Badanie maszyn elektrycznych prądu przemiennego 4. Prądnica

W zestawie laboratoryjnym silnik indukcyjny sprzęgnięty został mechanicz-nie z prądnicą samowzbudną. Prądnica elektryczna jest przetwornikiem energii mechanicznej w energię elektryczną. Działanie prądnicy oparto na zjawisku indukowania się siły elektromotorycznej w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym. Załóżmy, że pomiędzy biegunami elektromagnesu obraca się zwój w formie ramki z przewodu miedzianego. Stałe, co do wartości i kierunku pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes, przedstawia na rysunku wektor indukcji magnetycznej .

A – wektor powierzchni A;  B – indukcja magnetyczna; 

Ф – strumień magnetyczny skojarzony z ramką;  S – pierścienie szczotek; 

ε – siła elektromotoryczna.

Rys. 5.8. Schemat poglądowy prądnicy (generatora) elektrycznej (a), oraz przebieg zmian

strumienia magnetycznego skojarzonego z ramką Ф a także indukowanej w niej siły elektro-motorycznej ε (b)

Źródło: opracowanie własne

Wartość indukowanej w ramce siły elektromotorycznej ε zależy od pręd-kości kątowej ramki ω, długości przewodu zanurzonego w polu magnetycznym wytworzonym przez elektromagnes oraz od wartości indukcji magnetycznej B obejmowanej przez ramkę o polu powierzchni A, zgodnie z podaną wcześniej

5.4. Prądnica obwodzie w żłobki, w których znajdują się poszczególne zwoje. Walec ten wraz z uzwojeniem nazywamy twornikiem prądnicy. Napięcie wytworzone w uzwoje-niach twornika odbierane jest z prądnicy za pomocą układu pierścieni szczotek S, tak jak to pokazano powyżej.

Część prądnicy służącą do wytwarzania pola magnetycznego nazywamy magneśnicą. Na biegunach magneśnicy nawinięte są uzwojenia magnesujące, wytwarzające pole magnetyczne stałe, co do kierunku (wzbudzające). W zależ-ności od typu prądnicy elektrycznej twornik może stanowić jej część wirującą lub nieruchomą. Prądnice elektryczne o mocach znamionowych powyżej 1 kVA budowane są z magneśnicą umiejscowioną w wirniku maszyny, zaś twornik umieszczony jest na części nieruchomej (stojanie) maszyny.

Prądnica wchodząca w skład zestawu laboratoryjnego to prądnica z magneś-nicą znajdującą się w wirniku maszyny i wykorzystująca zjawisko pozostałości magnetycznej. Prądnice te nazywane są samowzbudnymi, gdyż nie potrzebują zewnętrznych źródeł energii elektrycznej do zasilania uzwojeń magneśnicy.

B – indukcja magnetyczna;  H –  natężenie pola magnetycznego  przyłożonego do przedmiotu;  B_r – remanencja;  H_c – koercja;  indeks m – wartość maksymalna.

Rys. 5.9. Pętla histerezy materiału magnetycznie twardego

Źródło: opracowanie własne na podstawie [9]

Dużą wartość pozostałości magnetycznej B_r mają materiały magnetycznie twarde, to znaczy, że można je trwale namagnesować. Materiały te

charaktery-5.

obwodu twornika posiada pętlę histerezy bardzo wąską, z niewielką pozo-stałością magnetyczną. Aby zrozumieć zjawisko powstawania pozostałości magnetycznej, należy prześledzić rys. 5.9. Przykładając pole magnetyczne o natę-żeniu +H_m, wytworzona indukcja przyjmie wartość +B_m. Po wyłączeniu źródła pola (czyli chwilowa wartość H = 0), indukcja magnetyczna nie osiągnie wartości zerowej, ale wartość +B_r. Oznacza to, że otrzymaliśmy magnes trwały, który sam z siebie wytwarza indukcję magnetyczną.

Obracając magnes z polem magnetycznym szczątkowym, w uzwojeniach twornika (stojana) indukuje się siła elektromotoryczna sinusoidalnie zmienna. Do zacisków twornika dołączone są uzwojenia wzbudnicy (wirnika). Pod wpły-wem zaindukowanego napięcia w tworniku w uzwojeniu wzbudnicy popłynie prąd elektryczny. Pole magnetyczne wytworzone pod wpływem przepływającego prądu w uzwojeniu magneśnicy musi mieć ten sam kierunek, co pole magnety-zmu szczątkowego. W celu uzyskania pożądanego kierunku przepływu prądu przez uzwojenie magneśnicy, uzwojenie to jest połączone z uzwojeniem twornika poprzez diodę prostującą. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się sumowanie strumieni magnetycznych magnetyzmu szczątkowego ze strumieniem wytworzo-nym przez prąd płynący w uzwojeniu magneśnicy. Przy braku tego rozwiązania, prądnica nie zostałaby wzbudzona, przez co na zaciskach twornika nie powsta-łoby napięcie znamionowe.

Materiały magnetycznie miękkie (o bardzo wąskiej pętli histerezy) stoso-wane są na obwody magnetyczne tworników prądnic, obwody magnetyczne silników indukcyjnych, transformatorów. Związane jest to z tym, że dzięki wąskiej pętli histerezy zmniejsza się straty mocy na przemagnesowanie rdzenia magne-tycznego. Wielkość strat jest wprost proporcjonalna do powierzchni histerezy.

5.5. Przetwornica częstotliwości

Przetwornice częstotliwości służą do przekształcania energii elektrycznej prądu przemiennego o określonych parametrach (napięcie, częstotliwość) na energię prądu przemiennego o zadanych parametrach, zgodnych z wymaganiami użytkownika. Za ich pomocą można płynnie regulować prędkość obrotową sil-ników (asynchronicznych) napędzających różne urządzenia, np. wentylatory, pompy sieci wodociągowej, przenośniki, taśmociągi, widy itp.

5.6. Stany awaryjne pracy powoduje utrzymanie stałego momentu obrotowego silnika. Zapobiega również nadmiernemu wzrostowi prądu magnesującego w przypadku regulacji w dół prędkości obrotowej maszyny indukcyjnej. Jak wiadomo z podstaw elektrotech-niki, uzwojenie stojana silnika może być przedstawione w schemacie zastępczym, jako szeregowe połączenie oporności (reaktancji) indukcyjnej X_L i rezystancji R. Przy zmniejszaniu częstotliwości f, oporność (reaktancja) indukcyjna X_L maleje, a co za tym idzie maleje całkowita oporność (impedancja Z) uzwojenia:

Z = X_L2 +R2=

(

)

2 π (10)

gdzie: L – indukcyjność własna cewki (uzwojenia).

Dla częstotliwości równej pojedynczym Hertzom, oporność (impedancja) uzwojenia jest praktycznie równa rezystancji tego uzwojenia, wówczas prąd uzwojenia może być równy prądom zwarcia. Schemat poglądowy przetwornicy częstotliwości przedstawiono na rys. 5.10. Nowoczesne przetwornice często-tliwości pozwalają na regulację prędkości obrotowej, jak również pełnią rolę zabezpieczeń silników indukcyjnych.

Rys. 5.10. Schemat poglądowy przetwornicy częstotliwości

Źródło: opracowanie własne

5.

stan, gdy moment obciążający wał silnika jest większy od momentu napędowego maszyny. Przy zbyt długotrwałym przeciążeniu wzrasta temperatura wnętrza maszyny (na skutek wydzielanego na uzwojeniach ciepła), przy zbyt niebezpiecz-nych jej wzrostach układ kontroli wyłączy zasilanie silnika i zatrzyma go.

Jeżeli napięcie zasilające silnik będzie zbyt niskie przy obciążeniu nomi-nalnym wału maszyny, w celu pokonania oporów, silnik będzie pobierał znacznie większy prąd, zgodnie z zależnością opisującą moc czynną wydzielającą się na uzwojeniach silnika:

P U I= ⋅ ⋅ cosϕ (11) Jeżeli maleje napięcie U, to musi rosnąć prąd I, aby iloczyn tych wartości był utrzymany. Przy zbyt niskim napięciu zasilania silnik zostanie przez zabezpiecze-nia odłączony od sieci.

Układ zabezpieczenia monitoruje również liczbę faz zasilających maszynę. Przy zaniku jednej fazy zasilania silnik pracuje nadal (wirujące pole jest wytwa-rzane, jednak niesymetrycznie), zaś przy zaniku dwóch faz układ zabezpieczenia odłącza maszynę od sieci zasilającej (pole magnetyczne staje się oscylujące, a nie wirujące, dlatego obrót wirnika nie będzie możliwy). Zanik jednej fazy zasila-nia spowoduje, że pobór prądu z pozostałych dwóch faz będzie znacznie wyższy, co doprowadzi do przegrzania maszyny. Stąd konieczność wyłączenia zasilania w tego typu sytuacji.

W praktyce współczesna przetwornica częstotliwości jest specjalizowanym mikrokomputerem. Poprzez odpowiednie moduły wejściowe możliwe pro-gramowanie pracy przetwornicy z komputera, jak również za pomocą panelu operatorskiego można odczytywać niezbędne dane o pracy maszyny, konfiguro-wać różnego rodzaju zabezpieczenia itp.

5.7. Pomiary laboratoryjne

Pomiary zostaną przeprowadzone dla silnika asynchronicznego klatkowego zasilanego przez przetwornicę częstotliwości oraz dla połączonej poprzez sprzęgło sztywne prądnicy samowzbudnej. Silnik jest zamontowany na wspólnej podsta-wie z prądnicą. Podczas ćwiczenia wykonane zostaną następujące czynności:

5.9. Zagadnienia i pytania kontrolne

5.8. Opracowanie wyników pomiarów

W celu przygotowania sprawozdania należy: a) uzupełnić tabele o odpowiednie obliczenia,

b) narysować charakterystyki silnika i prądnicy wg instrukcji zawartych w pro-tokole do ćwiczenia,

c) opisać zachowanie urządzeń podczas symulacji stanów awaryjnych pracy, d) podać wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia.

5.9. Zagadnienia i pytania kontrolne

a) Podaj warunki konieczne do wytworzenia pola magnetycznego wirującego. b) Omów pokrótce zasadę działania silnika indukcyjnego.

c) Wymień i pokrótce omów sposoby regulacji prędkości obrotowej silników indukcyjnych.

d) Przetwornikiem, jakiej energii, na jaką jest silnik elektryczny i jakim prze-twornikiem energii jest prądnica?

e) Opisz zasadę działania prądnicy prądu zmiennego.

f) Narysuj i opisz przykładową pętlę histerezy materiału magnetycznego twar-dego.

g) Omów pokrótce właściwości przetwornicy częstotliwości (jakie zadania spełnia we współpracy z maszynami indukcyjnymi).

h) Jakie konsekwencje powodują stany przeciążenia i awarii zasilania (zaniku faz) w silnikach indukcyjnych?

6.