Nauczyciel: Ryszard Szulc
Przedmiot: Maszyny Elektryczne Przedmiot: Urządzenia Elektryczne Klasa: 2 TE
Temat lekcji:Generator i silnik indukcyjny asynchroniczny Data lekcji: 08-09.04.2020 r
Wprowadzenie do tematu:
Generator indukcyjny - generator asynchroniczny
To jest rodzaj generatora elektrycznego prądu przemiennego (AC), który wykorzystuje zasady silników indukcyjnych w celu wytworzenia energii.
Generatory indukcyjne działają mechanicznie przez obroty wirniki szybsze od prędkości synchronicznej. Maszyna indukcyjna (AC) zwykle może być stosowana jako generator, bez jakichkolwiek wewnętrznych modyfikacji. Generatory indukcyjne są użyteczne w takich zastosowaniach, jak: elektrownie szczytowo – pompowe, elektrownie wiatrowe, zmniejszanie strumienia gazu pod wysokim ciśnieniem w celu obniżenia ciśnienia, gdyż może odzyskać energię przy relatywnie prostym
sterowaniu.
Generator indukcyjny zwykle czerpie swoją moc wzbudzania z sieci elektrycznej. W związku z tym, generator asynchroniczny nie może normalnie pracować gdy jest tzw. „ blackaut ” – w sytuacji gdy system dystrybucji jest w stanie bez napięciowym.
Czasem jednak są one samo wzbudzane za pomocą kondensatorów korekcji fazy ( tak jak w przypadku silników 1 fazowych z kondensatorami rozruchowymi).
Zasada działania
Generator indukcyjny wytwarza energię elektryczną gdy jego wirnik obraca się szybciej niż prędkości synchronicznej (poślizg ujemny – 3 %. . Natomiast dla typowego silnika czterobiegunowy (dwie pary biegunów stojana) działającej na częstotliwości 50 HZ ma synchroniczną prędkością 1500 obrotów na minutę. Silnik obraca się zwykle nieco wolniej niż prędkość synchroniczna; Różnica między
prędkością pracy synchronicznej i nazywa się „poślizgu” i jest zwykle wyrażane jako procent prędkości synchronicznej. Na przykład, silnik pracuje na 1450 obrotów na minutę, który ma prędkość synchroniczna 1500 obr / min pracuje w dodatnim poślizgu + 3,3%.
W czasie normalnej pracy silnika, obrót strumienia stojana jest większy od obrotu wirnika. To powoduje, że strumień stojana indukuje prąd wirnika, który tworzy strumień wirnika o polaryzacji magnetycznej przeciwnej do stojana. W ten sposób,
wirnik jest wleczony za strumieniem stojana, przy czym prądy indukowane w wirniku powstają przy częstotliwości dodatniego poślizgu.
Podczas pracy generującej, turbina napędza wirnik powyżej prędkości
synchronicznej (przy ujemnym poślizgu). Strumień indukuje prąd w wirniku, lecz strumień wirnika teraz przecina zwoje stojana, w stojanie jest wytwarzana energia i silnik teraz pracuje jako generator, oddając wytworzoną energie elektryczną z powrotem do sieci elektrycznej.
Silnik indukcyjny Po włączeniu silnika do sieci trójfazowej uzwojenie stojana wytwarza pole, którego prędkość wirowania zależy od liczby par biegunów. Jeżeli umieszczony wewnątrz stojana wirnik ma swobodę ruchu obrotowego, a jego uzwojenia są zwarte (bezpośrednio lub przez rezystancję), to na skutek działania pola wirującego na prądy indukowane w tych uzwojeniach powstaje moment obrotowy, powodujący ruch wirnika zgodnie z kierunkiem wirującego pola.
Prędkość obrotowa wirnika powinna być o kilka procent niższa od prędkości
synchronicznej pola. Współczynnik mocy cosφN i sprawność ηN zależą od stopnia jego obciążenia na wale.
Wzbudzenie
Maszyna indukcyjna wymaga zewnętrznie dostarczonego prądu twornika. Ponieważ pole wirnik zawsze pozostaje w tyle za polem stojana, maszyna indukcyjna zawsze
„pochłania” moc bierną , niezależnie od tego, czy działa jako prądnica lub silnik.
Źródło prądu wzbudzenia magnesowania strumienia (moc bierna) na stojanie jest wymagana, aby wywołać prąd wirnika. Może być zasilany z sieci elektrycznej lub po uruchomieniu produkcji mocy, od samego generatora.
Maszyna indukcyjna może być uruchomiony przez ładowania kondensatorów, ze źródła prądu stałego, po usunięciu źródła (DC) kondensatory dostarczają prąd magnesowania wymagany do rozpoczęcia produkcji napięcie.
Maszyna indukcyjna, której rdzeń został namagnesowany może dzięki magnetyzmu szczątkowego pozostałego w rdzeniu, wywoływać produkcję napięcia i prądu z powodu magnetyzmu szczątkowego pozostałego w rdzeniu.
Czynna moc
Aktywna moc dostarczana do linii / do sieci elektroenergetycznej jest proporcjonalna do poślizgu powyżej prędkości synchronicznej. Pełna moc znamionowa generatora jest osiągana przy bardzo małych wartościach poślizgu (zazwyczaj ~3%).
Silniki indukcyjne
Silniki pierścieniowe z wirnikami uzwojonymi, zwane silnikami pierścieniowymi są budowane w zakresie mocy od około 2 kW do kilku MW przy takich samych
napięciach zasilania.
Silnik pierścieniowy różni się tym od silnika klatkowego, że w żłobkach wirnika posiada trójfazowe uzwojenie, których końce są zwarte, a początki wyprowadzone i przyłączone do pierścieni ślizgowych, usytuowanych na wale wirnika. Na
pierścieniach umieszczone są szczotki, które umożliwiają połączenie obracającego się uzwojenia wirnika z rozrusznikiem lub regulatorem prędkości obrotowej.
W silnikach pierścieniowych, które przeznaczone są do pracy bez regulacji prędkości obrotowej, wbudowane są urządzenia do zwierania pierścieni i unoszenia szczotek.
Silniki o wirniku pierścieniowym mają, w odróżnieniu od silników o wirniku klatkowym, mniejszy prąd rozruchowy i możliwość regulacji prędkości obrotowej. Są one jednak bardziej kłopotliwe w eksploatacji oraz droższe.
Schemat ideowy silnika pierścieniowego.
Najbardziej prosto tłumaczę działanie silnika pierścieniowego.
W wirniku jest uzwojenie trójfazowe skojarzone w gwiazdę Y. Jeden koniec każdego z trzech uzwojeń jest zwarty wewnątrz wirnika. Drugi koniec każdego uzwojenia jest wyprowadzony na zewnątrz silnika do urządzenia rozruchowego, oporowego. Płynnie zwieranie lub rozwieranie drugiego końca tych uzwojeń wirnika zwiększa lub
zmniejsza prąd płynący w uzwojeniu wirnika i strumień elektromagnetyczny wzajemnie oddziałujący na strumień stojana. W ten sposób zwiększamy lub zmniejszamy prędkość obrotową.
Silniki indukcyjne klatkowe
Silniki indukcyjne (asynchroniczne) są powszechnie stosowane do napędu urządzeń o nieregulowanej prędkości obrotowej. Występują najczęściej jako silniki o wirnikach
klatkowych (zwartych), o mocy od kilku watów do kilkuset kilowatów, na napięcie znamionowe od 0,4 do 6 kV.
Wirnik silnika klatkowego. Klatka z prętów krótko zwarta. W prętach indukuje się prąd od załączonego pod napięcie uzwojenia stojana, Wzajemne oddziaływanie
strumienia stojana i prądu w prętach wirnika wprowadza wirnik w obroty.
Schemat ideowy kojarzenia uzwojeń stojana silnika klatkowego w gwiazdę Y i w trójkąt D (
Δ
)Kiedy gwiazda, kiedy trójkąt czyli jak podłączyć silnik.
Jak wiadomo silnik klatkowy podczas bezpośredniego rozruchu może pobierać z sieci prąd znacznie przekraczający jego wartość znamionową In. Prąd ten nazywamy prądem rozruchowym silnika a jego wartość waha się w granicach Ir=5-7In.
Jednym ze sposobów zmniejszenia prądu rozruchowego jest stosowanie przełącznika gwiazda-trójkąt. Silnik przeznaczony do pracy stojana w układzie trójkąta przy danym napięciu sieci zasilającej włącza się w chwili rozruchu w układ gwiazdowy.
Jak widać na załączonym rysunku, napięcie przypadające na fazę uzwojenia w połączeniu gwiazdowym jest niższe od napięcia jakie otrzymywałyby fazy uzwojenia połączone
zmniejszy się wartość prądu fazowego. Wobec obniżonego napięcia, przypadającego na fazę uzwojenia stojana oraz zmiany połączeń z trójkąta na gwiazdę Y, prąd
pobierany z sieci zmniejszy się trzykrotnie w porównaniu z prądem rozruchu w
układzie trójkąta
Δ.
Przy połączeniu w gwiazdę, silnik ma jednak trzykrotnie mniejszy moment rozruchowy, co uniemożliwia stosowanie tego sposobu przy rozruchuciężkim, pod dużym obciążeniem.
Na poniższym rysunku przedstawiono schemat połączeń układu gwiazda-trójkąt zrealizowany na stycznikach. Stycznik K1 podaje napięcie zasilania, K2 łączy silnik w gwiazdę a K3 w trójkąt:
Uwaga. Nie wszystkie silniki klatkowe można uruchamiać w ten sposób. Spełnione muszą być warunki:
- Na tabliczce zaciskowej powinny być wyprowadzone wszystkie końce uzwojeń czyli 6.
- Normalna praca silnika odbywa się przy połączeniu jego uzwojeń w trójkąt. Na tabliczce znamionowej powinno widnieć oznaczenie U=400/690V
Schemat sterownia jest oparty na trzech stycznikach i jednym przekaźniku
czasowym. Naciśnięcie przycisku załączającego Z powoduje zadziałanie stycznika K1, styki normalnie otwarte zwierają sie i bocznikują przycisk Z. Następuje tzw.
podtrzymanie
czyli zwolnienie przycisku Z nie powoduje przerwania obwodu gdyż prąd płynie dalej stykami stycznika K1. Przerwanie obwodu może nastąpić jedynie przez zadziałanie przekaźnika termicznego PT lub naciśnięcie przycisku W. W tym samym czasie zostaje załączony stycznik K2 i następuje rozruch silnika połączonego w gwiazdę. Po czasie zwłoki ustawionym na przekaźniku czasowym, styki RT w obwodzie stycznika K2 zostają otwarte, natomiast w obwodzie K3 zwierają się styki K2 oraz RT
powodując zadziałanie K3 i prace silnika w układzie trójkąta. Rozruch silnika zostaje zakończony.
Jeszcze raz wrócę do Alternatora
Alternator, w najprostszym ujęciu, to prądnica prądu przemiennego, która służy do zmiany energii mechanicznej w prąd przemienny. Prąd w alternatorze wytwarzany jest w nieruchomych uzwojeniach stojana poprzez wirujące pole magnetyczne wirnika. Produkt stosowany jest powszechnie jako źródło prądu w pojazdach mechanicznych, gdzie ładuje akumulator.
Pierwszą prądnicę skonstruował w 1891 r. i opatentował Nikola Tesla. Dzisiejsze alternatory sterowane są sygnałami cyfrowymi, dlatego kontrola ich jakości wymaga zastosowania najnowocześniejszych maszyn.
Alternator zbudowany jest m.in. z: koła pasowego, obudowy przedniej, łożyska przedniego oraz jego blokady, wirnika, łożyska tylnego, uzwojenia, obudowy tylnej, prostownika, regulatora napięcia, osłony alternatora.
Alternator może sygnalizować ewentualną awarię na różne sposoby. Jednym z nich jest nadmierny hałas, jaki może z niego dobiegać. W tym przypadku możemy brać pod uwagę dwa rodzaje usterek: elektryczne oraz mechaniczne.
Przyczyny elektryczne:
- Zwarcie uzwojeń stojana lub uszkodzeniem (zwarciem diody/diod) mostka prostowniczego.
- Demontaż alternatora, oszacowanie i wymiana uszkodzonych elementów.
Przyczyny mechaniczne:
- Uszkodzone koło napędowe. W tym przypadku należy wymienić koło oraz pasek klinowy.
- Uszkodzone łożysko (łożyskowanie wirnika / obie obudowy alternatora, przednia i tylna). Po zdiagnozowaniu tego uszkodzenia trzeba wymienić komplet łożysk.
- Oś wirnika jest krzywa, co skutkuje koniecznością wymiany wirnika.
Schemat elektryczny alternatora
Instrukcje do pracy własnej:
Przeczytać teksy mojego wykładu Praca własna:
Wykonać notatki z tematu w zeszycie (najważniejsze informacje) Narysować załączone schematy.
Podpisać imieniem, nazwiskiem z datą lekcji strony w zeszycie wykonać zdjęcia Informacja zwrotna:
Wykonane zdjęcia zeszytu i przesłać je na adres e-mail.: Szulc@zs9elektronik.pl
