klatki wirnika, indukuje się w nich napięcie (stąd nazwa ”silnik indukcyjny”) i zaczyna płynąć w nich prąd.(patrz zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Przepływ prądu w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektrodynamicznej (patrz zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej) działającej stycznie do obwodu wirnika, a zatem powstaje także moment elektromagnetyczny. Jeżeli wartość tego momentu jest większa od wartości momentu obciążenia, to wirnik rusza i zaczyna zwiększać swoja prędkość obrotową. Zwiększanie prędkości wirnika, powoduje że pręty jego klatki przecinane są przez pole magnetyczne z coraz mniejszą prędkością, co skutkuje zmniejszeniem wartości indukowanej siły elektromotorycznej i spadkiem wartość prądu płynącego w prętach klatki, a zatem spada również wartość momentu elektromagnetycznego. Jeżeli moment ten spadnie do wartości równej momentowi obciążenia, wirnik przestanie przyspieszać i dalej będzie poruszał się ze stałą prędkością.

2. Przekrój poprzeczny silnika jednofazowego asynchronicznego. (c)

2.Opisać podstawowe równania prędkościowe i częstotliwościowe dla  pola stojana i wirnika. Podać definicję prędkości synchronicznej.

Prędkość synchroniczna jest to prędkość wirowania pola magnetycznego powstającego w stojanie silnika prądu przemiennego, dla silników synchronicznych jest to prędkość jaką rozwija silnik. Prąd trójfazowy o częstotliwości „f1” płynący w trójfazowym uzwojeniu stojana o „p” parach biegunów wytwarza pole magnetyczne wirujące względem stajana z prędkością synchroniczną „n1”:

Częstotliwość f2 z jaka pole wirujące przecina uzwojenie obracającego się wirnika wyrazi się wzorem:

Prędkość obrotowa wirnika:

Poślizg:

Pole wirnika wiruje względem stojana z prędkością synchroniczną, czyli jest nieruchome względem pola stojana niezależnie od prędkości obrotowej maszyny. Pola magnetyczne stojana i wirnika tworzą jedno wspólne pole, które indukują w stojanie i w wirniku siły elektromotoryczne.

3.Narysować i opisać charakterystykę mechaniczną silnika asynchronicznego trójfazowego klatkowego.

Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego ukazuje zależność momentu na jego wale od prędkości obrotowej silnika. Prędkość obrotową silnika asynchronicznego można wyrazić za pomocą poślizgu.

M = f(n,s) U = const.

Charakterystykę mechaniczną silnika można wyrazić za pomocą następującego wzoru:

M  - moment silnika
Mm - moment krytyczny silnika
s - poślizg
sm - poślizg krytyczny

Jeżeli moment obciążenia silnika M1 W chwili włączenia go do sieci jest mniejszy od początkowego momentu rozruchowego MR, to wirnik zaczyna sie obracać w kierunku wirowania pola magnetycznego.

Gdy obciążenie jest stałe w całym zakresie prędkości, to prędkość wzrasta, aż do wartości, przy której moment obciążenia równy jest momentowi silnika, czyli do punktu przecięcia sie charakterystyki mechanicznej silnika i charakterystyki obciążenia momentem

M1 (punkt A).  Jeżeli silnik pracuje w punkcie A, a moment obciażenia wzrośnie do wartości M2, to prędkość nieco sie zmniejszy, poślizg wzrośnie i nowy stan pracy ustali sie w punkcie B, gdzie przecina sie charakterystyka obciążenia z charakterystyka mechaniczna silnika. Jednak rozruch silnika przy stałym momencie M2 nie jest możliwy gdyż przy prędkości równej zeru MR<M2; silnik tak obciążony nie dokona rozruchu, lecz pozostanie w stanie zwarcia. Warunkiem rozruchu jest, więc aby w każdym zakresie prędkości od zera do wartości ustalonej, określonej wartością momentu obciążenia, moment silnika był większy od momentu obciążenia.

Przy obciążeniu silnika momentem M2 prosta M2 ma z krzywa momentu silnika dwa punkty wspólne: B i C. Punkt B jest punktem pracy stabilnej, gdyż w razie, jakiejkolwiek chwilowej zmiany charakterystyki silnika lub obciążenia układ ponownie wróci do pracy w punkcie B, jeżeli zniknie przyczyna zmiany charakterystyki. Jeżeli np. moment obciążenia chwilowo wzrośnie do wartości M’2, to wirnik zostanie przyhamowany, moment silnika wzrośnie i nowy stan pracy ustali sie w punkcie B. Jeżeli moment obciążenia z powrotem zmniejszy sie do wartości M2, to prędkość wzrośnie, moment silnika zmniejszy się i układ powróci do pracy w punkcie B. Tak sie zachowa układ przy dowolnym stałym obciążeniu w całym zakresie charakterystyki silnika od s=0 do s=sk, te część charakterystyki nazywa sie częścią stabilną.

Inaczej zachowuje sie silnik pracujący w punkcie C. Jeżeli obciążenie wzrosło to silnik zmniejszy prędkość. Ale przy mniejszej prędkości moment silnika jeszcze sie zmniejsza, a zatem gdy obciążenie powróci do poprzedniej wartości, to silnik sie zatrzyma. Zakres prędkości charakterystyki od s=1 do s=sk jest zakresem pracy niestabilnej silnika (dla stałych obciążeń).

4.Opisać zmianę poślizgu krytycznego w silniku pierścieniowym.

W jaki sposób zmienić prędkość obrotową silnika asynchronicznego

WG wzoru możemy zmieniać  trzema sposobami:
•    zmieniając liczbę par biegunów,
•    zmieniając poślizg,
•    zmieniając częstotliwość napięcia zasilającego. czyli w potocznym sloganie falownikami

Zmiana liczby par biegunów powoduje zmianę prędkości wirującego pola ma-gnetycznego. Dla dwóch biegunów prędkość ta wynosi 3000 obr/min, dla czterech 1500 obr/min. Jeden silnik może być zaprojektowany na dwie różne liczby par biegunów. Regulacja prędkości polega na przełączeniu pomiędzy uzwojeniami stojana tak, żeby zmieniła się liczba par biegunów. Przełączenie z mniejszej na większą liczbę par biegunów musi być dostosowane do prędkości silnika. Jeśli przełączenie nastąpi zbyt szybko, silnik wejdzie w obszar pracy prądnicowej, co może spowodować jego uszkodzenie.
Regulacja poślizgu może odbywać się dwoma sposobami. Zmiana napięcia zasilającego stojan możliwa jest bez zmiany częstotliwości. Moment silnika zależy od kwadratu napięcia zasilającego stojan. Zmiany w obwodzie wirnika mogą odbywać się przez włączenie w obwód wirnika rezystorów, lub przez włączenie dodatkowego napięcia w ten obwód. Sterowanie wirnikiem może odbywać się tylko
w przypadku silników pierścieniowych, ze względu na możliwość dostępu do jego uzwojeń. Prędkość zmieniana jest poprzez zwiększanie strat mocy w wirniku. Do regulacji prędkości silnika asynchronicznego można również zastosować kaskadę podsynchroniczną. W tej metodzie obwody wirnika są podłączone, przez pierścienie ślizgowe, do dodatkowej prądnicy prądu stałego lub sterowanego mostka prostowniczego. Zmiana wielkości wprowadzanego napięcia powoduje zmianę magnesowania silnika i jego prędkości obrotowej.
Regulacja częstotliwościowa -możliwa jest w tym przypadku regulacja prędkości obrotowej silnika przy minimalnych stratach energii. Prędkość wirującego pola magnetycznego zmienia się wraz  z częstotliwością. Dla utrzymania stałego momentu napięcie zasilające musi się zmieniać wraz z częstotliwością. 

5.Wyjaśnić wpływ zmiany napięcia zasilania na charakterystykę mechaniczną silnika trójfazowego i jednofazowego na przykładzie przełącznika gwiazda-trójkąt.

  wraz ze wzrostem napięcia rośnie moment obrotowy.

6.Wyprowadzić wzór na prędkość pola stojana i wirnika.

Prędkość pola stojana       

Prędkość wirnika (mechaniczna)  (1-s)         s=     s<1,0>

p- liczba par biegunów

f- częstotliwość

s- poślizg

7.Wyprowadzić wzór na moment silnika zależny od prądu i rezystancji wirnika (moment rozruchowy).

8.Wyznaczyć wartość poślizgu, dla którego moment jest maksymalny.

Do wyznaczenia poślizgu dla którego moment będzie maxymalny musimy zbadać pochodną momentu po poślizgu. ekstremum funkcji , moment będzie maxymalny

Moment maksymalny będzie dla poślizgu równego jest to poślizg krytyczny

Rz – rezystancja wirnika

- reaktancja rozproszenia wirnika i stojana

9.Przedstawić zależność na moment silnika w funkcji napięcia zasilającego.

U1, E1 =const               U=const               f=const

Napięcie zbyt niskie – moment rozruchu zbyt mały

Moment rozruchu dostatecznie mały - prąd rozruchu mały – spadek napięcia mały – obciążenie sieci małe.

10.Opisać przejście z charakterystyki silnikowej na prądnicową.

Siły mechaniczne działające na przewody twornika powodują powstanie momentu elektromagnetycznego Me, którego kierunek jest zależny od rodzaju pracy maszyny prądnicowej lub silnikowej. Prz pracy prądnicowej moment Me skierowany jest przeciwnie do kierunku wirowania i w związku z tym do wału prądnicy należy dostarczyć energii mechanicznej (poprzez silnik napędowy), która w prądnicy zamieniana jest na energię elektryczną. Przy pracy silnikowej natomiast moment elektromagnetyczny Me ma kierunek zgodny z kierunkiem wirowania, jest wiec momentem napędowym, pod wpływem, którego energia elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną, dostarczaną przez silnik napędowy maszynie roboczej.

11.Zdefiniować poślizg dodatni i ujemny (łącząc z pracą silnika).

W silniku elektrycznym asynchronicznym poślizg opisuje różnicę między prędkością obrotową wirnika n a prędkością synchroniczną ns(prędkość wirowania pola magnetycznego), wynikającą z liczby par biegunów i częstotliwości prądu zasilającego:

Poślizg silnika przy znamionowym obciążeniu zwykle waha się w granicach 1,0 do 10% i jest tym mniejszy, im większa jest znamionowa moc silnika. Gdy wirnik jest nieruchomy, poślizg jest równy 1(100%). Na biegu jałowym silnika (występuje tylko moment tarcia w łożyskach i moment oporów powietrza) poślizg jest bardzo mały i wynosi 0,5 – 1%.

Poślizg dodatni występuje dla pracy silnikowej, natomiast poślizg ujemny dla pracy generatorowej.

12.Nawrót i hamowanie przeciwprądem (warunek na poślizg).

Hamowanie to polega na zmianie kierunku obrotów pola wirującego silnika. Zmianę tę dokonujemy przez przełączenie dwóch dowolnych faz uzwojenia stojana. Po zmianie kierunku pola wirującego poślizg będzie wynosił:

Ponieważ prędkość obrotowa wirnika n jest w przybliżeniu równa n1, a przy hamowaniu maleje, więc w czasie hamowania poślizg będzie zawarty w granicach:  2 > s > 1

Nawrót silnika – zmiana kierunku obrotów.

13.Narysować podstawowe charakterystyki silnika przy sterowaniu częstotliwością.

f=Var

u/f =const             

im większa f tym tym większa impedancja układu – oraz straty cieplne

Częstotliwość zasilania wpływa na prędkość wirowania pola magnetycznego wytwarzanego w stojanie, czyli na prędkość synchroniczną silnika. Zmieniając jej wartość możemy płynnie zmieniać prędkość silnika w zakresie od postoju do prędkości nawet przekraczającej prędkość znamionową.(przekraczając prędkość znamionową trzeba wziąć pod uwagę wytrzymałość mechaniczną silnika i wytrzymałość elektryczną izolacji). Jeżeli zmiana częstotliwości odbywa się przy stałej wartości napięcia zasilania, powoduje to niepożądaną zmianę wartości strumienia (wzrost częstotliwości powoduje spadek wartości strumienia), co niekorzystnie wpływa na generowany przez silnik moment obrotowy. Dlatego jeżeli wymagana jest stała wartość momentu na wale, zmianom częstotliwości powinny odpowiadać proporcjonalne zmiany napięcia zasilającego (stosunek U/f=const)

- regulacja przeprowadzona w sposób ciągły zapewnia płynna regulacje prędkości obrotowej,

- pozwala na regulacje prędkości obrotowej w szerokim zakresie > ni2 1:20 („w górę”

i „w dół” od znamionowej prędkości obrotowej),

- znajduje zastosowanie w silnikach szybko-obrotowych, stosowanych w obrabiarkach

do drewna, szlifierkach, polerkach itp.,

- wymaga stosowania złożonych układów elektronicznych zwanych przetwornicami częstotliwości.

14. Jak zmienia się relaktancja uzwojenia silnika przy zmianie częstotliwości napięcia zasilającego.

15. Podstawowy model matematyczny silnika prądu stałego w odmianie obcowzbudnej i szeregowej prądu stałego.

16. Narysować charakterystyki mechaniczne silnika bocznika.

17. Narysować charakterystyki silnika szeregowego.

W silnikach szeregowych uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Oznacza to, że w maszynach tych prąd pobierany z sieci jest jednocześnie prądem twornika i prądem wzbudzenia (I=It=If).

T - moment elektromagnetyczny wprawiający wirnik w ruch obrotowy

Zależność n=f(T) dla silnika szeregowego

Charakterystyki robocze silnika szeregowego prądu stałego

- moc pobrana przez silnik z sieci:     , 

- moc oddana przez silnik (na wale):  ,

- sprawność:                                       

18.Narysować, podać, wyjaśnić różnicę w przebiegu charakterystyki zewnętrznej prądnicy samowzbudnej i obcowzbudnej. Podać definicję prądu zwarcia.

Charakterystyki przedstawiają napięcie na zaciskach prądnicy w funkcji obciążenia (U=f(It)) przy stłej prędkości obrotowej wirnika n=const.

Różnice:

*Dla prądnicy samowzbudnej charakterystyka przedstawia przebieg przy stałej rezystancji Rf obwodu wzbudzenia. Prąd magnesujący będzie się zmniejszał, wraz ze zmniejszeniem się napięcia U na zaciskach.

*Dla prądnicy obcowzbudnej charakterystyka przedstawia przebieg przy stałym napięciu obwodu wzbudzenia, a więc jest stale niezależne od prądu obciążenia napięcia zasilania uzwojenia wzbudzenia, co powoduje bardziej sztywne charakterystyki zewnętrzne.

Prąd zwarcia – prąd o wartości większej niż znamionowa, powstały w wyniku połączenia ze sobą bezpośrednio przewodów o różnych potencjałach np. dla prądnicy połączenie 3 faz.

19.Narysować i opisać charakterystykę regulacyjną.

20.Narysować charakterystykę dla biegunów wydatnych - moment reluktancyjny.

Moment reluktancyjny jest jedynym momentem siły jaki występuje silnikach typu reluktancyjnego, to który pomimo braku wzbudzenia pojawia się wskutek dynamicznego działania pola magnetycznego na element asymetryczny magnetycznie.

Moment reluktancyjny powstaje w wyniku współdziałania prądu płynącego w uzwojeniu wirnika ze stojanem o kątowej zmienności reluktancji.

21. Jak doprowadza się do synchronizacji z siecią zasilającą silnik synchroniczny?

Silnik synchroniczny to silnik, w którym prędkość wirowania wirnika jest synchroniczna z prędkością wirowania pola magnetycznego.

prędkość synchroniczna - prędkość wirowania pola magnetycznego powstającego w stojanie silnika prądu przemiennego, dla silników synchronicznych jest to prędkość jaką rozwija silnik

Prędkość maszyny synchronicznej jest stała i niezależna od obciążenia oraz napięcia zasilającego. Zmianę kierunku wirowania silnika uzyskuje się przez zamianę połączenie dwóch przewodów po stronie zasilania. Jeżeli wzbudnicą jest maszyna prądu stałego samowzbudna, osadzona na wale silnika lub z nim sprzęgnięta, to przy zmianie kierunku wirowania należy także odpowiednio zmienić połączenia wzbudnicy.

Każda maszyna synchroniczna przed podłączeniem do sieci musi zostać poddana procesowi synchronizacji. Jest to niezbędne do uniknięcia dużych skoków napięć i wahań prądów wyrównawczych, mogących spowodować uszkodzenie maszyny i sieci. Proces synchronizacji może my podzielić na dwa rodzaje : synchronizację i samosynchronizację.

Synchronizacja polega na doprowadzenia maszyny do stanu, w którym chwilowe wartość napięcia na zaciskach maszyny i sieci energetycznej były równe. Jeżeli zachowany jest sinusoidalny kształt napięć warunki synchronizacji zapewnia się poprzez spełnienie następujących wymagań:
• wartości skuteczne napięć prądnicy i sieci powinny być równe
• częstotliwości napięć powinny być równe
• kolejność faz napięć w prądnicy i sieci powinna być zgodna
• kąt przesunięcia fazowego napięć tej samej fazy sieci i prądnicy powinien wynosić 0.

Spełnienie powyższych warunków realizuj się zmieniają prędkość obrotową wirnika oraz prąd wzbudzenia maszyny synchronicznej.
Historycznymi metodami synchronizacji jest metoda z wykorzystaniem żarówek podłączanych pomiędzy sieć a prądnice (metoda „na ciemno”, „na jasno” i „na świtało wirujące”). Dzisiaj większość urządzeń jest wyposażona w automatyczne układy do synchronizacji lub urządzenia synchronizujące.

Po przeprowadzeniu synchronizacji i przyłączeniu prądnicy do sieci zmana mocy maszyny napędzającej powoduje zmianę mocy czynnej P oddawanej do sieci przy n=const, a zmiana prądu wzbudzenia powoduje zmianę mocy biernej Q

charakterystyka mechaniczna silnika synchronicznego

U = const               Prędkość kątowa = const

22.Opisać prostowanie połówkowe mostka Graetza.

               Mostek Graetza to pełnookresowy prostownik z czterech diod prostowniczych połączonych w specyficzny układ prostujący prąd przy wykorzystaniu obu połówek napięcia przemiennego (prostownik dwupołówkowy). W układzie takim niezależnie od kierunku przepływu prądu na wejściu prąd na wyjściu płynie zawsze w tą samą stronę. W określonej chwili dwie z tych diod pracują przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, a dwie w kierunku zaporowym; przy zmianie kierunku prądu wejściowego te pary zamieniają się rolami. Mostek ten jest ...